終于有人把工業數字孿生講清楚了

目前業界普遍認為“數字孿生”的概念由美國密歇根大學的MichaelGrieves教授于2003年在產品全生命周期管理課上提出，當時也被稱為“鏡像空間模型”，通過在虛擬空間構建的數字模型與物理實體交互映射，描述物理實體的生命周期。

萬物皆可數字孿生

數字孿生技術早期主要被應用在軍工及航空航天領域。2010年，美國國家航空航天局(NASA)在太空技術路線圖中首次引入數字孿生的概念，開展了飛行器健康管控應用。

2011年，美國空軍研究實驗室(AFRL)明確提出面向未來飛行器的數字孿生體規范，指出要基于飛行器的高保真仿真模型、歷史數據和實時傳感器數據構建飛行器的完整虛擬映射，以實現對飛行器健康狀態、剩余壽命及任務可達性的預測。美國洛克希德·馬丁公司將數字孿生引入到F-35戰斗機生產過程中，用于改進工藝流程，提高生產效率與產品質量。

百度百科對數字孿生(DigitalTwin)的定義是：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生著眼點是物理設備的數字化，本質是基于物聯網、傳感器、模型、數據、映射、仿真多學科技術的集成應用，核心是要解決設備的全生命周期管理。

將這個概念進一步泛化，可以將物理世界的人、物、事件等所有要素數字化，在網絡空間再造一個一一對應的虛擬世界，物理世界和虛擬世界同生共存、虛實交融，萬物皆可數字孿生。

應用場景極為廣泛

“數字孿生”就是“數字的雙胞胎”物理實體、虛擬模型、數據、連接和服務是數字孿生的核心要素。數字孿生作為實現虛實之間雙向映射、動態交互、實時連接的關鍵途徑，為觀察、認識、理解、控制和改造物理世界提供了一種新的有效手段。

數字孿生技術的應用場景極為廣泛，包括航空航天、能源、智慧城市、工業制造等。中國科學院院士朱中梁認為，各行各業都可以應用數字孿生技術進行生態的控制、管理、監測。其中，工業制造領域的數字孿生技術應用得較多?！拔覀兘洺Ｋ伎荚鯓影盐锢硎澜绶答伒綌底质澜?，實現有回路反饋的全生命周期跟蹤，如果沒有數字孿生對物理生產體系的準確模型化的描述，所謂的智能制造就很難實現”。

德國西門子公司推出了較為完整的企業數字孿生體系，用數字孿生技術打造虛擬車間、數字工廠。

美國通用公司在其工業互聯網平臺Predix上利用數字孿生技術，對飛機發動機進行實時監控、故障檢測和預測性維護。

美國特斯拉公司為其生產的車輛配備了數字孿生模型，通過傳感器接收數據、能夠實時更新程序。

什么是工業數字孿生？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，推動全業務流程閉環優化。

發展工業數字孿生，當下就是最好的時機?！艾F在的IT環境更加成熟，硬件的算力支持實時呈現，軟件適配性也更強?！蔽錆h佰思杰科技有限公司副總經理、COO尹松說，“數字孿生已經滲透到智能制造的各個階段，在不同場景都得到了有效的應用，例如裝配應用、員工培訓、產品測評、智能工廠建設、倉儲物流管理等，能大幅度提高生產、制造、裝配、設計、規劃和物料方面的管理效率，降低試錯成本?！?/span>

騰訊為瑞泰馬鋼打造“透明工廠”，從生產資料進入、訂單匹配、排產到生產管理，利用數字孿生技術幫助其生產效率提高12%，故障率降低25%，品質提升10%。在低碳生產方面，瑞泰馬鋼的單位產值能耗大幅降低，萬元產值消耗標準煤從90千克減少到了35千克，有效實現了節能減排。

賦能產業智能化升級

數字孿生能夠幫助制造企業解決哪些問題？數字孿生主要用于產品設計、生產場景虛擬化和遠程售后服務等方面，成熟的場景應用能幫助客戶用較小的成本預知最終結果，避免較大損失。尹松舉例說：“我們的一個客戶為移動、聯通等企業生產產品，前幾年經常因為產品質量及供應商零部件質量問題被召回并罰款；使用了我們的方案后，避免了類似情況的發生?！?/span>

浙江磚助智連科技有限責任公司CEO張文認為，工業數字孿生注重將“模型+數據”作為基礎，以因推果，反饋并優化業務和流程?！肮I知識和數據是企業在長時間生產過程中積累的衍生資產，只是在積累的方式和利用的場景、價值等方面不同。數字孿生是‘模型+數據’基建，通過構建本體模型，形成行業知識圖譜，將數據與圖譜進行映射，并不斷補充和創建知識，構建具有自我迭代能力的數字孿生體，并通過與業務場景的結合，實現對業務和流程的反哺，完成閉環優化?！?/span>

哪些企業更適合應用數字孿生技術？數字孿生可以與制造企業的哪些環節融合？“行業頭部企業以及自動化程度較高的細分行業更適合使用數字孿生技術。這些企業已基本具備設備數據采集和數據追溯能力，能夠為數字孿生本體模型提供更完備的數據支撐?！睆埼恼f，“對于裝備制造企業，可以在產品設計階段使用數字孿生，實現產品參數的調整和優化，降低試錯成本，縮短開發周期；對于流程型和自動化程度較高的離散型制造企業，構建生產數字孿生體，通過產線和設備的實時數據驅動模型，進行實時仿真和優化，能夠實現生產效率提高、質量提升和制造成本降低?！?/span>

數字孿生三大發展趨勢

面向未來，中國工程院院士譚建榮認為，數字孿生有三大發展趨勢。

第一是擬實化趨勢，涉及多物理建模。產品數字孿生體在工業領域應用的成功程度，取決于產品數字孿生體的擬實化程度，研究如何將基于不同物理屬性的模型關聯在一起，是建立產品數字孿生體，繼而充分發揮產品數字孿生體模擬、診斷、預測和控制作用的關鍵。

第二是全生命周期化，即從產品設計和服務階段向產品制造階段延伸。現階段有關產品數字孿生體的研究主要側重于產品設計或售后服務階段，較少涉及產品制造階段，數字孿生體則將會在產品生產制造階段的研究與應用方面成為全新熱點。

第三是集成化、與其他先進技術融合也將成為全新的趨勢。現階段數字孿生體的各個環節之間仍然存在斷點，如何將數字紐帶技術作為基礎技術，并將新一代信息與通信技術、大數據分析技術、增強現實（AR）技術等先進技術有機融為一體，是數字孿生的下一個研究方向。

作為生活用紙行業龍頭企業，浙江維達有強烈的意愿，期望運用數字孿生技術，建設生活用紙行業的“頭雁工廠”?！肮I數字孿生是以物理對象在虛擬世界的進化為導向，系統性、持續性地構建數字孿生本體智力，并反饋和影響物理對象，使其能力得到不斷提升?！睆埼恼f。

據介紹，該項目以廠區、軟抽和衛卷產線、智能立庫和50余種生產設備為物理對象，通過3D建模引擎，實現物理實體等比例3D還原，同時通過IoT平臺實時數據采集和映射，構建行業級數字孿生體，實現各類場景的功能應用。目前，該項目具備三大場景功能。

第一，具有實時數據監測功能。利用數字孿生虛實聯動功能，該項目以多維、敏捷的數據協同和業務適配，為工廠管理、執行和運維部門實時實地提供分崗分級的產線全景數據監測和異常預警服務，全面提高車間管理的可視化水平和效率，為快速響應和快速決策提供清晰可靠的數據支撐，同時為目標產線完成本體模型構建和工業數據互聯。該場景使車間管理人員的工作效率提高了30%、績效分析能力提高了50%。

第二，具有生產操作3D仿真培訓功能?；跀底謱\生的以虛擬實能力，該項目以3D交互式的用戶體驗改變員工的培訓環境，實現培訓場地與主體車間占用、培訓效果與培訓師（關鍵員工）主體時間占用的解耦，大幅度優化關鍵工序新員工上崗和新線體產能爬坡的流程，全面優化企業關鍵工序的“數智能”培訓場景。該場景輔助生產和設備操作人員快速完成上崗培訓，培訓時長縮短50%，每年節約培訓及制造成本近百萬元。

第三，具有設備智能運維功能。該項目基于智力不斷進化的設備數字孿生體，構建關鍵設備全仿真模型，為設備運維部門在入職培訓、設備維修、設備預警、設備預測性維護、實時動態調參等設備運維全生命周期提供可用可靠的工具和系統支持，大幅降低產線設備運維的學習成本、邊際成本和試錯成本，全面提高企業關鍵設備的運維數智化能力。

該場景縮短了20%設備維護用時和30%設備維修用時?！盎陬^部企業強大的行業知識，結合數字孿生技術，打造一系列可復制、可推廣的行業級數字孿生應用，幫助生活用紙行業降本增效，是維達作為“頭雁工廠”的使命，也是我們深耕行業級數字孿生領域的初衷?！睆埼谋硎?。

離散制造業企業大多采用多品種、小批量的生產方式，具有規?；?、柔性化、工藝復雜、質量不穩定等特點。為解決上述問題，武漢佰思杰科技有限公司設計了柔性自動化數字孿生智能工廠解決方案。“我們設計的方案解決了信息化孤島、柔性不足、供應鏈配送協同弱等問題，同時也幫助企業構建了自動化智能工廠，推動精益制造、智能制造和‘工業4.0’理念落地?！币烧f。

據尹松介紹，該方案具有以下三個特點。

第一，提供“三化”融合的解決方案。本項目根據離散定制化行業的特點，以“自動化、精益化、信息化”融合為戰略，以柔性MOM系統作為智能制造的大腦，進行柔性自動化智能工廠建設。

柔性自動化生產示意圖

第二，構建完整的柔性一體化低代碼MOM平臺。MOM平臺具有柔性低代碼可靈活配置、兼顧局部優化和全局優化、避免信息系統碎片化、避免多腦指揮、可快速部署實施、安全性高、掌握自主知識產權等優點，成為各大型離散、定制化制造企業推動數字化、智能化、輕量化的關鍵。

第三，行業實現基于數字孿生的柔性自動化工廠建設?；贛OM系統和數字孿生技術，助力山東金麒麟數字孿生柔性自動化工廠的建設。通過實時匯總、分析現場業務、狀態等信息，保證實物流與信息流的同步，對現場全部硬件做出及時、合理的調度協同，對各個業務和控制邏輯進行閉環管理，基本實現了無人智能工廠，完成了自動化、精益化、信息化的智能工廠建設。

據悉，武漢佰思杰科技有限公司已先后為東方電氣、中車集團、西電集團、兵器集團、中國電科(CETC)、鐵建重工、中國電建、中船重工、航天科工、中航工業、中國航發等企業提供柔性自動化智能工廠解決方案和相關服務。

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