《數字孿生技術應用白皮書》重磅發布！

    近些年，數字孿生應用已從航空航天領域向工業各領域全面拓展，西門子、GE等工業巨頭紛紛打造數字孿生解決方案，賦能制造業數字化轉型。數字孿生蓬勃發展的背后與新一代信息技術的興起、工業互聯網在多個行業的普及應用有莫大關聯。

    本報告主要分為六個部分。第一部分介紹了工業數字孿生內涵及意義，給出了數字孿生功能架構。第二部分介紹了數字孿生技術體系，分析了關鍵技術發展趨勢。第三部分總結數字孿生應用發展態勢，重點研究了數字孿生應用發展范式，給出不同行業應用特點。第四部分分析了產業布局動向，給出不同類型供給企業發展數字孿生的整體策略。第五部分研究了美國、德國、中國等不同國家數字孿生發展現狀和優劣勢。第六部分是全篇的總結和展望。

工業數字孿生內涵及意義

    工業數字孿生是多類數字化技術集成融合和創新應用，基于建模工具在數字空間構建起精準物理對象模型，再利用實時IOT數據驅動模型運轉，進而通過數據與模型集成融合構建起綜合決策能力，推動工業全業務流程閉環優化。

第一層，連接層

    具備采集感知和反饋控制兩類功能，是數字孿生閉環優化的起始和終止環節。通過深層次的采集感知獲取物理對象全方位數據，利用高質量反饋控制完成物理對象最終執行。

    第二層，映射層

    具備數據互聯、信息互通、模型互操作三類功能，同時數據、信息、模型三者間能夠實時融合。其中，數據互聯指通過工業通訊實現物理對象市場數據、研發數據、生產數據、運營數據等全生命周期數據集成；信息互通指利用數據字典、元數據描述等功能，構建統一信息模型，實現物理對象信息的統一描述；模型互操作指能夠通過多模型融合技術將幾何模型、仿真模型、業務模型、數據模型等多類模型進行關聯和集成融合。

    第三層，決策層

    在連接層和映射層的基礎上，通過綜合決策實現描述、診斷、預測、處置等不同深度應用，并將最終決策指令反饋給物理對象，支撐實現閉環控制。

    全生命周期實時映射、綜合決策、閉環優化是數字孿生發展三大典型特征。一是全生命周期實時映射，指孿生對象與物理對象能夠在全生命周期實時映射，并持續通過實時數據修正完善孿生模型；二是綜合決策，指通過數據、信息、模型的綜合集成，構建起智能分析的決策能力；三是閉環優化，指數字孿生能夠實現對物理對象從采集感知、決策分析到反饋控制的全流程閉環應用。本質是設備可識別指令、工程師知識經驗與管理者決策信息在操作流程中的閉環傳遞，最終實現智慧的累加和傳承。

數字孿生技術體系

    工業數字孿生技術不是近期誕生的一項新技術，它是一系列數字化技術的集成融合和創新應用，涵蓋了數字支撐技術、數字線程技術、數字孿生體技術、人機交互技術四大類型。其中，數字線程技術和數字孿生體技術是核心技術，數字支撐技術和人機交互是基礎技術。

    數字支撐技術具備數據獲取、傳輸、計算、管理一體化能力，支撐數字孿生高質量開發利用全量數據，涵蓋了采集感知、執行控制、新一代通訊、新一代計算、數據模型管理五大類型技術。未來，集五類技術于一身的通用技術平臺有望為數字孿生提供“基礎底座”服務。

    其中，采集感知技術的不斷創新是數字孿生蓬勃發展的源動力，支撐數字孿生更深入獲取物理對象數據。一方面，傳感器向微型化發展，能夠被集成到智能產品之中，實現更深層次的數據感知。如GE研發嵌入式腐蝕傳感器，并嵌入到壓縮機內部，能夠實時顯示腐蝕速率。另一方面，多傳感融合技術不斷發展，將多類傳感能力集成至單個傳感模塊，支撐實現更豐富的數據獲取。

數字孿生應用發展態勢

    1、流程行業分析

    流程行業具備數字化基礎好、生產過程連續、安全生產要求高等特點。目前，數字孿生應用重點聚焦于提升設備管理、工廠管控和安全管理水平。

一是基于數字孿生的全工廠三維可視化監控

    當前以石化、鋼鐵、核電為代表的流程行業企業已經具備了較好的數字化基礎，很多企業全面實現了對全廠設備和儀器儀表數據采集。在此基礎上，多數企業涌現出對現有工廠進行三維數字化改造的需求。通過構建工廠三維幾何模型，為各個設備、零部件幾何模型添加信息屬性，并與對應位置IOT數據相結合，實現全工廠行為實時監控。

二是基于數字孿生的工藝仿真及參數調優

    工藝優化是流程行業提升生產效率的最佳舉措，但由于流程行業化學反應機理復雜，在生產現場進行工藝調參面臨安全風險，所以工藝優化一直是流程行業的重點和難點。基于數字孿生的工藝仿真為處理上述問題提供了解決方案，通過在虛擬空間進行工藝調參驗證工藝變更的合理性，以及產生的經濟效益。

三是基于實時仿真的設備深度運維管理

    傳統設備預測性維護往往只能預測“設備什么時間壞”，不能預測“設備哪個關鍵部位出現了問題”。而基于數字孿生實時仿真的設備監測將離線仿真與IOT實時數據結合，實現基于實時數據驅動的仿真分析，能夠實時分析設備哪個位置出現了問題，并給出最佳響應決策。

四是基于智能仿真的設備運行優化

    基于數字孿生的智能仿真診斷分析，將傳統仿真技術與人工智能技術結合，極大提升了傳統仿真模擬準確性。

五是基于數字孿生虛擬仿真的安全操作培訓

    由于流程行業生產連續、設備不能停機、安全生產要求等特點，導致無法為新入職的設備管理、工廠檢修等技術工程師提供實操訓練環境。基于數字孿生的仿真培訓為現場工程師提供了模擬操作環境，能夠快速幫助工程師提升技術技能，為其真正開展實際運維工作提供基礎訓練。

2、多品種小批量離散行業分析

    多品種小批量離散行業具備生產品種多、生產批量小，產品附加價值高、研制周期長，設計仿真工具應用普及率高等特點。當前，以飛機、船舶等為代表的行業數字孿生應用重點聚焦于產品設計研發、產品遠程運維、產品自主控制等方面。可以說，在基于數字孿生的產品全生命周期管理方面，多品種小批量離散行業應用成熟度高于其他行業。

一是基于數字孿生的產品多學科聯合仿真研發

    多品種小批量離散行業產品研發涉及力學、電學、動力學、熱學等多類交叉學科領域，產品研發技術含量高、研發周期長，單一領域的仿真工具已經不能滿足復雜產品的研發要求。基于多學科聯合仿真研發有效將異構研發工具接口、研發模型標準打通，支撐構建多物理場、多學科耦合的復雜系統級數字孿生解決方案。

二是基于數字孿生的產品并行設計

    為了更好的提升產品整機設計效率，需要通過組織多個零部件研發供應商協同開展設計。同時，為了保證設計與制造的一致性，需要在設計階段就將制造階段的參數設定考慮其中，進而為產品設計制造一體化提供良好支撐。總之，產品并行設計的關鍵在于在研發初級就定義好每一個最細顆粒度零部件的幾何、屬性和組織關系標準，為全面構建復雜系統研發奠定基礎。

    工業數字孿生創新與發展的大幕剛剛拉開，產業界、學術界對工業數字孿生的認識日漸統一，數據與模型、模型與模型的集成融合是工業數字孿生本質內涵，尤其是仿真建模與數據科學的集成優化將成為未來發展主線。