隨著經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進，數(shù)字孿生逐漸成為產(chǎn)業(yè)各界關(guān)注的熱點技術(shù)。數(shù)字孿生起源航天軍工領(lǐng)域，近年來持續(xù)向智能制造、智慧城市等垂直行業(yè)拓展，實現(xiàn)機理描述、異常診斷、風險預測、決策輔助等應用價值，已成為助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、促進數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要抓手。本白皮書聚焦數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)和行業(yè)應用發(fā)展，梳理數(shù)字孿生整體發(fā)展情況，深入分析技術(shù)體系和典型垂直行業(yè)應用場景，旨在為產(chǎn)業(yè)界在規(guī)劃實施數(shù)字孿生相關(guān)應用時提供參考借鑒，助力數(shù)字孿生技術(shù)演進和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

01

數(shù)字孿生內(nèi)涵與發(fā)展歷程

    數(shù)字孿生是一種數(shù)字化理念和技術(shù)手段，它以數(shù)據(jù)與模型的集成融合為基礎(chǔ)與核心，通過在數(shù)字空間實時構(gòu)建物理對象的精準數(shù)字化映射，基于數(shù)據(jù)整合與分析預測來模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程，最終形成智能決策的優(yōu)化閉環(huán)。其中，面向的物理對象包括實物、行為、過程，構(gòu)建孿生體涉及到的數(shù)據(jù)包括實時傳感數(shù)據(jù)和運行歷史數(shù)據(jù)，集成的模型涵蓋物理模型、機理模型和流程模型等。

02

數(shù)字孿生發(fā)展現(xiàn)狀

    從政策層面來看，數(shù)字孿生成為各國推進經(jīng)濟社會數(shù)字化進程的重要抓手。國外主要發(fā)達經(jīng)濟體從國家層面制定相關(guān)政策、成立組織聯(lián)盟、合作開展研究，加速數(shù)字孿生發(fā)展，我國將數(shù)字孿生寫入《“十四五”規(guī)劃》，作為建設數(shù)字中國的重要發(fā)展方向。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（AII）也增設數(shù)字孿生特設組，開展數(shù)字孿生技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究，推進相關(guān)標準制定，加速行業(yè)應用推廣。

    從行業(yè)應用層面來看，數(shù)字孿生成為垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要使能技術(shù)。數(shù)字孿生加速與DICT領(lǐng)域最新技術(shù)融合，逐漸成為一種基礎(chǔ)性、普適性、綜合性的理論和技術(shù)體系，在經(jīng)濟社會各領(lǐng)域的滲透率不斷提升，行業(yè)應用持續(xù)走深向?qū)�。工業(yè)領(lǐng)域中，在石化、冶金等流程制造業(yè)中，數(shù)字孿生聚焦工藝流程管控和重大設備管理等場景，賦能生產(chǎn)過程優(yōu)化；在裝備制造、汽車制造等離散制造業(yè)中，聚焦產(chǎn)品數(shù)字化設計和智能運維等場景，賦能產(chǎn)品全生命周期管理。

03

數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)概述

    數(shù)字孿生技術(shù)通過構(gòu)建物理對象的數(shù)字化鏡像，描述物理對象在現(xiàn)實世界中的變化，模擬物理對象在現(xiàn)實環(huán)境中行為和影響，以實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、趨勢預測和綜合優(yōu)化。為了構(gòu)建數(shù)字化鏡像并實現(xiàn)上述目標，需要IOT、建模、仿真等基礎(chǔ)支撐技術(shù)通過平臺化的架構(gòu)進行融合，搭建從物理世界到孿生空間的信息交互閉環(huán)。整體來看，一個完成的數(shù)字孿生系統(tǒng)應包含以下四個實體層級：一是數(shù)據(jù)采集與控制實體，主要涵蓋感知、控制、標識等技術(shù)，承擔孿生體與物理對象間上行感知數(shù)據(jù)的采集和下行控制指令的執(zhí)行。二是核心實體，依托通用支撐技術(shù)，實現(xiàn)模型構(gòu)建與融合、數(shù)據(jù)集成、仿真分析、系統(tǒng)擴展等功能，是生成孿生體并拓展應用的主要載體。三是用戶實體，主要以可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主，承擔人機交互的職能。四是跨域?qū)嶓w，承擔各實體層級之間的數(shù)據(jù)互通和安全保障職能。

04

數(shù)字孿生賦能智能制造

    一、需求背景

    制造業(yè)作為全球經(jīng)濟發(fā)展重要支撐，世界各國紛紛制定國家級發(fā)展戰(zhàn)略，我國先后出臺了“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等制造業(yè)國家發(fā)展實施戰(zhàn)略，把推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展作為構(gòu)建現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的重要一環(huán)，推動制造業(yè)與新型ICT技術(shù)融合，實現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。在智能制造浪潮下，數(shù)字孿生成為了最為關(guān)鍵和基礎(chǔ)性技術(shù)之一。數(shù)字孿生作為連接物理世界和信息世界虛實交互的閉環(huán)優(yōu)化技術(shù)，已成為推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，促進數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要抓手，以數(shù)據(jù)和模型為驅(qū)動，打通業(yè)務和管理層面的數(shù)據(jù)流，實時、連接、映射、分析、反饋物理世界行為，使工業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈達到最大限度閉環(huán)優(yōu)化，助力企業(yè)提升資源優(yōu)化配置，有助于加快制造工藝數(shù)字化、生產(chǎn)系統(tǒng)模型化、服務能力生態(tài)化。

二、發(fā)展現(xiàn)狀

    制造業(yè)數(shù)字孿生應用發(fā)展前景廣闊。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新型ICT基數(shù)席卷全球，數(shù)字孿生得到越來越廣泛應用，被應用于航空航天、電力、船舶、離散制造、能源等行業(yè)領(lǐng)域，應用場景如研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、營銷服務、運營管理、規(guī)劃決策等環(huán)節(jié)。在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生被認為是一種實現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段，通過數(shù)字孿生技術(shù)的使用，將大幅推動產(chǎn)品在設計、生產(chǎn)、維護及維修等環(huán)節(jié)的變革。基于模型、數(shù)據(jù)、服務方面的優(yōu)勢，數(shù)字孿生正成為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動力。

    三、核心價值

    1、實現(xiàn)生產(chǎn)流程可視化提高生產(chǎn)管控圍繞制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)字孿生技術(shù)應用幫助生產(chǎn)制造企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)制造流程，通過滿足制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)需求，制定全方位數(shù)字孿生服務，形成生產(chǎn)流程可視化、生產(chǎn)工藝可預測優(yōu)化、遠程監(jiān)控與故障診斷在生產(chǎn)管控中高度集成，提升企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量，提高對生產(chǎn)制造的管控水平。

    2、建設企業(yè)數(shù)字業(yè)務化降本增效利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過深化改革、技術(shù)改造和現(xiàn)代管理，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字業(yè)務化以數(shù)據(jù)流帶動技術(shù)流、資金流、人才流、物資流，實現(xiàn)降本增效。在設備方面數(shù)字孿生幫助企業(yè)提升設備管理運行效率、降低產(chǎn)品生產(chǎn)設備故障率、降低設備維護成本等以降低企業(yè)運營成本。

    3、打造高度協(xié)同生產(chǎn)制造價值鏈釋放價值數(shù)字孿生技術(shù)促進上下游企業(yè)間數(shù)據(jù)集成和端到端匯聚，打造高度協(xié)同的上下游企業(yè)間生產(chǎn)制造鏈條，優(yōu)化資源配置，提高企業(yè)效率，協(xié)同研發(fā)制造，推動企業(yè)釋放更大的增值。

    4、構(gòu)筑數(shù)字孿生運營模式賦能轉(zhuǎn)型升級數(shù)字孿生深入設計、生產(chǎn)、物流、服務等活動環(huán)節(jié)，貫穿產(chǎn)品的全生命周期，滲透到設備、車間、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)鏈各個層級應用，創(chuàng)造以產(chǎn)業(yè)升級、業(yè)務創(chuàng)新、全數(shù)字化個性化定制為導向的新的運營模式，擺脫舊商業(yè)模式束縛，觸發(fā)新型生產(chǎn)模式和商業(yè)模式的演進，助力企業(yè)升級改造，為傳統(tǒng)制造轉(zhuǎn)型升級賦能。

    作為發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟的重要使能技術(shù)，數(shù)字孿生近年來備受業(yè)界關(guān)注，技術(shù)體系不斷發(fā)展，核心技術(shù)快速演進，產(chǎn)業(yè)生態(tài)持續(xù)完備，行業(yè)應用走深向?qū)�，成為促進工業(yè)、城市、交通、網(wǎng)絡等垂直行業(yè)實現(xiàn)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的重要抓手。但同時我們也注意到，數(shù)字孿生作為一項新興技術(shù)理念，尚處于發(fā)展初期，仍存在許多短板問題亟待破解。需要進一步對信息模型、數(shù)據(jù)集成、平臺等數(shù)字孿生核心要素和垂直行業(yè)應用模式進行規(guī)范統(tǒng)一，力求快速形成覆蓋數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性、關(guān)鍵技術(shù)和行業(yè)應用的標準體系。