數(shù)字孿生：數(shù)實(shí)融合新未來

隨著新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的加速融合，工業(yè)數(shù)字化、智能化演進(jìn)趨勢(shì)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)。數(shù)字孿生作為重要支撐技術(shù)，正在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。

在數(shù)字孿生加持的數(shù)字工廠內(nèi)，生產(chǎn)過程的任一環(huán)節(jié)，都會(huì)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)里。工作人員在電腦屏幕前，就能對(duì)一輛車的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)測(cè)；車輛生產(chǎn)出來便擁有自己的“電子身份證”，實(shí)現(xiàn)全生命周期質(zhì)量的智能可控、可追溯……在這里，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)走上高質(zhì)量發(fā)展之路。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型新基石

根據(jù)工信部中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布的《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。簡(jiǎn)言之，數(shù)字孿生技術(shù)是一種通過創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬副本，實(shí)現(xiàn)虛擬與實(shí)際系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互與反饋的技術(shù)。

數(shù)字孿生概念最早可追溯到20世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)，美國(guó)國(guó)家航空航天局和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室在未來航天器的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，提出并充分運(yùn)用數(shù)字孿生減少實(shí)體產(chǎn)品直接模擬產(chǎn)生的大量成本。我國(guó)對(duì)數(shù)字孿生的研究則相對(duì)起步較晚，近年來抓住數(shù)字技術(shù)加速發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇，陸續(xù)出臺(tái)了一系列相關(guān)文件：2020年，將數(shù)字孿生寫入“十四五”規(guī)劃，作為建設(shè)數(shù)字中國(guó)的重要發(fā)展方向；2021年，工信部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃》，再次指出要加快數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，行業(yè)目前正處于快速上升期；工信部等九部門聯(lián)合印發(fā)的《原材料工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作方案（2024—2026年）》提出，圍繞數(shù)字技術(shù)在提升產(chǎn)品合格率、資源綜合利用效率、全員勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)能減排水平等方面的融合應(yīng)用，打造一批“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合應(yīng)用成效顯著、實(shí)現(xiàn)制造過程數(shù)字孿生的數(shù)字化轉(zhuǎn)型標(biāo)桿工廠。

在發(fā)展初期，數(shù)字孿生的價(jià)值更多被認(rèn)為是場(chǎng)景重現(xiàn)、展示和描述，而后逐漸占據(jù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮中的重要地位。一方面，在政策密集引領(lǐng)下，數(shù)字孿生應(yīng)用潛能加速迸發(fā)釋放；另一方面，隨著基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化提速，企業(yè)數(shù)字化需求升級(jí)，數(shù)字孿生從可視化到可計(jì)算、可交互，逐步深入到產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的核心環(huán)節(jié)。通過智能感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程、制造過程和制造裝備的智能化，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗等目標(biāo)。而數(shù)字孿生技術(shù)正是支撐智能制造從理論走向應(yīng)用的關(guān)鍵系統(tǒng)。

全生命周期閉環(huán)優(yōu)化

更高技術(shù)含量的勞動(dòng)資料是新質(zhì)生產(chǎn)力的動(dòng)力源泉，數(shù)字孿生作為代表性數(shù)字技術(shù)之一，正深入工業(yè)領(lǐng)域引起廣泛變革。

數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的數(shù)字化模擬和優(yōu)化，從而助推精準(zhǔn)決策和高效運(yùn)營(yíng)。通過建立生產(chǎn)線的孿生場(chǎng)景，在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)的生產(chǎn)過程，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生產(chǎn)中的瓶頸和問題，從而優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率，并不斷提升產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，滿足市場(chǎng)的多樣化需求。

數(shù)字孿生有助于推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的智能化和柔性化發(fā)展。企業(yè)可以根據(jù)市場(chǎng)需求和消費(fèi)者偏好實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)和服務(wù)，預(yù)先構(gòu)建個(gè)性化的孿生場(chǎng)景。這種智能化和柔性化生產(chǎn)能快速響應(yīng)市場(chǎng)變化、滿足消費(fèi)者需求，同時(shí)提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力。

通過數(shù)字孿生系統(tǒng)，企業(yè)能夠?qū)崟r(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障并進(jìn)行預(yù)警。遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)不僅能夠降低設(shè)備的停機(jī)時(shí)間和維修成本，還可以提高設(shè)備的可靠性與使用壽命，保障生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，數(shù)字孿生會(huì)促進(jìn)工業(yè)企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新。通過構(gòu)建跨企業(yè)、跨行業(yè)的數(shù)字孿生平臺(tái)，不同企業(yè)和機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)信息共享、資源互補(bǔ)和協(xié)同合作，打破行業(yè)壁壘，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，還能起到促進(jìn)整個(gè)工業(yè)生態(tài)鏈健康發(fā)展的作用。

更重要的是，數(shù)字孿生在持續(xù)進(jìn)化。數(shù)字孿生作為產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的基石之一，將為更加靈活和個(gè)性化的應(yīng)用場(chǎng)景激活新質(zhì)生產(chǎn)力。通過對(duì)生產(chǎn)過程、設(shè)備維護(hù)、產(chǎn)品研發(fā)、個(gè)性化定制和供應(yīng)鏈等方面的優(yōu)化，數(shù)字孿生技術(shù)為我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了有力支持。

應(yīng)用落地駛?cè)肟燔嚨?/p>

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，數(shù)字孿生在應(yīng)用場(chǎng)景落地探索方面初見成效，正推動(dòng)工業(yè)制造的智能化升級(jí)和數(shù)字化“增效”。

今年是小浪底水利樞紐主體工程開工建設(shè)30周年。近年來，水利部深入貫徹落實(shí)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略，精心擘畫數(shù)字孿生水利宏偉藍(lán)圖。作為首批試點(diǎn)，水利部小浪底水利樞紐管理中心全力以赴推動(dòng)數(shù)字孿生小浪底建設(shè)。數(shù)字孿生小浪底平臺(tái)融合專業(yè)模型算法與人工智能技術(shù)，以數(shù)字孿生帶動(dòng)物理實(shí)體，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化、業(yè)務(wù)智能化、決策精準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)工程安全、防汛調(diào)度、庫(kù)區(qū)管理、發(fā)電運(yùn)行等重點(diǎn)業(yè)務(wù)的“四預(yù)”功能和智慧決策，引領(lǐng)數(shù)字孿生水利工程技術(shù)發(fā)展，引領(lǐng)大型水利工程運(yùn)營(yíng)管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

目前，中國(guó)數(shù)字孿生已進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)期，越來越多的企業(yè)開始利用數(shù)字孿生提升效率并開拓創(chuàng)新。國(guó)投集團(tuán)旗下中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院股份有限公司為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的精益制造，首創(chuàng)PSIM數(shù)字孿生工廠解決方案，利用“工藝技術(shù)+數(shù)字化仿真技術(shù)” 打造精益智能綠色的高科技虛擬工廠。通過精細(xì)化設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)化分析、數(shù)字化優(yōu)化、智能化控制，最終實(shí)現(xiàn)建設(shè)投資降低、建設(shè)周期縮短、生產(chǎn)效率提升、運(yùn)行成本下降的ITEC目標(biāo)。

不僅如此，數(shù)字孿生在多個(gè)領(lǐng)域也顯示出巨大潛力。例如，在汽車制造業(yè)，數(shù)字孿生允許制造商在計(jì)算機(jī)上模擬生產(chǎn)線運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)；在能源行業(yè)，被用來監(jiān)測(cè)和分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能，優(yōu)化維護(hù)和能源輸出；在智慧城市建設(shè)中，數(shù)字孿生能夠幫助規(guī)劃者可視化并有效管理城市運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)。

盡管數(shù)字孿生技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但其發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，缺乏統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)，使得不同領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展參差不齊。其次，數(shù)據(jù)同化、模型更新和不確定性量化等關(guān)鍵技術(shù)尚不成熟，限制了數(shù)字孿生的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，人機(jī)交互和倫理問題也是數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

面向未來，數(shù)字孿生的技術(shù)底座正不斷夯實(shí)而應(yīng)用日益拓寬，數(shù)字孿生的技術(shù)普及正改變著傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的面貌，塑造著制造業(yè)趨向智慧的未來。