數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)的前景怎么樣

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)務集成是其兩大核心功能?？傊?，數(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著將幾何、機理、數(shù)據(jù)三大模型融合的任務，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;二是深度學習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。如利用深度學習進行汽車風洞測試，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)供應鏈風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)多學科聯(lián)合仿真標準語言。

二是聯(lián)邦機器學習在滿足數(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)邦學習功能，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)務集成技術(shù)偏向于頂層工業(yè)業(yè)務的協(xié)同，新型軟件開發(fā)技術(shù)不斷推動業(yè)務集成技術(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)務中臺企業(yè)也在推動按需分配的業(yè)務流程配置技術(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)務部門更直觀了解產(chǎn)品實時狀態(tài)。

三、數(shù)字孿生應用發(fā)展態(tài)勢

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

數(shù)字孿生應用場景廣泛，當前覆蓋“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，提高了機體維護預警準確度;二是面向車間的數(shù)字孿生應用聚焦生產(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)字孿生應用聚焦業(yè)務綜合評估與管理。如Software AG基于ARIS業(yè)務流程建模功能構(gòu)建了面向企業(yè)業(yè)務的數(shù)字孿生體，并通過模擬評估業(yè)務流程預見企業(yè)未來成本和績效。

（二）數(shù)字孿生應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。

三是推進應用普及，宣傳數(shù)字孿生應用成果。組織開展數(shù)字孿生優(yōu)秀應用案例遴選工作，樹立各行業(yè)數(shù)字孿生應用標桿企業(yè)。編制優(yōu)秀應用案例手冊，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。

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