数字孪生助力制造业数字化转型

数字孪生技术在基础设施建设产品制造运维服务等领域具有广阔的应用前景世界主要国家大力推进数字孪生 技术在制造领域的应用和推广

1 概念内涵

数字孪生最早的概念模型由当时的 PLM 咨询顾问  Michael Griewes 博士于 2002 年在 美国工程协会管理论坛上  提出。从 2009 年美国空军实验室首次提出“机身数字孪生” 概念至今，学术界和工业界对数字孪生的定义达到几十种，大部分工业巨头、咨询机构和 IT 厂商都结合自身业务提出了数字孪生定义或相关解决方案。

NASA 在 2010 年提出，数字孪生是一个集成了多物理场、多尺寸和概率仿真的数字飞行器（或系统），它可以通 过逼真物理模型、实时传感器和服役历史来反映真实飞行器 的实际状况。2013 年，美国空军提出，数字孪生是系统的 虚拟表达，作为实际运行的单个系统实例在整个生命周期中 应用的数据、模型和分析工具的集成系统。

此外，德勤、西门子、GE 、IBM 等公司和智库机构也对数字孪生作出了相 关解释和定义。2019 年 ISO 面向制造的数字孪生系统框架标准草案给出了更普适的定义，即数字孪生是现实事物（或过程）具有特定目的数字化表达，并通过适当频率的同步使 物理实例与数字实例之间趋向一致。

综合而言，数字孪生是以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程进行动态呈现。

从根本上讲，仿真是数字孪生实现的基础，利用仿真技术可以在虚拟世界中建立物理系统的映射，以展示产品的性能或制造过程，模拟物理实体的全生命周期。数字孪生代表了最新的仿真技术，数字孪生的实现对仿真行业提出了更高的要求。

美国咨询公司德勤 2021 制造业四大趋势预测中提出， 数字孪生将成为技术重点。此前 ，2017—2019 年 ，数字孪 生技术连续三年入选 Gartner 十大战略技术趋势。 数字孪生技术被认为将成为第四次工业革命的关键技术，将贯穿城市化、全球化和工业化的各个方面，并逐步成为数字化转型和 信息化发展的重要方向。 数字孪生应用示例如图 1 所示。

图 1    数字孪生应用示例

2 国外制造领域 数字孪生技术应用现状

数字孪生技术在基础设施建设、产品制造、运维服务等 领域具有广阔的应用前景，世界主要国家大力推进数字孪生 技术在制造领域的应用和推广，并取得了重大突破。

2.1 优化产品研发设计过程，提高研发效率

美国海军、洛马公司等企 业推动数字孪生技术在产品设计中的应用，完成重要部件数字孪生体的构建，在制造前进行虚拟测试，以提高效率并降低制造风险。2020- 10，美太空军计划采用数字孪生方法开发卫星，军事采办方与承包商 将在虚拟云网络中合作，将每件设备建立数字模型，用于整个研发生命周期，以提升开发效率。2020-09 ，法国 EDF 集 团、法马通公司、法国替代能源和原子能委员会以及来自学术界核法国核能部门的机构，启动了数字反应堆结构项目， 将为法国所有核反应堆机组建立数字孪生体，通过数字技术 创新研究方法 ，为新一代操作人员提供训练和研究模型。2019- 12，俄罗斯联合发动机公司（UEC ）旗下子公司克里莫夫公司完成 TV7- 117ST-01 发动机数字孪生项目第一阶段，在该框架内，发动机的虚拟测试台被集成到专家系统中。基于该技术，未来可将发动机单个零件质量最低减少 50% ， 同时保证了强度和耐用性。

2.2 改进产品生产制造流程，提升质量管控

数字孪生技术通过与工业互联网、物联网等发生多级互联，与人工智能、机器学习、高性能计算等信息技术进行协同，在复杂动态空间的多源异构数据采集、产品生产监督和 质量管理等方面均发挥了重要作用。2021-03 ，美国报道其 海上系统司令部利用数字孪生技术优化四家国有造船厂的 厂区配置方案，提高生产效率。数字孪生技术作为基础设施 优化计划（ SIOP ）的第一步 ，珍珠港海军造船厂已于 2020 年底完成数字孪生搭建，普吉特湾海军造船厂现已建立基准 模型。该项目将使工程师借助建模和仿真，为船厂确定理想的厂区配置方案、更换老化的固定设备、重塑作业流程等。

2.3   提供服务状态实时反馈，支撑性能改进

数字孪生技术可在产品状态跟踪监控、故障预警和定位 分析等方面提供支持。比较典型的代表有波音公司与美国空 军合作构建的 F- 15C 战斗机机体的数字孪生模型，可用于管 理机体残余应力、几何结构、有效载荷、材料微结构等，进 而预测结构组件的使用寿命，据此调整结构组件检修、替换 周期。2019-01 ，德国汉莎技术公司已实时监控飞机飞行各 阶段发动机运行数据为基础，利用数字孪生技术，开展了发 动机性能监控和预测性维护 ，显著提高了产品运行的可靠 性，可有效避免飞行事故的发生。

2.4   升级数字化演示与验证，降低研制成本

美军在国防领域不断推进数字化建设，强调利用武器、传感器和分析工具的网络综合优势对部队进行改革 。2021-03，美空军实验室宣布“金帐汗国”项目将开发的“罗 马竞技场”数字孪生武器生态系统，可用于指导、优化、减 少物理试验，降低装备研制成本，提升装备战技指标，用于 验证完善新兴作战概念，塑造未来作战样式。美国海军项目 执行办公室综合作战系统部门已制定了“宙斯盾”作战系统 数字孪生计划，将其数字孪生系统充当虚拟试验台 。2019-06 ，美国利用数字孪生技术，针对导弹驱逐舰（DDG 116 ）构建了衍生 “虚拟宙斯盾”系统，演示了 “标准”-2 导弹拦截目标的能力。

3 分析与启示

数字孪生作为一项新兴前沿科技，对制造领域发展的颠覆性影响正在逐步显现。面对当前形势，应进一步加强整体规划布局，突破关键技术，推进数字孪生技术的深入应用。

3.1   数字孪生技术将加速制造领域数字化转型

随着云计算、大数据、物联网、AI人工智能等新一代工业与信息技术的不断发展，数字化转型成为世界主要国家推动创新进程的有效途径。数字孪生作为一种重要技术，为实现数字化转型提供了有力支撑。美国国防部大力推进以数 字孪生为核心元素的数字工程战略，旨在通过数字化转型夺得技术优势，占领战略制高点。

应加强顶层规划及战略的制定，建立数字化转型路线图，合理布局数字孪生在技术、标准、规范、配套等各个方面的发展结构，推动制造领域的信息化建设和发展。

3.2   数字孪生技术将促进产品制造智能化发展

数字孪生的出现和发展将对产品制造过程的智能化和产品本身的智能化有着巨大的推动作用。通过数字孪生技术构建出产品的数字模型，借助其与外界的数据交互，模拟出产品在各种现实环境下的状态和功能，通过虚实交互反馈、 数据融合分析、决策迭代优化等手段，就能为产品在全寿命周期的各个环节提供最佳方案，从而为产品的使用、维护人员提供实时可靠的信息支持。应加强系统工程建设，强化技术转化机制，加速数字孪生的产业化进程，以推动产品制造的智能化发展。

3.3   数字孪生技术将推动先进仿真技术的发展

仿真是数字孪生的基础，数字孪生依赖于多样的仿真手段而实现，代表了最新的仿真技术。 数字孪生在产品制造领域的应用将进一步推动仿真技术的发展。美、俄、欧等主要国家和地区前期在仿真技术领域进行了大量的探索，部分项目成果已应用于装备研发制造。为应对新环境下的发展需求，应不断强化数字孪生基础技术的研发和集成工作，加快关键技术攻关，支撑相关项目的立项和实施，加速数字孪生 技术的推广应用，对加速制造业信息化转型和支撑国防建设具有重要意义。

作者：中核战略规划研究总院战略研究所 刘秀 陈定 北京无线电测量研究所 赵东兴

原文刊载于《科技与创新》 2021年第24期