工業(yè)數(shù)字孿生白皮書，加速技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)實踐

    《數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用白皮書》重磅發(fā)布！

    近些年，數(shù)字孿生應(yīng)用已從航空航天領(lǐng)域向工業(yè)各領(lǐng)域全面拓展，西門子、GE等工業(yè)巨頭紛紛打造數(shù)字孿生解決方案，賦能制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字孿生蓬勃發(fā)展的背后與新一代信息技術(shù)的興起、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在多個行業(yè)的普及應(yīng)用有莫大關(guān)聯(lián)。

    本報告主要分為六個部分。第一部分介紹了工業(yè)數(shù)字孿生內(nèi)涵及意義，給出了數(shù)字孿生功能架構(gòu)。第二部分介紹了數(shù)字孿生技術(shù)體系，分析了關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢。第三部分總結(jié)數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展態(tài)勢，重點研究了數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展范式，給出不同行業(yè)應(yīng)用特點。第四部分分析了產(chǎn)業(yè)布局動向，給出不同類型供給企業(yè)發(fā)展數(shù)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(shù)字孿生發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)劣勢。第六部分是全篇的總結(jié)和展望。

工業(yè)數(shù)字孿生內(nèi)涵及意義

    工業(yè)數(shù)字孿生是多類數(shù)字化技術(shù)集成融合和創(chuàng)新應(yīng)用，基于建模工具在數(shù)字空間構(gòu)建起精準(zhǔn)物理對象模型，再利用實時IOT數(shù)據(jù)驅(qū)動模型運轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)與模型集成融合構(gòu)建起綜合決策能力，推動工業(yè)全業(yè)務(wù)流程閉環(huán)優(yōu)化。

第一層，連接層

    具備采集感知和反饋控制兩類功能，是數(shù)字孿生閉環(huán)優(yōu)化的起始和終止環(huán)節(jié)。通過深層次的采集感知獲取物理對象全方位數(shù)據(jù)，利用高質(zhì)量反饋控制完成物理對象最終執(zhí)行。

    第二層，映射層

    具備數(shù)據(jù)互聯(lián)、信息互通、模型互操作三類功能，同時數(shù)據(jù)、信息、模型三者間能夠?qū)崟r融合。其中，數(shù)據(jù)互聯(lián)指通過工業(yè)通訊實現(xiàn)物理對象市場數(shù)據(jù)、研發(fā)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)等全生命周期數(shù)據(jù)集成；信息互通指利用數(shù)據(jù)字典、元數(shù)據(jù)描述等功能，構(gòu)建統(tǒng)一信息模型，實現(xiàn)物理對象信息的統(tǒng)一描述；模型互操作指能夠通過多模型融合技術(shù)將幾何模型、仿真模型、業(yè)務(wù)模型、數(shù)據(jù)模型等多類模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和集成融合。

    第三層，決策層

    在連接層和映射層的基礎(chǔ)上，通過綜合決策實現(xiàn)描述、診斷、預(yù)測、處置等不同深度應(yīng)用，并將最終決策指令反饋給物理對象，支撐實現(xiàn)閉環(huán)控制。

    全生命周期實時映射、綜合決策、閉環(huán)優(yōu)化是數(shù)字孿生發(fā)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(xù)通過實時數(shù)據(jù)修正完善孿生模型；二是綜合決策，指通過數(shù)據(jù)、信息、模型的綜合集成，構(gòu)建起智能分析的決策能力；三是閉環(huán)優(yōu)化，指數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)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(huán)應(yīng)用。本質(zhì)是設(shè)備可識別指令、工程師知識經(jīng)驗與管理者決策信息在操作流程中的閉環(huán)傳遞，最終實現(xiàn)智慧的累加和傳承。

數(shù)字孿生技術(shù)體系

    工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)不是近期誕生的一項新技術(shù)，它是一系列數(shù)字化技術(shù)的集成融合和創(chuàng)新應(yīng)用，涵蓋了數(shù)字支撐技術(shù)、數(shù)字線程技術(shù)、數(shù)字孿生體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)四大類型。其中，數(shù)字線程技術(shù)和數(shù)字孿生體技術(shù)是核心技術(shù)，數(shù)字支撐技術(shù)和人機(jī)交互是基礎(chǔ)技術(shù)。

    數(shù)字支撐技術(shù)具備數(shù)據(jù)獲取、傳輸、計算、管理一體化能力，支撐數(shù)字孿生高質(zhì)量開發(fā)利用全量數(shù)據(jù)，涵蓋了采集感知、執(zhí)行控制、新一代通訊、新一代計算、數(shù)據(jù)模型管理五大類型技術(shù)。未來，集五類技術(shù)于一身的通用技術(shù)平臺有望為數(shù)字孿生提供“基礎(chǔ)底座”服務(wù)。

    其中，采集感知技術(shù)的不斷創(chuàng)新是數(shù)字孿生蓬勃發(fā)展的源動力，支撐數(shù)字孿生更深入獲取物理對象數(shù)據(jù)。一方面，傳感器向微型化發(fā)展，能夠被集成到智能產(chǎn)品之中，實現(xiàn)更深層次的數(shù)據(jù)感知。如GE研發(fā)嵌入式腐蝕傳感器，并嵌入到壓縮機(jī)內(nèi)部，能夠?qū)崟r顯示腐蝕速率。另一方面，多傳感融合技術(shù)不斷發(fā)展，將多類傳感能力集成至單個傳感模塊，支撐實現(xiàn)更豐富的數(shù)據(jù)獲取。

數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展態(tài)勢

    1、流程行業(yè)分析

    流程行業(yè)具備數(shù)字化基礎(chǔ)好、生產(chǎn)過程連續(xù)、安全生產(chǎn)要求高等特點。目前，數(shù)字孿生應(yīng)用重點聚焦于提升設(shè)備管理、工廠管控和安全管理水平。

一是基于數(shù)字孿生的全工廠三維可視化監(jiān)控

    當(dāng)前以石化、鋼鐵、核電為代表的流程行業(yè)企業(yè)已經(jīng)具備了較好的數(shù)字化基礎(chǔ)，很多企業(yè)全面實現(xiàn)了對全廠設(shè)備和儀器儀表數(shù)據(jù)采集。在此基礎(chǔ)上，多數(shù)企業(yè)涌現(xiàn)出對現(xiàn)有工廠進(jìn)行三維數(shù)字化改造的需求。通過構(gòu)建工廠三維幾何模型，為各個設(shè)備、零部件幾何模型添加信息屬性，并與對應(yīng)位置IOT數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)全工廠行為實時監(jiān)控。

二是基于數(shù)字孿生的工藝仿真及參數(shù)調(diào)優(yōu)

    工藝優(yōu)化是流程行業(yè)提升生產(chǎn)效率的最佳舉措，但由于流程行業(yè)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行工藝調(diào)參面臨安全風(fēng)險，所以工藝優(yōu)化一直是流程行業(yè)的重點和難點�；�于數(shù)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(jìn)行工藝調(diào)參驗證工藝變更的合理性，以及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

三是基于實時仿真的設(shè)備深度運維管理

    傳統(tǒng)設(shè)備預(yù)測性維護(hù)往往只能預(yù)測“設(shè)備什么時間壞”，不能預(yù)測“設(shè)備哪個關(guān)鍵部位出現(xiàn)了問題”。而基于數(shù)字孿生實時仿真的設(shè)備監(jiān)測將離線仿真與IOT實時數(shù)據(jù)結(jié)合，實現(xiàn)基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真分析，能夠?qū)崟r分析設(shè)備哪個位置出現(xiàn)了問題，并給出最佳響應(yīng)決策。

四是基于智能仿真的設(shè)備運行優(yōu)化

    基于數(shù)字孿生的智能仿真診斷分析，將傳統(tǒng)仿真技術(shù)與人工智能技術(shù)結(jié)合，極大提升了傳統(tǒng)仿真模擬準(zhǔn)確性。

五是基于數(shù)字孿生虛擬仿真的安全操作培訓(xùn)

    由于流程行業(yè)生產(chǎn)連續(xù)、設(shè)備不能停機(jī)、安全生產(chǎn)要求等特點，導(dǎo)致無法為新入職的設(shè)備管理、工廠檢修等技術(shù)工程師提供實操訓(xùn)練環(huán)境。基于數(shù)字孿生的仿真培訓(xùn)為現(xiàn)場工程師提供了模擬操作環(huán)境，能夠快速幫助工程師提升技術(shù)技能，為其真正開展實際運維工作提供基礎(chǔ)訓(xùn)練。

2、多品種小批量離散行業(yè)分析

    多品種小批量離散行業(yè)具備生產(chǎn)品種多、生產(chǎn)批量小，產(chǎn)品附加價值高、研制周期長，設(shè)計仿真工具應(yīng)用普及率高等特點。當(dāng)前，以飛機(jī)、船舶等為代表的行業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用重點聚焦于產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、產(chǎn)品遠(yuǎn)程運維、產(chǎn)品自主控制等方面�？梢哉f，在基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品全生命周期管理方面，多品種小批量離散行業(yè)應(yīng)用成熟度高于其他行業(yè)。

一是基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品多學(xué)科聯(lián)合仿真研發(fā)

    多品種小批量離散行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)涉及力學(xué)、電學(xué)、動力學(xué)、熱學(xué)等多類交叉學(xué)科領(lǐng)域，產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)含量高、研發(fā)周期長，單一領(lǐng)域的仿真工具已經(jīng)不能滿足復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)要求�；�于多學(xué)科聯(lián)合仿真研發(fā)有效將異構(gòu)研發(fā)工具接口、研發(fā)模型標(biāo)準(zhǔn)打通，支撐構(gòu)建多物理場、多學(xué)科耦合的復(fù)雜系統(tǒng)級數(shù)字孿生解決方案。

二是基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品并行設(shè)計

    為了更好的提升產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計效率，需要通過組織多個零部件研發(fā)供應(yīng)商協(xié)同開展設(shè)計。同時，為了保證設(shè)計與制造的一致性，需要在設(shè)計階段就將制造階段的參數(shù)設(shè)定考慮其中，進(jìn)而為產(chǎn)品設(shè)計制造一體化提供良好支撐。總之，產(chǎn)品并行設(shè)計的關(guān)鍵在于在研發(fā)初級就定義好每一個最細(xì)顆粒度零部件的幾何、屬性和組織關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)，為全面構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

    工業(yè)數(shù)字孿生創(chuàng)新與發(fā)展的大幕剛剛拉開，產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界對工業(yè)數(shù)字孿生的認(rèn)識日漸統(tǒng)一，數(shù)據(jù)與模型、模型與模型的集成融合是工業(yè)數(shù)字孿生本質(zhì)內(nèi)涵，尤其是仿真建模與數(shù)據(jù)科學(xué)的集成優(yōu)化將成為未來發(fā)展主線。