數(shù)字化為全球的工業(yè)企業(yè)帶來了新的機遇和更多選擇，使它們能夠滿足客戶越來越多的差異化需求，并縮短產(chǎn)品上市時間。數(shù)字化轉型為推動創(chuàng)新、打造新型服務乃至建立全新的數(shù)據(jù)驅動型業(yè)務模式鋪平了道路。
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）評為影響未來的十大技術之一，眾多工業(yè)軟件及工業(yè)自動化廠商也積極地圍繞數(shù)字孿生的理念和技術體系進行戰(zhàn)略布局。
要降低設計風險并確保其支持的產(chǎn)品和流程性能，企業(yè)需要在將設計用于生產(chǎn)之前，對其進行驗證和優(yōu)化。然而，很多企業(yè)只能對物理原型進行驗證。這種局限性具有很大的弊端，因為物理原型會導致成本增加并造成項目前期仿真、測試和分析時間延長。此外，很多產(chǎn)品在實施或投入市場之前，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)都無法跟蹤其運營數(shù)據(jù)，因此機器狀態(tài)、能源利用率和運行狀態(tài)等方面的透明度不佳。如果不了解這些情況，優(yōu)化當前運行狀態(tài)就會變得困難重重，并且有效進行產(chǎn)品迭代也會舉步維艱。
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)之前進行測試設計、分析輸出結果等，而這一切并不需要投資于物理原型，也不會影響生產(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行狀態(tài)，同時縮短開發(fā)時間，改進產(chǎn)品質量并加快迭代。
（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目早期實施。但是，它并不僅要驗證某個單獨項目，而且要驗證從資產(chǎn)到工廠控制器等生產(chǎn)的各個方面。企業(yè)因此可以找到生產(chǎn)線出錯或故障的來源，而不會對車間其他方面產(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)，就會從使用性能數(shù)字化雙胞胎的每個資產(chǎn)上和整個工廠收集實時數(shù)據(jù)。這樣企業(yè)在優(yōu)化產(chǎn)品和進行工廠運營決策時可以有據(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)字化雙胞胎實例，數(shù)字化雙胞胎原型產(chǎn)生于真實產(chǎn)品存在之前，數(shù)字化雙胞胎實例產(chǎn)生于真實產(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)品設計、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、運營服務等），數(shù)字化雙胞胎主要以實例的方式存在。

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)品設計；在運營階段，可以通過數(shù)字化雙胞胎來改善運營，并實現(xiàn)全價值鏈的閉環(huán)反饋和持續(xù)改進。
數(shù)字化雙胞胎對于工業(yè)4��0時代制造業(yè)的數(shù)字化轉型起著至關重要的作用，其應用和發(fā)展將與以下四個方面的數(shù)字化轉型需求相結合。
1）大規(guī)模個性化定制。在工業(yè)4��0時代，企業(yè)需要為客戶提供個性化定制和設計，并且為客戶提供全生命周期的最佳體驗和服務。數(shù)字化雙胞胎可以在虛擬的空間中驗證更加復雜多樣的個性化產(chǎn)品和體驗，并在運營過程中通過互聯(lián)的數(shù)字化雙胞胎持續(xù)優(yōu)化運營服務和客戶體驗，實現(xiàn)大規(guī)模個性化定制。
2）產(chǎn)品越來越智能化。芯片技術和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使所有的產(chǎn)品趨于智能化，這就要求數(shù)字化雙胞胎具備機械、電子、軟件系統(tǒng)的集成建模和仿真能力。
3）先進機器人、增材制造等制造技術的發(fā)展將顛覆傳統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟和制造模式。這就要求數(shù)字化雙胞胎必須可以對這些新的制造工藝和設備進行建模和仿真。
4）制造業(yè)向服務轉型。通過智能化的產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)的應用，企業(yè)可以在產(chǎn)品使用的過程中采集數(shù)據(jù)并進行分析，從而實現(xiàn)對消費行為和產(chǎn)品質量的洞察，并支持新的基于結果的價值分享模式。這就要求數(shù)字化雙胞胎必須與云計算、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術充分結合。
隨著傳統(tǒng)的建模仿真技術與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術的進一步融合，數(shù)字化雙胞胎將得到越來越廣泛的應用，成為智能制造和智慧社會的核心技術。
西門子股份公司不僅是工業(yè)4��0的倡導者，更是工業(yè)領域實踐的排頭兵，它具備了數(shù)字化企業(yè)所必需的多學科專業(yè)領域最廣泛的工業(yè)軟件和行業(yè)知識，是企業(yè)數(shù)字化轉型的最佳合作伙伴。
本書作為智能制造類產(chǎn)教融合人才培養(yǎng)系列教材，以西門子相關技術平臺為支撐，詳細講述了數(shù)字孿生［或稱為數(shù)字化雙胞胎（Digital Twin）］在產(chǎn)品設計、制造以及運營大數(shù)據(jù)分析等方面的應用。
由于編者水平有限，書中不妥之處在所難免，懇請讀者批評指正。