隨著新一代信息技術(shù)與實體經(jīng)濟的加速融合，工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化演進趨勢日益明顯，催生了一批制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型新模式、新業(yè)態(tài)，其中數(shù)字孿生日趨成為產(chǎn)業(yè)各界研究熱點，未來發(fā)展前景廣闊。IDC預(yù)測到2020年全球頭部600家企業(yè)都會使用數(shù)字孿生來提供產(chǎn)品創(chuàng)新，Markets and Markets預(yù)測到2023年數(shù)字孿生市場規(guī)模將達到157億美元，并以38%復(fù)合年增長率增長。

一、數(shù)字孿生內(nèi)涵

數(shù)字孿生是以數(shù)據(jù)和模型為驅(qū)動，數(shù)字孿生體和數(shù)字線程為支撐的新型制造模式，能夠通過實時連接、映射、分析、反饋物理世界的資產(chǎn)與行為，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。一方面，數(shù)字孿生體是在虛擬空間構(gòu)建的表征物理實體實時運行狀態(tài)的虛擬實體，具備融合幾何建模、仿真模擬、數(shù)據(jù)分析的全方位功能，扮演著綜合分析決策的角色。另一方面，數(shù)字孿生在集成融合工業(yè)數(shù)據(jù)的過程中依賴于數(shù)字線程。數(shù)字線程是連接物理世界和數(shù)字孿生體的通道，也是多類數(shù)字孿生體間連接的通道，具備“在正確的時間，將正確的信息，以正確的方式，推送到正確的地方”的功能，數(shù)據(jù)集成和業(yè)務(wù)集成是其兩大核心功能?？傊瑪?shù)字孿生能夠基于“單個數(shù)字孿生體”或基于“數(shù)字線程串聯(lián)的多個孿生體集”，實現(xiàn)對“簡單組件”到“復(fù)雜物理系統(tǒng)”的連接、映射、分析、反饋。

二、數(shù)字孿生技術(shù)體系及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢

(一)六大核心技術(shù)支撐數(shù)字孿生構(gòu)建虛實交互的閉環(huán)優(yōu)化

數(shù)字孿生技術(shù)體系涵蓋感知控制、數(shù)據(jù)集成、模型構(gòu)建、模型互操作、業(yè)務(wù)集成、人機交互六大核心技術(shù)。一是感知

控制技術(shù)具備數(shù)據(jù)采集和反饋控制兩大功能，是連接物理世界的入口和反饋物理世界的出口。二是數(shù)據(jù)集成實現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，讓物理世界和承載數(shù)字孿生的虛擬空間無縫銜接。三是模型構(gòu)建實現(xiàn)對物理實體形狀和規(guī)律的映射。幾何模型、機理模型、數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建分別實現(xiàn)對物理實體形狀、已知(或經(jīng)驗)的物理規(guī)律以及未知的物理規(guī)律的模擬。四是模型互操作承擔(dān)著將幾何、機理、數(shù)據(jù)三大模型融合的任務(wù)，實現(xiàn)從構(gòu)建“靜態(tài)映射的物理實體”到構(gòu)建“動態(tài)協(xié)同的物理實體”的轉(zhuǎn)變。五是業(yè)務(wù)集成是數(shù)字孿生價值創(chuàng)新的紐帶，能夠打通產(chǎn)品全生命周期、生產(chǎn)全過程、商業(yè)全流程的價值鏈條。六是人機交互將人的因素融入數(shù)字孿生系統(tǒng)，工作者可以通過友好的人機操作方式將控制指令反饋給物理世界，實現(xiàn)數(shù)字孿生全閉環(huán)優(yōu)化。

(二)模型構(gòu)建技術(shù)朝著提升建模效率和精度的方向發(fā)展

幾何、仿真、數(shù)據(jù)三類模型構(gòu)建技術(shù)多措并舉，不斷提升建模效率和精度。一是衍生設(shè)計和三維掃描建模技術(shù)推動幾何建模效率不斷提升。衍生設(shè)計基于算法指令實現(xiàn)復(fù)雜幾何模型自動化設(shè)計外觀;以工業(yè)CT為代表的三維掃描建模技術(shù)能夠捕獲測試件內(nèi)部和外部的完整、精確的圖像，直接生成完整的三維立體圖像;二是深度學(xué)習(xí)和知識圖譜沿著兩條路徑分別提升模型描述的性能和范圍。如利用深度學(xué)習(xí)進行汽車風(fēng)洞測試，傳統(tǒng)方程法需一天，現(xiàn)需1/4秒。華為構(gòu)建知識圖譜，將采購、物流、制造知識聯(lián)系起來，實現(xiàn)供應(yīng)鏈風(fēng)險管理與零部件選型。三是無網(wǎng)格仿真技術(shù)有望突破傳統(tǒng)仿真局限，提升仿真模擬效率。如Altair SimSolid能夠在幾分鐘內(nèi)分析全功能 CAD 程序集而無需網(wǎng)格劃分，大大優(yōu)化了仿真求解速度。

(三)模型互操作技術(shù)加快統(tǒng)一模型間的語義和語法

典型的模型互操作涵蓋機理和數(shù)據(jù)模型、機理模型間、數(shù)據(jù)模型間互操作三大類。

一是多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)基于FMI、FMU規(guī)范統(tǒng)一了仿真模型接口標準，逐漸成為仿真模型間互操作主流選擇。如Modelica已經(jīng)成為汽車行業(yè)多學(xué)科聯(lián)合仿真標準語言。

二是聯(lián)邦機器學(xué)習(xí)在滿足數(shù)據(jù)隱私要求的前提下，實現(xiàn)不同人工智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型間集成，有望成為數(shù)據(jù)模型間互操作的通用方法。如谷歌和百度紛紛在人工智能框架下加入聯(lián)邦學(xué)習(xí)功能，以滿足數(shù)據(jù)模型間互操作。

三是數(shù)據(jù)模型和機理模型互操作最為復(fù)雜，尚未形成統(tǒng)一方法論，但也得到了一定實踐。如MathWorks將旗下Matlab的數(shù)據(jù)分析和Simulink的仿真模擬兩大功能結(jié)合，實現(xiàn)對綜合業(yè)務(wù)模型的有效調(diào)參。此外，管理殼技術(shù)具備模型管理和標識解析功能，實現(xiàn)接口統(tǒng)一和語義統(tǒng)一，有望為全類模型互操作指明方向。

(四)數(shù)據(jù)集成和業(yè)務(wù)集成范圍不斷拓展且功能持續(xù)融合

數(shù)據(jù)集成和業(yè)務(wù)集成沿著兩條路徑持續(xù)推動集成范圍擴展。一方面，數(shù)據(jù)集成技術(shù)主要面向底層數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)集成類型和數(shù)據(jù)集成范圍在不斷提升。例如，數(shù)據(jù)湖技術(shù)能夠集成結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的全類數(shù)據(jù)。OPC-UA能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與設(shè)備間、設(shè)備與系統(tǒng)間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間的全場景連接。另一方面，業(yè)務(wù)集成技術(shù)偏向于頂層工業(yè)業(yè)務(wù)的協(xié)同，新型軟件開發(fā)技術(shù)不斷推動業(yè)務(wù)集成技術(shù)發(fā)展。如以西門子Mendix為代表的低代碼開發(fā)平臺正不斷整合不同類型工業(yè)軟件集成，而以阿里為代表構(gòu)建的業(yè)務(wù)中臺企業(yè)也在推動按需分配的業(yè)務(wù)流程配置技術(shù)發(fā)展。此外，信息模型正加快推動數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)融合，并朝著滿足信息量增加的需求方向發(fā)展。例如，SOLIDWORKS MBD技術(shù)在傳統(tǒng)BOM上疊加了3D形狀、公差、注釋等信息，使各業(yè)務(wù)部門更直觀了解產(chǎn)品實時狀態(tài)。

三、數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展態(tài)勢

(一)數(shù)字孿生應(yīng)用已滲透到資產(chǎn)、車間、企業(yè)各個層級

數(shù)字孿生應(yīng)用場景廣泛，當(dāng)前覆蓋“NIST智能制造系統(tǒng)”中的產(chǎn)品、生產(chǎn)和商業(yè)三大領(lǐng)域，并朝著實現(xiàn)三大領(lǐng)域價值鏈條全面優(yōu)化的方向發(fā)展。一是面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦產(chǎn)品全生命周期優(yōu)化。如AFRL與NASA合作構(gòu)建F-15數(shù)字孿生體，基于戰(zhàn)斗機試飛、生產(chǎn)、檢修全生命數(shù)據(jù)修正仿真過程機理模型，提高了機體維護預(yù)警準確度;二是面向車間的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦生產(chǎn)全過程管控。如空客通過在關(guān)鍵工裝、物料和零部件上安裝RFID，生成了A350XWB 總裝線的數(shù)字孿生體，使工業(yè)流程更加透明化，并能夠預(yù)測車間瓶頸、優(yōu)化運行績效;三是面向企業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦業(yè)務(wù)綜合評估與管理。如Software AG基于ARIS業(yè)務(wù)流程建模功能構(gòu)建了面向企業(yè)業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生體，并通過模擬評估業(yè)務(wù)流程預(yù)見企業(yè)未來成本和績效。

(二)數(shù)字孿生應(yīng)用由虛擬驗證向虛實交互的閉環(huán)優(yōu)化發(fā)展

數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展歷程依次經(jīng)歷虛擬驗證、單向連接、智能決策、虛實交互四大階段。一是虛擬驗證，能夠在虛擬空間對產(chǎn)品/產(chǎn)線/物流等進行仿真模擬,以提升真實場景的運行效益。如ABB推出PickMaster? Twin，客戶能夠在虛擬產(chǎn)線上對機器人配置進行測試，使拾取操作在虛擬空間進行驗證優(yōu)化;二是單向連接，在虛擬驗證的基礎(chǔ)上疊加了IOT，實現(xiàn)基于真實數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時仿真模擬，大大提升了仿真精度。如PTC 和ANSYS合作，構(gòu)建了泵的仿真模型，并將其與真實的泵連接，基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真，優(yōu)化模擬;三是智能決策，在單向連接的基礎(chǔ)上疊加了AI，將仿真模型和數(shù)據(jù)模型很好的融合，優(yōu)化分析決策水平。如杭汽輪通過三維掃描構(gòu)建幾何形狀，與平臺標準機理模型對比，并疊加人工智能分析，實現(xiàn)葉片的檢測試驗從2-3天降低至3-5分鐘。四是虛實交互，在智能決策的基礎(chǔ)上疊加了反饋控制功能，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)自執(zhí)行的全閉環(huán)優(yōu)化。如在西門子提供的產(chǎn)品體系中，設(shè)計仿真軟件NX具備虛擬驗證功能，MindSphere具備IOT連接功能，Omneo具備數(shù)據(jù)分析功能，TIA具備自動化執(zhí)行功能。未來，西門子有望基于以上產(chǎn)品整合，真正實現(xiàn)數(shù)字孿生的虛實交互閉環(huán)優(yōu)化。

四、我國數(shù)字孿生發(fā)展的對策與建議

一是加強頂層設(shè)計，制定數(shù)字孿生參考架構(gòu)。匯聚政產(chǎn)學(xué)研等各方力量加快制定數(shù)字孿生總體架構(gòu)，搶占數(shù)字孿生國際標準制定權(quán)。同時，兼顧數(shù)字孿生參考架構(gòu)與我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等原有架構(gòu)的有效銜接，以及與美國IIC、日本IVI等參考架構(gòu)的融通發(fā)展。

二是夯實基礎(chǔ)研究，加快突破數(shù)字孿生技術(shù)短板。一方面，加強政府政策引領(lǐng)，出臺數(shù)字孿生建設(shè)指南，設(shè)立相關(guān)科技專項，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)界開展數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)研究。另一方面，鼓勵高校設(shè)立數(shù)字孿生相關(guān)學(xué)科，調(diào)動廣大高校師生積極性和創(chuàng)新性，并投入到數(shù)字孿生基礎(chǔ)技術(shù)研究中。

三是推進應(yīng)用普及，宣傳數(shù)字孿生應(yīng)用成果。組織開展數(shù)字孿生優(yōu)秀應(yīng)用案例遴選工作，樹立各行業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用標桿企業(yè)。編制優(yōu)秀應(yīng)用案例手冊，并借助產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等各類宣傳渠道公示推廣。加強數(shù)字孿生實景展示，鼓勵全國各地工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新展示中心融入數(shù)字孿生解決方案。

四是培育產(chǎn)業(yè)生態(tài)，共筑數(shù)字孿生解決方案。遴選數(shù)字孿生優(yōu)秀技術(shù)供應(yīng)商，構(gòu)建數(shù)字孿生解決方案資源池。培育數(shù)字孿生創(chuàng)新生態(tài)，鼓勵數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)積極開展合作，共同打造數(shù)字孿生解決方案。