基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

郭磊，張紅旗，程五四，陳亮希，查珊珊

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

郭磊1,2，張紅旗1,2，程五四1,2，陳亮希1,2，查珊珊1,2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088； 2.安徽省技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新基地（智能設(shè)計(jì)與制造 智慧院所 軍民融合），安徽 合肥 230088）

通過構(gòu)建物理實(shí)體的高保真虛擬模型，采集傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬對(duì)象與物理實(shí)體同步運(yùn)動(dòng)，數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物理世界和信息世界的深度融合和互聯(lián)互通，對(duì)推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型具有重要意義。本文結(jié)合前期對(duì)數(shù)字孿生的研究與應(yīng)用，概述了數(shù)字孿生的內(nèi)涵，分析歸納了數(shù)字孿生技術(shù)服務(wù)方向和各行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀；總結(jié)了其在制造業(yè)領(lǐng)域的市場需求和不同細(xì)分市場的特點(diǎn)、痛點(diǎn)以及解決方案；并提出了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展策略，為推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用提供參考。

物理對(duì)象；高保真；傳感器數(shù)據(jù)；虛擬對(duì)象；數(shù)字孿生

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷成熟，智能制造成為了工業(yè)發(fā)展的主流趨勢。智能制造強(qiáng)調(diào)的是物理世界和信息世界的融合[1-2]。數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）技術(shù)的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的融合并指導(dǎo)生產(chǎn)提供了有效的解決方案[3-4]。通過搭建整合制造流程的數(shù)字孿生生產(chǎn)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃到制造執(zhí)行的全過程數(shù)字化，將產(chǎn)品創(chuàng)新、制造效率和有效性水平提升至一個(gè)新的高度[5-9]。

數(shù)字孿生概念由Griever教授[10]于2003年在PLM（Product Lifecycle Management）課程上提出。2010年，美空軍和美國航空航天局聯(lián)合提出了飛行器數(shù)字孿生[11-12]，并通過技術(shù)攻關(guān)，應(yīng)用于飛行器狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、健康管理及預(yù)測性維護(hù)等方面。洛克希德·馬丁[13-15]采用數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)F35生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，優(yōu)化了工藝流程，保證了生產(chǎn)質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率及決策時(shí)間；同時(shí)構(gòu)建了F-35戰(zhàn)斗機(jī)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，用于跟蹤在役飛行器結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及預(yù)測性維護(hù)。之后數(shù)字孿生技術(shù)得到了工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究應(yīng)用，西門子、達(dá)索、ANSYS等公司紛紛開展數(shù)字孿生的工程應(yīng)用，并提供完善的工業(yè)軟件解決方案。全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner連續(xù)三年（2017～2019年）將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一[16-18]。

近年來，受金融危機(jī)、新冠肺炎疫情等的影響，歐美等發(fā)達(dá)國家實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，重塑制造業(yè)競爭新優(yōu)勢，并紛紛布局智能制造領(lǐng)域，智能制造已成為新一代科技革命的和產(chǎn)業(yè)競爭的關(guān)鍵因素。而為了進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，大力發(fā)展智能制造，《中國智能制造“十三五”規(guī)劃》明確指出，數(shù)字化建設(shè)需要在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中發(fā)揮積極作用，高端智能制造需在制造業(yè)領(lǐng)域占據(jù)更大份額，伴隨著技術(shù)的逐漸完善，應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的不斷拓展，相關(guān)市場規(guī)模將持續(xù)增長。2015年，我國發(fā)布《中國制造2025》規(guī)劃，全面推進(jìn)智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，加快人機(jī)智能交互、工業(yè)機(jī)器人、智能物流管理等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，促進(jìn)制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測和自適應(yīng)控制。另外，德國“工業(yè)4.0”和美國工業(yè)互聯(lián)等都提出先進(jìn)制造發(fā)展戰(zhàn)略，其目標(biāo)之一就是借力新一代信息技術(shù)，提升數(shù)字技術(shù)應(yīng)用覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)制造的物理世界和信息世界的互聯(lián)互通與智能化操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能制造。因此，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生技術(shù)將成為智能制造發(fā)展的核心技術(shù)之一。

本文結(jié)合前期對(duì)數(shù)字孿生的研究與應(yīng)用，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)業(yè)及市場現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與歸納，為中國制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了有力的參考。

1 數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵

數(shù)字孿生技術(shù)通過構(gòu)建物理對(duì)象的虛擬鏡像，利用傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)物理對(duì)象與虛擬對(duì)象同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字空間內(nèi)對(duì)物理對(duì)象的狀態(tài)監(jiān)控、分析預(yù)測、逆時(shí)復(fù)現(xiàn)等過程。隨著傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、人工智能及5G技術(shù)的快速發(fā)展與普及，數(shù)字孿生技術(shù)已開始在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、裝配和服務(wù)等方面得到應(yīng)用。在產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)階段，借助產(chǎn)品全生命周期的孿生數(shù)據(jù)（如狀態(tài)數(shù)據(jù)、健康數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等）分析，設(shè)計(jì)師可快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的性能評(píng)價(jià)和優(yōu)化，并對(duì)工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，縮短決策時(shí)間。在產(chǎn)品制造和裝配過程中，通過構(gòu)建面向車間現(xiàn)場的數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和健康管理，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造性和裝配性的虛擬仿真，同時(shí)對(duì)制造和裝配過程中采集的數(shù)據(jù)與三維設(shè)計(jì)軟件中的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)與分析，可有效改善產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在產(chǎn)品服務(wù)過程中，構(gòu)建面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)采集產(chǎn)品的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并利用大數(shù)據(jù)分析，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的故障定位、遠(yuǎn)程診斷及預(yù)測性維護(hù)等，減少維修時(shí)間和成本，提升產(chǎn)品的使用壽命。與此同時(shí)，基于數(shù)字孿生技術(shù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)智能車間的快速化定制。其中，基于數(shù)字孿生車間的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，一方面可對(duì)車間的生產(chǎn)制造過程進(jìn)行仿真與驗(yàn)證，優(yōu)化生產(chǎn)資源配置與管控，提升車間生產(chǎn)效率，另一方面，根據(jù)車間數(shù)據(jù)，可對(duì)新建的車間布局進(jìn)行迭代優(yōu)化與調(diào)整，并可根據(jù)NC代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的仿真分析，指導(dǎo)車間建設(shè)與設(shè)備調(diào)試工作，同時(shí)可根據(jù)車間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行車間的健康管理。

如圖1所示，按照某汽車?yán)走_(dá)智能裝配線的實(shí)際情況，首先在數(shù)字空間1:1的構(gòu)建該物理對(duì)象高保真映射的虛擬對(duì)象，然后利用數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)時(shí)采集車間各傳感器數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)解析傳遞給數(shù)字孿生車間監(jiān)控系統(tǒng)管理模塊，進(jìn)而基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型運(yùn)動(dòng)、視角切換與控制、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造資源三維可視化導(dǎo)航，車間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可有針對(duì)性地顯示、分析與管理車間現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息、生產(chǎn)工藝參數(shù)信息、車間物流過程、產(chǎn)品質(zhì)量信息以及設(shè)備故障的管理診斷信息等，形成了面向車間裝配現(xiàn)場的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控、分析預(yù)測、健康管理與遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，并且，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，復(fù)現(xiàn)車間裝配過程，實(shí)現(xiàn)裝配環(huán)節(jié)產(chǎn)品質(zhì)量的追溯。

圖1 數(shù)字孿生車間監(jiān)控系統(tǒng)

2 數(shù)字孿生技術(shù)產(chǎn)業(yè)分析

數(shù)字孿生技術(shù)利用物理實(shí)體在虛擬空間的實(shí)時(shí)映射，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)體狀態(tài)信息、故障診斷信息等的可視化顯示與處理。據(jù)Markets and Markets等報(bào)告顯示[19]，2022年全球數(shù)字孿生相關(guān)軟件和服務(wù)規(guī)模為69億美元左右，預(yù)計(jì)2023年達(dá)到175億美元，2027年達(dá)到735億美元，2022～2027年的復(fù)合年增長率為60.6%。為滿足企業(yè)的發(fā)展需求，國內(nèi)外公司開始紛紛布局?jǐn)?shù)字孿生領(lǐng)域，并行成了相關(guān)的軟件產(chǎn)品或服務(wù)。如西門子等公司借助其強(qiáng)大的軟硬件平臺(tái)，推出了數(shù)字孿生軟件系統(tǒng)，國內(nèi)的企業(yè)也推出了其個(gè)性化的解決方案。

2.1 行業(yè)內(nèi)相關(guān)公司產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

（1）基于仿真的數(shù)字孿生個(gè)性服務(wù)

借助ANSYS的物理工程仿真、嵌入式軟件研發(fā)平臺(tái)與GE的工業(yè)云平臺(tái)即Predix平臺(tái)，ANSYS與GE聯(lián)合提出了基于模型的數(shù)字孿生云端解決方案。通過仿真數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)進(jìn)行車間布局以及設(shè)備或產(chǎn)品的故障診斷、預(yù)測性維護(hù)、健康管理等，節(jié)約了企業(yè)的運(yùn)維成本與故障響應(yīng)時(shí)間，而且提升了ANSYS仿真效率，擴(kuò)展了Predix平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，ANSYS推出了ANSYS Twin Builder數(shù)字孿生軟件包，一方面協(xié)助工程師進(jìn)行虛擬對(duì)象的構(gòu)建、驗(yàn)證以及部署，另一方面為客戶提供故障診斷的服務(wù)支持。

西門子則通過收購仿真軟件CD-adapco和數(shù)字化制造解決方案軟件Tecnomatix，完善了其Simcenter多學(xué)科仿真平臺(tái)，可為客戶提供高保真度的數(shù)字孿生模型，以及面向制造和裝配的工藝規(guī)劃與仿真等數(shù)字孿生服務(wù)，并且對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，反饋于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝的規(guī)劃等過程中，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線實(shí)時(shí)孿生監(jiān)控和產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化管理，優(yōu)化了產(chǎn)品的性能，提升了產(chǎn)線的生產(chǎn)效率以及設(shè)備的使用壽命。

（2）面向物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生軟件平臺(tái)

Altair作為仿真和優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)先的工程軟件供應(yīng)商，通過收購電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件供應(yīng)商MODELiiS、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)公司Carriots S.L、無網(wǎng)格仿真軟件SimSolid和數(shù)據(jù)智能提供商Datawatch，形成了面向設(shè)計(jì)、仿真分析、數(shù)據(jù)科學(xué)與優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的完整解決方案，構(gòu)建了面向物聯(lián)網(wǎng)的“多物理特性＋系統(tǒng)模型建立＋物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Carriot”的數(shù)字孿生軟件平臺(tái)。

（3）面向車間的數(shù)字孿生解決方案

面向車間現(xiàn)場生產(chǎn)的數(shù)字孿生監(jiān)控，達(dá)索構(gòu)建了基于DELMIA軟件的數(shù)字孿生解決方案，實(shí)現(xiàn)了物理對(duì)象在虛擬環(huán)境中的映射。其中，通過數(shù)字孿生技術(shù)，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行車間布局設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃與仿真以及制造資源優(yōu)化等工作，可以快速驗(yàn)證物理車間的生產(chǎn)計(jì)劃與工藝流程，實(shí)現(xiàn)物理車間的快速化定制；同時(shí)，根據(jù)虛擬車間的仿真及預(yù)測數(shù)據(jù)等，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造、企業(yè)的運(yùn)營等過程進(jìn)行迭代優(yōu)化與調(diào)整，為物理車間的協(xié)同作業(yè)和動(dòng)態(tài)調(diào)度提供了有效途徑。

面向整個(gè)數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，以西門子為代表的先進(jìn)制造企業(yè)推出了設(shè)備數(shù)據(jù)通信模塊、智能網(wǎng)關(guān)等數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，解決了數(shù)字孿生應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)采集與傳輸，極大促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展。目前，國內(nèi)數(shù)字孿生技術(shù)在理論研究方面取得了一定的成果，并且美云智數(shù)、上海湃睿等企業(yè)相繼推出了自己的數(shù)字孿生解決方案，但由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指導(dǎo)及軟硬件支撐，數(shù)字孿生技術(shù)大多用于虛擬仿真和車間監(jiān)測等領(lǐng)域，其工程應(yīng)用優(yōu)勢不明顯。

2.2 下游行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字孿生近期得到了廣泛和高度關(guān)注，并已經(jīng)滲透到各產(chǎn)業(yè)鏈中，如航空航天的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，以及城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、管理及服務(wù)等。目前數(shù)字孿生軟件平臺(tái)主要運(yùn)用于以下行業(yè)。

（1）制造業(yè)領(lǐng)域

數(shù)字孿生技術(shù)為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了一種有效的途徑。其中，在車間設(shè)計(jì)與規(guī)劃階段，幫助企業(yè)構(gòu)建三維虛擬車間，并基于車間歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備NC（數(shù)值控制，Numerical Control）數(shù)據(jù)等，通過編寫動(dòng)作腳本，對(duì)車間規(guī)劃、設(shè)備布局、制造工藝等進(jìn)行仿真、預(yù)測和評(píng)估，以優(yōu)化設(shè)備參數(shù)配置，提升車間制造資源管控和生產(chǎn)調(diào)度，推進(jìn)車間建設(shè)進(jìn)度；另一方面，在車間生產(chǎn)制造階段，通過構(gòu)建車間數(shù)字孿生監(jiān)控與運(yùn)維系統(tǒng)，采集車間現(xiàn)場的設(shè)備數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)高保真的虛擬車間同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了車間加工、裝配以及設(shè)備狀態(tài)的三維可視化監(jiān)控；同時(shí)，通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)采數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，為產(chǎn)品加工與裝配質(zhì)量管控、工藝優(yōu)化、逆時(shí)復(fù)現(xiàn)以及車間設(shè)備故障診斷、預(yù)測性維護(hù)等提供了有力的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)保障。

廣東工業(yè)大學(xué)劉強(qiáng)教授[17]開發(fā)了一種數(shù)字孿生車間定制設(shè)計(jì)平臺(tái)，如圖2所示，幫助企業(yè)建立了中空玻璃深加工自動(dòng)化產(chǎn)線定制設(shè)計(jì)與集成測試平臺(tái)、手機(jī)裝配線虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)等數(shù)字孿生監(jiān)控平臺(tái)，解決了企業(yè)車間數(shù)字化、智能化的管控需求。中國電科38所[20]面向車間/裝備研發(fā)需求，開發(fā)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生監(jiān)控與運(yùn)維平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間/裝備的（毫秒級(jí)）實(shí)時(shí)鏡像、基于數(shù)據(jù)的計(jì)算預(yù)測、面向迭代需求的歷史復(fù)現(xiàn)等功能，并在車載防撞雷達(dá)自動(dòng)化生產(chǎn)線和球載雷達(dá)浮空平臺(tái)上進(jìn)行了應(yīng)用部署，有效提升了車間的質(zhì)量管控，降低了裝備的運(yùn)維成本。

圖2 基于數(shù)字孿生的車間定制設(shè)計(jì)平臺(tái)

（2）航空航天領(lǐng)域

面對(duì)航空航天等復(fù)雜裝備的狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測性維護(hù)等需求，數(shù)字孿生技術(shù)提供了一種有效的解決方案。通過構(gòu)建多尺度、高保真的航空航天飛行器數(shù)字孿生模型、工作環(huán)境模型及功能模型，可針對(duì)不同的任務(wù)內(nèi)容，基于歷史數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種工作狀態(tài)的模擬、測試、評(píng)估、預(yù)測和控制，以生成相應(yīng)的解決方案，指導(dǎo)航空航天飛行器實(shí)際操作過程和前端模型設(shè)計(jì)與迭代優(yōu)化，提高任務(wù)執(zhí)行的成功率。另外，在執(zhí)行任務(wù)過程中，通過采集航空航天飛行器上的傳感器數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)映射到數(shù)字孿生航空航天飛行器中，可實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控，同時(shí)，通過歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，可對(duì)航空航天飛行器進(jìn)行故障定位與診斷、預(yù)測性維護(hù)以及遠(yuǎn)程運(yùn)維等工作，從而實(shí)現(xiàn)航空航天飛行器的智能健康管理，提升航空航天飛行器的使用壽命和工作效率。

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室基于物理實(shí)體飛機(jī)，構(gòu)建了超高保真的數(shù)字孿生模型，如圖3所示，然后通過歷史飛行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型進(jìn)行模擬飛行，以對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)性能開展健康管理與預(yù)測，提升飛機(jī)的安全性和維修效率[22-23]。通用電氣應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，開展在役航空發(fā)動(dòng)機(jī)的健康管理。它將傳感器數(shù)據(jù)映射到數(shù)字孿生模型上，以實(shí)時(shí)監(jiān)控航空發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，幫助客戶進(jìn)行故障預(yù)測和遠(yuǎn)程診斷，既提高了航空發(fā)動(dòng)的使用壽命，又節(jié)約的運(yùn)維成本。

圖3 機(jī)體數(shù)字孿生

（3）醫(yī)療領(lǐng)域

隨著5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域得到應(yīng)用。在數(shù)字世界構(gòu)建超高保真的人體、器官和醫(yī)療設(shè)備數(shù)字孿生模型，通過各種穿戴設(shè)備、檢測設(shè)備等采集數(shù)據(jù)，對(duì)身體健康進(jìn)行管理、分析、評(píng)估和預(yù)測，可快速地找到病灶位置，幫助醫(yī)生了解病變情況，規(guī)劃和預(yù)演手術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療，將有效提高手術(shù)安全性和治療效率，并且可以通過基于數(shù)字孿生的三維可視化交互平臺(tái)，使患者了解手術(shù)過程及其風(fēng)險(xiǎn)，從而減輕患者和家屬的擔(dān)憂。另外，也可基于數(shù)字孿生技術(shù)開展個(gè)性化、定制化醫(yī)療器械設(shè)備設(shè)計(jì)與制造，并在虛擬環(huán)境中不斷地模擬、仿真與分析，指導(dǎo)物理醫(yī)療器械進(jìn)行臨床應(yīng)用、迭代優(yōu)化、故障診斷以及遠(yuǎn)程維修，為使用者提供更安全的產(chǎn)品和服務(wù)支持。

達(dá)索開展了一項(xiàng)Living Heart（數(shù)字心臟）項(xiàng)目[24]，如圖4所示，通過構(gòu)建虛擬的數(shù)字孿生心臟，研究了心臟泵送血液的過程，以及降壓藥作用于心臟的機(jī)理等問題，并應(yīng)用于臨床試驗(yàn)。大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科的李忠海等[25]構(gòu)建了人體腰椎數(shù)字孿生，通過人體骨骼運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的實(shí)時(shí)模擬，實(shí)現(xiàn)骨骼的生物力學(xué)性能動(dòng)態(tài)仿真分析、損傷預(yù)測和危險(xiǎn)姿態(tài)預(yù)警等，為骨骼疾病預(yù)防和治療及骨骼健康的監(jiān)測提供參考。

圖4 數(shù)字孿生心臟

（4）城市規(guī)劃、建設(shè)、管理領(lǐng)域

數(shù)字孿生技術(shù)為城市的規(guī)劃、建設(shè)以及管理提供一種新模式。在城市規(guī)劃方面，通過構(gòu)建數(shù)字孿生城市模型設(shè)計(jì)、模擬、評(píng)估城市未來發(fā)展規(guī)模、交通和人口等，為城市規(guī)劃提供決策支持。在城市建設(shè)方面，通過數(shù)字孿生城市模型規(guī)劃施工方案，模擬施工流程，監(jiān)測施工過程等，保證城市建設(shè)的效率與質(zhì)量。在城市管理方面，構(gòu)建基于數(shù)字孿生的城市數(shù)字運(yùn)營管理平臺(tái)，對(duì)城市的建筑、交通、環(huán)境、安全、能耗等設(shè)施進(jìn)行三維可視化監(jiān)控、診斷和預(yù)測，并對(duì)采集到的城市數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)城市各資源要素的優(yōu)化配置動(dòng)態(tài)調(diào)度，為城市運(yùn)維與運(yùn)營提供數(shù)據(jù)決策支持。

數(shù)字孿生城市（圖5[14]）推動(dòng)了城市規(guī)劃、建設(shè)、管理的數(shù)字化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，是新型智慧城市研究的熱點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的支撐下，數(shù)字孿生城市將極大地提升城市服務(wù)水平。

3 數(shù)字孿生技術(shù)市場分析

3.1 市場需求分析

目前，全球范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)下行壓力巨大，如果通過購買新設(shè)備和軟件進(jìn)行智能車間建設(shè)，對(duì)于企業(yè)來說，周期太長、成本太大，企業(yè)無法承受這么大的資金投入，特別是中小型企業(yè)和離散制造企業(yè)；如果僅僅購買解決方案，對(duì)車間進(jìn)行數(shù)字化、信息化、智能化改造，其遷移成本巨大，而且后期服務(wù)費(fèi)用昂貴，從長遠(yuǎn)來說，對(duì)于流程制造企業(yè)（如汽車行業(yè)）來說是一種不錯(cuò)的選擇，但要進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字孿生改造，對(duì)企業(yè)的管理和運(yùn)營都是一種挑戰(zhàn)，同時(shí)也會(huì)造成后期營運(yùn)成本的提升，對(duì)于很多企業(yè)來說也難以抉擇。另外，現(xiàn)有的數(shù)字孿生解決方案也只是用于設(shè)計(jì)和制造流程的虛擬仿真。

數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)入中國市場只有幾年的時(shí)間，目前還處于發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)化率低。而且我國傳統(tǒng)制造業(yè)目前仍處于“工業(yè)2.0”（電氣化）的后期階段，而航空航天、電子裝備等高端制造業(yè)車間設(shè)備自動(dòng)化比較高，但未實(shí)現(xiàn)車間真正的智能化，依然存在生產(chǎn)狀態(tài)即時(shí)管控能力缺失、制造全流程數(shù)據(jù)鏈路斷裂、單點(diǎn)數(shù)字化孤島等問題現(xiàn)象。特別是隨著先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，制造業(yè)正朝著個(gè)性化、定制化及服務(wù)化方向發(fā)展，這就要求企業(yè)必須摒棄傳統(tǒng)的大規(guī)模批量化生產(chǎn)模式，以消費(fèi)者為核心，為其提供個(gè)性化服務(wù)，并快速地制造出符合消費(fèi)者需求的產(chǎn)品。同時(shí)又要降低生產(chǎn)成本，提高資源利用率，只有這樣才能及時(shí)響應(yīng)市場，才能在激烈的市場競爭中不斷發(fā)展。

目前，我國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，國內(nèi)制造企業(yè)中有60%擁有自動(dòng)化產(chǎn)線，但其中近70%沒有進(jìn)行制造產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)字化建設(shè)，對(duì)產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和科學(xué)管理方面缺乏底層的軟件支撐。未來5年，至少40%以上的企業(yè)會(huì)對(duì)其自動(dòng)化產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)字化改造，其中關(guān)于自動(dòng)化產(chǎn)線的監(jiān)控和健康管理是改造的首要工作，數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)軟件平臺(tái)需求量將急劇增長。同時(shí)，隨著人口紅利的消失、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，企業(yè)對(duì)制造部門的自動(dòng)化、智能化水平將進(jìn)一步增高。據(jù)預(yù)測，到2030年，制造現(xiàn)場的數(shù)字化建設(shè)將為全球帶來14.2萬億美元的收入，為中國間接帶來1.8萬億美元的累計(jì)GDP增長。

3.2 市場細(xì)分

國外數(shù)字孿生解決方案具有以下特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：理論技術(shù)成熟；提供面向產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字孿生解決方案；擁有強(qiáng)大的軟件技術(shù)和硬件設(shè)備。

缺點(diǎn)：對(duì)中小型企業(yè)和自動(dòng)化程度低企業(yè)，數(shù)字孿生車間建設(shè)成本高，后期升級(jí)、維護(hù)費(fèi)用高，增加了企業(yè)的運(yùn)營成本；直接購廠商的軟硬件，車間改造周期長，對(duì)企業(yè)的運(yùn)營和管理是一種挑戰(zhàn)周期長。

按照企業(yè)生產(chǎn)工藝組織方式的不同，將市場細(xì)分為離散制造業(yè)市場、流程制造業(yè)市場和混合型制造業(yè)市場。不同細(xì)分市場的特點(diǎn)、痛點(diǎn)，解決方案特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同細(xì)分市場分析

（1）離散制造業(yè)市場

離散制造業(yè)是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，其生產(chǎn)特點(diǎn)是多品種、單件、小批量生產(chǎn)模式。隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，離散制造業(yè)進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)階段。

對(duì)于自動(dòng)化程度低的離散制造業(yè)，企業(yè)的利潤低，產(chǎn)品的高附加值少，加上創(chuàng)新能力薄弱，轉(zhuǎn)型升級(jí)的任務(wù)十分緊迫。因此，可通過加裝傳感器、RFID讀寫器、攝像頭等測量與感知設(shè)備，采集數(shù)控機(jī)床設(shè)備的狀態(tài)信息和車間產(chǎn)品的加工信息等，并通過構(gòu)建車間物聯(lián)管控平臺(tái)，實(shí)時(shí)了解車間生產(chǎn)狀況。對(duì)于自動(dòng)化程度高的離散制造業(yè)，車間數(shù)控機(jī)床設(shè)備的自動(dòng)化和信息化程度高，可以基于現(xiàn)有的數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)，按照客戶的需求，提供定制化的解決方案提供，實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備的實(shí)時(shí)健康監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維及可視化展示等，并通過后期的功能擴(kuò)展和軟件升級(jí)等，滿足客戶的不同需求，提高系統(tǒng)平臺(tái)的擴(kuò)展性和普適性。同時(shí)，可通過數(shù)字孿生車間系統(tǒng)，將離散企業(yè)設(shè)備匯聚到云平臺(tái)，形成生產(chǎn)資源池，為大中型加工企業(yè)提供更優(yōu)、更快的服務(wù)，進(jìn)而提升離散企業(yè)設(shè)備利用率，優(yōu)化大中型加工企業(yè)的生產(chǎn)流程，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。

（2）流程制造業(yè)市場

流程制造業(yè)采用大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)方式，車間設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行，使得設(shè)備故障率非常高，需要花費(fèi)大量時(shí)間尋找故障點(diǎn)，導(dǎo)致長時(shí)間且昂貴的生產(chǎn)停頓。另外，流程制造業(yè)車間柔性差，難以滿足大規(guī)模定制化的市場需求。因此，考慮成本和生產(chǎn)效率等因素，可對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康預(yù)測與維護(hù)，提升車間工作效率。這種市場比較大，并且實(shí)施周期短，利潤高。而有些流程企業(yè)提出了面向產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建，通過虛實(shí)映射和動(dòng)態(tài)迭代，形成“監(jiān)測－優(yōu)化－反饋－改進(jìn)”的閉環(huán)機(jī)制，以掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)維和保障各階段的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速迭代與市場響應(yīng)，并希望在此基礎(chǔ)上，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、管理實(shí)時(shí)化和可視化、運(yùn)維協(xié)同化和智能化。這類市場的項(xiàng)目實(shí)施周期長，對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)的兼容性和集成性要求高。

（3）混合型制造業(yè)市場

混合型制造業(yè)又稱為混合流程、半流程或離散－連續(xù)流程，是一種既具有連續(xù)生產(chǎn)過程又具有離散生產(chǎn)過程的復(fù)雜生產(chǎn)方式，是現(xiàn)代化生產(chǎn)中具有普遍意義的一種生產(chǎn)方式。這類企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求高，需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的工藝狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化展示等，而數(shù)字孿生系統(tǒng)在車間狀態(tài)監(jiān)控、工藝流程優(yōu)化以及車間規(guī)劃和物流規(guī)劃等方面發(fā)揮著重要的作用，但是這類企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)過程復(fù)雜，導(dǎo)致現(xiàn)階段數(shù)字孿生車間建設(shè)周期長、成本高。

4 發(fā)展策略

數(shù)字孿生技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，為企業(yè)“數(shù)字化、智能化”轉(zhuǎn)型提供了新理念、新方向。因此，應(yīng)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌規(guī)劃，突破核心軟硬件，完善標(biāo)準(zhǔn)體系，從而推動(dòng)數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

（1）加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)與交流合作

數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)轉(zhuǎn)型、城市管理、醫(yī)學(xué)診斷與治療等方面市場巨大，但由于缺乏頂層設(shè)計(jì)及政策指導(dǎo)，我國數(shù)字孿生主要應(yīng)用在車間狀態(tài)監(jiān)控中，其它方面應(yīng)用較少。因此，政府應(yīng)該統(tǒng)籌規(guī)劃，制定相關(guān)政策和激勵(lì)機(jī)制，引導(dǎo)企業(yè)開展數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定，突破國外軟硬件限制，同時(shí)構(gòu)建數(shù)字孿生公共服務(wù)平臺(tái)，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，推進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化，促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)專利化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。對(duì)于企業(yè)，一方面加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用合作，積極與國外專家和企業(yè)交流，吸收先進(jìn)技術(shù)成果，提高研發(fā)水平與質(zhì)量；另一方面借助大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，Augmented Reality）等技術(shù)與設(shè)備，構(gòu)建數(shù)字孿生開發(fā)與遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，為客戶提供高效的售后服務(wù)與決策支持，促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

（2）突破核心軟硬件

以三維模型為基礎(chǔ)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，保證數(shù)字孿生模型構(gòu)建、簡化、渲染、集成等過程數(shù)據(jù)源的唯一性，并以此構(gòu)建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)，為企業(yè)提供實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控以及遠(yuǎn)程運(yùn)維等服務(wù)，促進(jìn)國產(chǎn)軟件發(fā)展。另一方面，基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)處理以及人工智能的決策，開展關(guān)鍵技術(shù)研究，打破國外技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)芯片、傳感器等軟硬件國產(chǎn)化，進(jìn)一步提升國內(nèi)企業(yè)的市場競爭力。

（3）完善標(biāo)準(zhǔn)體系

標(biāo)準(zhǔn)是新技術(shù)規(guī)模化發(fā)展的基礎(chǔ)。目前由中國電子科集團(tuán)公司第三十八研究所牽頭制定了SJ 21615－2021《軍用電子裝備數(shù)字孿生通用要求》等四項(xiàng)數(shù)字孿生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[26-29]，解決了數(shù)字孿生模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集與處理等方面出現(xiàn)的多源數(shù)據(jù)，促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)落地應(yīng)用。未來應(yīng)結(jié)合國內(nèi)外數(shù)字孿生現(xiàn)狀，積極開展應(yīng)用、服務(wù)、信息安全等方面的技術(shù)研究，制定數(shù)字孿生相關(guān)的國家、行業(yè)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)等，完善數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系，同時(shí)積極參與數(shù)字孿生國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和標(biāo)準(zhǔn)制定中，促進(jìn)該技術(shù)推廣應(yīng)用，加快企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型，并且有效提升中國數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)的國際話語權(quán)。

5 結(jié)論與展望

本文分析了當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及制造業(yè)數(shù)字孿生的市場需求，提出數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展策略。數(shù)字孿生技術(shù)通過對(duì)物理空間對(duì)象的高保真映射，并采集實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬對(duì)象運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字空間內(nèi)對(duì)物理對(duì)象狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、5G等技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體對(duì)象的故障診斷、分析預(yù)測以及健康管理等服務(wù)與決策支持。

數(shù)字孿生技術(shù)為車間生產(chǎn)、產(chǎn)品研發(fā)、城市管理等提供了新模式，目前處于快速發(fā)展階段，但在工程化應(yīng)用中仍然還存在諸多挑戰(zhàn)：

（1）孿生模型構(gòu)建與迭代優(yōu)化

針對(duì)物理對(duì)象本體，如何在數(shù)字空間構(gòu)建多尺度、高保真、可迭代與演化的孿生模型是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

（2）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與處理

構(gòu)建物理對(duì)象與虛擬對(duì)象之間實(shí)時(shí)映射與交互，對(duì)多品牌、多接口等異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與處理提出了更高要求。

（3）反饋與控制

目前，受軟硬件和人工智能分析與決策等技術(shù)的限制，數(shù)字孿生技術(shù)大多應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)可視化展示，不能及時(shí)做出反饋控制，實(shí)現(xiàn)“以虛控實(shí)”。

因此，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，注重基礎(chǔ)研究，突破關(guān)鍵技術(shù)，制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的工程化應(yīng)用，為企業(yè)的“數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化”轉(zhuǎn)型升級(jí)提供有力的技術(shù)支撐

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[26]軍用電子裝備數(shù)字孿生通用要求：SJ 21615－2021[S].

[27]軍用電子裝備數(shù)字孿生模型構(gòu)建要求：SJ 21616－2021[S].

[28]軍用電子裝備數(shù)字孿生數(shù)據(jù)采集與處理要求：SJ 21617－2021[S].

[29]軍用電子裝備數(shù)字孿生應(yīng)用要求：SJ 21618－2021[S].

Research and Prospect of Data Driven Digital Twin Technology

GUO Lei1,2，ZHANG Hongqi1,2，CHENG Wusi1,2，CHEN Liangxi1,2，ZHA Shanshan1,2

( 1.No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China; 2.Anhui Technical Standard Innovation Base (Intelligent Design and Manufacturing, Intelligence Institute, Civil-Military Integration), Hefei 230088, China )

By constructing a high-fidelity virtual model of the physical entity and collecting the sensor data to drive the virtual objects to move synchronously with the physical entity, digital twin technology realizes the deep integration and interconnection of the physical world and the information world, which is of great significance for promoting the digital, networked, and intelligent transformation of the manufacturing industry. Combined with the previous research and application of digital twin, this paper outlines the connotation of digital twin, analyzes the direction of digital twin technology services and the current application status in various industries. And the market demand of digital twin in the manufacturing industry and the characteristics, pain points, and the solutions of different segmented markets are summarized. Finally, the development strategy of digital twin technology is proposed, which provides the reference for promoting the application of digital twin technology in various fields.

physical entity；high-fidelity；sensor data；virtual model；digital twin

TP301.6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.001

1006-0316 (2023) 07-0001-10

2022-09-22

國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JCKY2020210C005）；安徽省自然科學(xué)基金（2108085QE225）；安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（202104h04020032）

郭磊（1990－），男，陜西寶雞人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造、數(shù)字孿生、標(biāo)準(zhǔn)化等，E-mail：guol626@163.com。