作为制造系统的重要表现形式,离散制造车间具有高度的灵活性,被广泛应用于复杂装备的机加和装配。在智能制造时代,信息技术与制造技术相互融合,信息系统和制造系统相互连接,信息流、物料流和控制流在车间相互交织,如何实现车间的高效运行与闭环控制成为一项具有挑战性的任务。数字孪生强调物理实体与其虚拟模型的双向数据交互,在传感器与执行器使能下实现虚实同步,依赖于物理系统数据到其虚拟模型的实时更新实现系统运行优化与决策;被视为新一代智能制造的关键使能技术,在智能产品、智能生产和智能服务中受到广泛关注和讨论。本文聚焦于数字孪生在离散制造车间的研究与应用。尽管企业界和学术界对数字孪生的内涵、建模架构、使能技术、应用模式等进行了广泛探讨和有益尝试,但基于数字孪生的智能生产理论和方法仍有待完善,如何构建异构离散制造车间的统一模型,并建立有效的车间级虚实连接与交互,进而实现数字孪生模型对物理车间的闭环控制仍有待进一步解决。针对上述问题,本文探索了数字孪生车间构建思路与技术路线,研究了面向数字孪生车间的建模、仿真与应用方法,并研制了数字孪生车间建模与仿真系统,旨在为数字孪生在智能生产的推广和应用提供理论指导和技术支持。主要研究内容如下:（1）针对数字孪生车间构建思路与技术路线不清晰、不明确的问题,提出了数字孪生车间演进模型的概念,揭示了数字孪生车间三个演进阶段:数字模型车间、数字投影车间和数字孪生车间,探讨了数字孪生车间各演进阶段的运行机制,为数字孪生车间建模、仿真与应用方法研究指明了方向。（2）针对异构离散制造车间数字孪生统一建模问题,提出了基于虚拟重构的车间数字孪生建模方法,包括面向可配置建模的车间要素和关系的识别与表征、基于离散事件系统的车间仿真建模以及面向信息物理系统的车间数字孪生建模方法。（3）针对数字孪生车间仿真机制和调度策略问题,提出了基于数字孪生的生产过程仿真方法;设计了基于数字孪生的仿真架构,实现了该架构下的仿真调度策略,并开发了相应的仿真算法,包括仿真初始化算法、基于改进进程交互法的仿真执行算法以及仿真数据收集与分析算法;探讨了仿真调度策略使能下的三种仿真执行模式:评估模式、同步模式、实验模式,以满足制造执行各阶段的仿真需求。（4）针对物理车间数据感知与交互问题,提出了面向数字孪生的车间数据获取、存储、映射与交互架构,研究了该架构下车间多源异构数据获取与存储、基于虚拟传感器的数据映射与同步、车间虚实数据连接与交互三项关键技术,以实现信息物理融合。（5）针对数字孪生车间闭环控制问题,提出了数字孪生驱动的智能制造执行方法;设计了数字孪生驱动的智能制造执行应用架构以及数字孪生驱动的调度方案评估、扰动检测与预测方法流程;探索了该架构的四项关键使能技术:车间制造执行过程虚实数据交互机制、基于仿真评估模式的方案评估与性能优化、基于仿真同步模式的过程监控与扰动检测、基于仿真实验模式的假设分析与动态调度,以赋予制造系统自组织、自感知和自决策等智能。（6）针对数字孪生车间建模与仿真系统研制问题,基于数字孪生车间建模、仿真与应用方法与技术研究成果,构建了数字孪生车间建模与仿真系统总体架构;设计并实现了系统主要功能模块,涵盖制造执行各阶段的仿真应用;以某大型复杂航空结构件车间为例对本文研究成果进行了应用验证。本文的研究表明,所研究的离散制造车间数字孪生建模与仿真方法完善了离散制造系统建模与仿真方法体系。所构建的数字孪生车间建模与仿真平台能够满足车间快速虚拟重构、制造执行过程各阶段仿真、生产过程优化与控制等应用需求,有助于提高车间的数字化、透明化和智能化程度,实现提质增效。