产品数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势

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ｃｅｐｔｏｆｄｉｇｉｔａｌｔｗｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎｒｅｖｉｅｗｏｆｄｉｇｉｔａｌｔｗｉｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒｐｒｏｄｕｃｔｄｉｇｉｔａｌ
０引言
２０世纪中叶以来，随着微电子、自动化、计算机、通讯、网络、信息、人工智能等高新技术的迅猛发
品研发效率和质量、降低研发成本、实现快速响应市场的目的所涉及的一系列活动的总称。通常，数字化制造包括数字化设计、数字化工艺、数字化加工、数字化装配、数字化管理、数字化检测和数字化实
Ａｐｒ．２０１７
ＤＯＩ：１０．１３１９６／ｊ．ｃｉｍｓ．２０１７．０４．０１０
－ａｋ：口，口口
数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势
庄存波，刘检华，熊辉＋，丁晓宇，刘少丽，瓮刚
（北京理工大学机械与车辆学院数字化制造研究所，北京１０００８１）
摘
要：数字孪生技术被认为是实现信息物理系统的核心关键技术，作为数字孪生技术在产品研发过程具体
应用的产品数字孪生体，目前其研究尚处于探索阶段，研究成果相对较少且缺乏系统性。为此首先回顾了数字孪生体的产生背景，在此基础上提出了数字孪生技术的概念，然后对产品数字孪生体的内涵进行了系统阐述，建立了产品数字孪生体的体系结构，并给出了产品数字孪生体在产品设计阶段、制造阶段和服务阶段的实施途径，最后指
模型的定义（ＭｏｄｅｌＢａｓｅｄＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ＭＢＤ）、产品
纪６０年代至８０年代初期），即单项技术和局部系统
的应用阶段。该阶段以数控技术、ＣＡＤ、ＣＡＰＰ、ＣＡＭ、计算机辅助工程（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒ —
第２３卷第４期２０１７年４月
计算机集成制造系统
ＣΒιβλιοθήκη BaiduｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ
Ｖｏ１．２３Ｎｏ．４
义的数字化制造技术是将信息技术应用于产品设计、制造和管理等产品全生命周期中，以达到提高产
收稿日期：２０１７ — ０３ — ０３；修订日期：２０１６ — １０ — ２４。Ｒｅｃｅｉｖｅｄ０３Ｍａｒ．２０１７；ａｃｃｅｐｔｅｄ２４Ｏｃｔ．２０１６．基金项目：国防基础科研资助项目（ＪＣＫＹ２０１６２０４Ａ５０２，ＪＣＫＹ２０１６２０３Ｂ１０６）。Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍｓ：ＰｒｏｊｅｃｔｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｓｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｇｉｔａｌｔｗｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓｔｈｅｃｏｒｅａｎｄｃｒｕｃｉａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｆｕｌｆｉｌｌｃｙｂｅｒ－ｐｈｙｓｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ．Ｐｒｏｄｕｃｔｄｉｇｉｔａｌｔｗｉｎｉｓｏｎｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｄｉｇｉｔａｌｔｗｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｈｏｗｅｖ－ｅｒ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｉｔｉｓｓｔｉｌｌｉｎｉｔｓｉｎｆａｎｃｙａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｏｎｌｙｆｅｗｕｎｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｎｄｉｎｇｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｃｏｎ —
验等。
展，掀起了以信息革命为核心的新技术革命浪潮。
数字化制造就是在这样一个背景下应运而生的。广
从２０世纪５Ｏ年代的数控加工开始，数字化制造技术的发展大致经历了以下４个主要阶段：（１）以计算机辅助设计（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅ一
ｔｗｉｎｂａｓｅｄｏｎｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｔｓｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｏｆｐｒｏｄｕｃｔｄｉｇｉｔａｌ
ｔｗｉｎｉｎｔｈｅｓｔａｇｅｏｆｐｒｏｄｕｃｔｄｅｓｉｇｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｓｅｒｖｉｃｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｅｖｏｌｖｉｎｇｔｒｅｎｄｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｄｉｇ —
ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．ＪＣＫＹ２０１６２０４Ａ５０２，ＪＣＫＹ２０１６２０３Ｂ１０６）．
７５４
计算机集成制造系统
ｉｔａｌｔｗｉｎｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇｉｔｓｆｅａｔｕｒｅｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｗｅｒｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌｔｗｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｉｇｉｔａｌｔｗｉｎ；ｃｙｂｅｒａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ；ｄｉｇｉｔａｌｔｈｒｅａｄ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｎｕｆａｃ — ｔｕｒｉｎｇ；ｃｙｂｅｒ－ｐｈｙｓｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ；ｐｒｏｄｕｃｔｌｉｆｅｃｙｃｌｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｍｏｄｅｌｉｎｇａｄｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；
Ｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｔｒｅｎｄｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｄｉｇｉｔａｌｔｗｉｎ
ＺＨＵＡＮＧＣｕｎｂｏ，ＬＩＵＪｉａｎｈｕａ，ＸＩＯＮＧＨｕｉ，ＤＩＮＧＸｉａｏｙｕ，ＬｊＵＳｈａｏｌｉ，ＷＥＮＧＧａｎｇ
（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＤｉｇｉｔａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）
第２３卷
ｓｉｇｎ，ＣＡＤ）／计算机辅助工艺规划（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉ —
制造技术的范畴，它是制造技术与数字化技术、智能
ｄｅｄＰｒｏｃｅｓｓＰｌａｎｎｉｎｇ，ＣＡＰＰ）／计算机辅助制造
（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＣＡＭ）等计算机辅助技术为代表的第一代数字化制造技术（从２Ｏ世
技术及新一代信息技术的融合。同时在该阶段出现了“ 工业４．０ ” （２０１３年德国联邦教研部与联邦经济技术部在汉诺威工业博览会上提出），其内涵是利用信息物理系统（Ｃｙｂｅ卜ＰｈｙｓｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，ＣＰＳ）将生
出了产品数字孪生体的发展趋势。关键词：数字孪生技术；数字孪生体；虚实融合；数字纽带；智能制造；信息物理系统；产品全生命周期管理；建
模与仿真
中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ
产中的供应、制造和销售等信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应，其本质是通过充分利用ＣＰＳ将制造业推向智能化的转型。从上述数字化制造技术的发展历程来看，数字化制造技术的关键问题之一是数据的管理问题，从最初的产品模型数据管理发展到车间现场的制造数据乃至整个产品全生命周期的数据管理。随着基于