數(shù)字化為全球的工業(yè)企業(yè)帶來了新的機(jī)遇和更多選擇，使它們能夠滿足客戶越來越多的差異化需求，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。數(shù)字化轉(zhuǎn)型為推動(dòng)創(chuàng)新、打造新型服務(wù)乃至建立全新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型業(yè)務(wù)模式鋪平了道路。
數(shù)字孿生［或稱為數(shù)字化雙胞胎（Digital Twin）］在2017年和2018年連續(xù)兩年被Gartner Group（高德納咨詢公司）評(píng)為影響未來的十大技術(shù)之一，眾多工業(yè)軟件及工業(yè)自動(dòng)化廠商也積極地圍繞數(shù)字孿生的理念和技術(shù)體系進(jìn)行戰(zhàn)略布局。
要降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并確保其支持的產(chǎn)品和流程性能，企業(yè)需要在將設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)之前，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。然而，很多企業(yè)只能對(duì)物理原型進(jìn)行驗(yàn)證。這種局限性具有很大的弊端，因?yàn)槲锢碓�型�?huì)導(dǎo)致成本增加并造成項(xiàng)目前期仿真、測試和分析時(shí)間延長。此外，很多產(chǎn)品在實(shí)施或投入市場之前，需要經(jīng)過好幾輪的原型制作過程。一旦產(chǎn)品投入生產(chǎn)，很多企業(yè)都無法跟蹤其運(yùn)營數(shù)據(jù)，因此機(jī)器狀態(tài)、能源利用率和運(yùn)行狀態(tài)等方面的透明度不佳。如果不了解這些情況，優(yōu)化當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)變得困難重重，并且有效進(jìn)行產(chǎn)品迭代也會(huì)舉步維艱。
數(shù)字孿生是物理產(chǎn)品或流程的虛擬副本，可以在將產(chǎn)品或流程投入生產(chǎn)之前進(jìn)行測試設(shè)計(jì)、分析輸出結(jié)果等，而這一切并不需要投資于物理原型，也不會(huì)影響生產(chǎn)。
西門子股份公司支持產(chǎn)品/流程全生命周期不同階段使用的三種數(shù)字化雙胞胎：
（1）產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎在產(chǎn)品規(guī)劃早期，使用數(shù)字化雙胞胎來虛擬仿真并驗(yàn)證物理原型中的屬性，這樣有助于了解產(chǎn)品在不同情況下的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)縮短開發(fā)時(shí)間，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量并加快迭代。
（2）生產(chǎn)數(shù)字化雙胞胎生產(chǎn)數(shù)字化雙胞胎也可以在項(xiàng)目早期實(shí)施。但是，它并不僅要驗(yàn)證某個(gè)單獨(dú)項(xiàng)目，而且要驗(yàn)證從資產(chǎn)到工廠控制器等生產(chǎn)的各個(gè)方面。企業(yè)因此可以找到生產(chǎn)線出錯(cuò)或故障的來源，而不會(huì)對(duì)車間其他方面產(chǎn)生不良影響。
（3）性能數(shù)字化雙胞胎一旦產(chǎn)品投入生產(chǎn)，就會(huì)從使用性能數(shù)字化雙胞胎的每個(gè)資產(chǎn)上和整個(gè)工廠收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這樣企業(yè)在優(yōu)化產(chǎn)品和進(jìn)行工廠運(yùn)營決策時(shí)可以有據(jù)可循，并且將數(shù)據(jù)反饋給產(chǎn)品和生產(chǎn)數(shù)字化雙胞胎進(jìn)行后期迭代優(yōu)化（圖1）。
圖1迭代優(yōu)化


按照數(shù)字化雙胞胎在產(chǎn)品全生命周期應(yīng)用階段的不同（圖2），可以將其分為數(shù)字化雙胞胎原型和數(shù)字化雙胞胎實(shí)例，數(shù)字化雙胞胎原型產(chǎn)生于真實(shí)產(chǎn)品存在之前，數(shù)字化雙胞胎實(shí)例產(chǎn)生于真實(shí)產(chǎn)品存在之后。因此，在產(chǎn)品全生命周期的前期階段（例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)工程等），數(shù)字化雙胞胎主要以原型的方式存在；在產(chǎn)品全生命周期的后期階段（例如制造執(zhí)行、運(yùn)營服務(wù)等），數(shù)字化雙胞胎主要以實(shí)例的方式存在。

圖2產(chǎn)品全生命周期中的數(shù)字化雙胞胎

在研發(fā)階段，可以通過數(shù)字化雙胞胎來降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)；在運(yùn)營階段，可以通過數(shù)字化雙胞胎來改善運(yùn)營，并實(shí)現(xiàn)全價(jià)值鏈的閉環(huán)反饋和持續(xù)改進(jìn)。
數(shù)字化雙胞胎對(duì)于工業(yè)4��0時(shí)代制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型起著至關(guān)重要的作用，其應(yīng)用和發(fā)展將與以下四個(gè)方面的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求相結(jié)合。
1）大規(guī)模個(gè)性化定制。在工業(yè)4��0時(shí)代，企業(yè)需要為客戶提供個(gè)性化定制和設(shè)計(jì)，并且為客戶提供全生命周期的最佳體驗(yàn)和服務(wù)。數(shù)字化雙胞胎可以在虛擬的空間中驗(yàn)證更加復(fù)雜多樣的個(gè)性化產(chǎn)品和體驗(yàn)，并在運(yùn)營過程中通過互聯(lián)的數(shù)字化雙胞胎持續(xù)優(yōu)化運(yùn)營服務(wù)和客戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模個(gè)性化定制。
2）產(chǎn)品越來越智能化。芯片技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使所有的產(chǎn)品趨于智能化，這就要求數(shù)字化雙胞胎具備機(jī)械、電子、軟件系統(tǒng)的集成建模和仿真能力。
3）先進(jìn)機(jī)器人、增材制造等制造技術(shù)的發(fā)展將顛覆傳統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和制造模式。這就要求數(shù)字化雙胞胎必須可以對(duì)這些新的制造工藝和設(shè)備進(jìn)行建模和仿真。
4）制造業(yè)向服務(wù)轉(zhuǎn)型。通過智能化的產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，企業(yè)可以在產(chǎn)品使用的過程中采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)消費(fèi)行為和產(chǎn)品質(zhì)量的洞察，并支持新的基于結(jié)果的價(jià)值分享模式。這就要求數(shù)字化雙胞胎必須與云計(jì)算、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)充分結(jié)合。
隨著傳統(tǒng)的建模仿真技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的進(jìn)一步融合，數(shù)字化雙胞胎將得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為智能制造和智慧社會(huì)的核心技術(shù)。
西門子股份公司不僅是工業(yè)4��0的倡導(dǎo)者，更是工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵺`的排頭兵，它具備了數(shù)字化企業(yè)所必需的多學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域最廣泛的工業(yè)軟件和行業(yè)知識(shí)，是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的最佳合作伙伴。
本書作為智能制造類產(chǎn)教融合人才培養(yǎng)系列教材，以西門子相關(guān)技術(shù)平臺(tái)為支撐，詳細(xì)講述了數(shù)字孿生［或稱為數(shù)字化雙胞胎（Digital Twin）］在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)營大數(shù)據(jù)分析等方面的應(yīng)用。
由于編者水平有限，書中不妥之處在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。