數(shù)字孿生的背景

盡管Gartner曾在2018年將數(shù)字孿生列為當年的十大戰(zhàn)略技術趨勢之一，但數(shù)字孿生并不是一項全新的技術。

早在美國國家航空航天局(NASA)的阿波羅項目中，NASA就制造了兩個完全相同的空間飛行器，可謂物理孿生，留在地球上的飛行器稱為孿生體(twin)。這個孿生體，在飛行準備期間被應用于訓練，在任務執(zhí)行期間進行仿真實驗，該孿生體盡可能精確地反映和預測正在執(zhí)行任務的空間飛行器的狀態(tài)，從而輔助航天員在緊急情況下做出最正確的決策。

而數(shù)字孿生，則是通過實體和虛體之間的映射，及時、準確、深入地在虛體世界反映實體的狀態(tài)和行為。

2012年，NASA發(fā)布的“建模、仿真、信息技術和處理”路線圖中，數(shù)字孿生被正式帶入公眾視野。之后，數(shù)字孿生從概念模型階段步入初步的規(guī)劃與實施階段。2015年，美國通用電氣(GE)公司計劃基于數(shù)字孿生，并通過Predix平臺，采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術，實現(xiàn)對發(fā)動機的實時監(jiān)控、及時檢查和預測性維護。

數(shù)字孿生的應用發(fā)展現(xiàn)狀

01 技術處于創(chuàng)新觸發(fā)階段

最近幾年來，數(shù)字孿生在理論層面和應用層面均取得了快速發(fā)展，應用范圍也逐漸從產(chǎn)品設計階段向產(chǎn)品制造和運維服務等階段轉移。模型輕量化、MBD、基于物理的建模等模型數(shù)字化表達技術逐漸成熟并得到廣泛應用，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息與通信技術的快速普及與應用，大規(guī)模計算、高性能計算、分布式計算等計算機科學技術的快速發(fā)展，以及機器學習、深度學習等智能優(yōu)化算法的不斷涌現(xiàn)，使得產(chǎn)品動態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集、可靠與快速傳輸、存儲、分析、決策、預測等成為可能，為虛擬空間和物理空間的實時關聯(lián)與互動提供了重要的技術支撐，數(shù)字孿生的形態(tài)和概念不斷豐富。

不過在應用方面，數(shù)字孿生還有很長的路要走。數(shù)字孿生技術目前處于創(chuàng)新觸發(fā)階段，這本身就意味著低使用率，目前主要局限于研究機構和公司的研發(fā)部門。從技術周期的規(guī)律來看，新興技術可能要在未來的5～10年才能達到被廣泛應用的程度。數(shù)字孿生技術有著諸多的技術難點，從落地的角度來看，發(fā)展還處于起步階段。但可以肯定的是：數(shù)字孿生將會在未來幾年里以不同的解決方案來應對不同的挑戰(zhàn)。盡管數(shù)字孿生尚處于發(fā)展初期，也必然面對一些階段性的問題，但前途無疑是光明的。

02 大型制造公司主導對數(shù)字孿生技術的大規(guī)模應用

數(shù)字孿生技術在工業(yè)領域有著非常廣闊的應用場景。不過，從目前的發(fā)展情況來看，對數(shù)字孿生技術的大規(guī)模采用由大型制造公司主導。幾乎所有的行業(yè)都可采用某種形式的數(shù)字孿生技術，但興趣最大的可能是工業(yè)設備(如加熱和冷卻系統(tǒng)、泵送液壓系統(tǒng)等)和能源行業(yè)(如風力渦輪機、石油和天然氣等)。

從國外一些研究數(shù)字孿生技術的先驅來看，現(xiàn)階段走在前列的多是像GE、西門子、美國參數(shù)技術公司(PTC)、美國安世公司(ANSYS)這樣的大企業(yè)。目前國內外數(shù)字孿生技術應用得比較好的企業(yè)主要是數(shù)字化水平高、有一定網(wǎng)絡化基礎、存在智能化轉型升級的大企業(yè)，這與企業(yè)自身的基礎有一定關系。

美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟有關數(shù)字孿生的解讀

2020年2月18日，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)正式發(fā)布《工業(yè)應用中的數(shù)字孿生》白皮書。白皮書從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的視角闡述了數(shù)字孿生的定義、商業(yè)價值、體系架構以及實現(xiàn)數(shù)字孿生的必要基礎，隨著該技術快速發(fā)展及創(chuàng)新應用研究，未來IIC還將考慮在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構中融入數(shù)字孿生要素。

01 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)視角的數(shù)字孿生關系

根據(jù)業(yè)務需求不同，可構建復雜程度不同的數(shù)字孿生。如圖1所示，針對關鍵零部件，構建零部件孿生體；針對設備，構建包含多個關鍵零部件孿生體的設備孿生體；針對復雜系統(tǒng)，構建包含多個設備孿生體的系統(tǒng)孿生體。

數(shù)字孿生之間的關系主要有三種：層次型、關聯(lián)型和點對點型。為了實現(xiàn)虛擬信息空間與實際物理世界的深度融合，孿生體在信息空間的關系與其對應物理實體在物理世界的關系相同，如圖2所示。層次型，如單個零部件孿生體與多個零部件孿生體組建的復合孿生體之間的關系。關聯(lián)型，如天然氣管道數(shù)字孿生體與天然氣生產(chǎn)使用設備孿生體之間的關系。點對點型，如電網(wǎng)中多個風力發(fā)電機孿生體之間的關系。

02 全生命周期中數(shù)字孿生帶來巨大商業(yè)價值

(1) 數(shù)字孿生解決信息孤島問題，為全局優(yōu)化決策提供重要支撐?，F(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中包含大量信息，由于多源異構、異地分散的特征易形成信息孤島，影響信息自動流通沒有發(fā)揮應有價值。例如生產(chǎn)制造中，各設備運行狀態(tài)信息保存在各自固件里，導致生產(chǎn)線或車間無法基于各設備實際運行狀態(tài)優(yōu)化決策。數(shù)字孿生技術利用每個孿生體為代理，收集對應實體數(shù)據(jù)、利用不同模型進行計算分析決策、通過集成接口提供給不同業(yè)務目的應用，保障生命周期信息流通實現(xiàn)全局優(yōu)化決策。例如通過建立關鍵設備孿生體構建車間孿生體，利用感知設備收集對應實體數(shù)據(jù)進行分析，通過集成接口將決策信息下達各設備控制系統(tǒng)優(yōu)化全車間范圍的生產(chǎn)運行活動。

(2) 數(shù)字孿生提供單一接口，為實體全生命周期信息流暢提供重要保障。實體的孿生體是訪問其生命周期信息單一接口。如圖3所示，產(chǎn)品制造商在數(shù)字空間構建產(chǎn)品類型的孿生體，包含市場分析、計算機輔助設計圖紙、設計文檔；構建產(chǎn)品的孿生體，在其中包含產(chǎn)品生產(chǎn)信息、從客戶方收集的維保信息等；產(chǎn)品類型孿生體和產(chǎn)品孿生體構成復合產(chǎn)品孿生體，為產(chǎn)品制造商提供所有信息單一接口。

(3) 數(shù)字孿生能為工業(yè)應用帶來巨大商業(yè)價值。一是數(shù)字孿生與人工智能、機器學習互為基礎協(xié)同發(fā)展。二是數(shù)字孿生促進高精度虛擬傳感器研發(fā)，解決關鍵物理量無法測量問題。三是數(shù)字孿生助力傳感器失靈漂移矯正，提高感知質量避免誤報警誤停機等事故。四是數(shù)字孿生減少信息查詢、格式轉換、信息導入時間，助力協(xié)同工程。五是數(shù)字孿生助力運維問題，減少宕機時間經(jīng)濟成本。六是數(shù)字孿生使用實時更新，助力提質增效。七是數(shù)字孿生不受時間地點限制快速準確響應，最大化利用專家知識。

(4) 數(shù)字孿生技術激發(fā)無限的產(chǎn)業(yè)潛力與市場動能。當前，全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展如火如荼，為數(shù)字孿生提供良好孵化床，各種應用場景加速落地，應用領域范圍不斷拓寬。IIC發(fā)布的白皮書為進一步數(shù)字孿生技術研究及工業(yè)中的應用推廣奠定了重要基礎。隨著我國“新基建”的快速推進，將會推動數(shù)字孿生技術在各個行業(yè)的深入應用與蓬勃發(fā)展，從而激發(fā)出無限的產(chǎn)業(yè)潛力與市場動能。

數(shù)字孿生在船舶海工行業(yè)的應用場景

1、海工裝備結構裝配。在數(shù)字孿生應用平臺中，對裝備模型進行仿真裝配和建造。提升裝配建造效率，確保裝配的準確無誤。傳統(tǒng)上，船舶從設計到生產(chǎn)制造通?；贑AD/CAE等工業(yè)設計軟件，且多局限于設計分析階段，在生產(chǎn)制造階段三維模型仿真技術的應用偏少。船舶建造方面信息流對生產(chǎn)設備僅僅是離散型驅動，并且僅局限于船體部件加工階段，船體建造過程中的集成度、自動化程度和數(shù)字化程度還相當?shù)汀?/p>

2、對工程作業(yè)等進行遠程實時監(jiān)控與維護。數(shù)字孿生還有望改變企業(yè)在對產(chǎn)品和機器進行預測性維護的方式。機器內嵌入的傳感器將性能數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)字孿生體，這不僅可以預先識別和解決故障，還可以定制服務和維護計劃，更好地滿足客戶的個性化需求。如中船重工數(shù)字孿生遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該項目投入應用以后，實現(xiàn)了對船舶工程現(xiàn)場的遠程實時監(jiān)控，通過該系統(tǒng)完成了專家遠程在線對船舶工程的建設成果驗收。項目背景就是利用了數(shù)字孿生技術，利用現(xiàn)場圖像采集和設備數(shù)據(jù)采集等手段，遠程實時監(jiān)控設備現(xiàn)場的工作情況和運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的遠程管理(圖4)。此外，荷蘭皇家殼牌公司近期啟動了一項為期兩年的數(shù)字孿生計劃，以幫助石油及天然氣運營商更加高效地管理海上資產(chǎn)，加強工人安全保障，及探索可預見的維護時機。

3、船舶功能仿真測試。在數(shù)字孿生應用平臺中，對海洋環(huán)境、船舶結構進行仿真模擬，進行功能及性能仿真試驗測試，為船體的設計優(yōu)化提供可靠依據(jù)，大幅提高試驗效率，節(jié)約成本。

4、船舶操控VR培訓。利用VR技術，培訓船員的駕駛技能。為船員提供沉浸式的培訓體驗，增強培訓效果。

相關建議

1、加強數(shù)字化轉型的頂層設計，實現(xiàn)以科技賦能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字化轉型要形成行業(yè)軟硬件的全面協(xié)同，真正做到數(shù)字化、信息化、智能化，打通企業(yè)內部的全數(shù)據(jù)鏈，以高效、敏捷的速度在數(shù)字化浪潮中成長壯大，更能有條不紊地應對諸如新冠肺炎疫情等突發(fā)事件。建議統(tǒng)籌謀劃，從全局戰(zhàn)略性高度出發(fā)，加強數(shù)字化轉型的頂層設計，未雨綢繆占領科技前沿制高點，形成先發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)以科技賦能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進一步以數(shù)據(jù)為資產(chǎn)，以技術為手段，構建能夠支持業(yè)務可持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新技術平臺體系。

2、發(fā)展數(shù)字孿生技術是推動企業(yè)數(shù)字化轉型的有力抓手。從5G、數(shù)據(jù)中心、人工智能到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，這些概念不是割裂的，而是環(huán)環(huán)相扣的，他們構成了數(shù)據(jù)采集、傳輸、計算、分析、應用的數(shù)據(jù)閉環(huán)，對于目前數(shù)字孿生技術而言，其應用水平也與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺息息相關。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設的關鍵是要實現(xiàn)這些技術的群體性突破和協(xié)同性創(chuàng)新。建議以推進數(shù)字孿生技術為抓手，明晰制造企業(yè)數(shù)字化轉型的路徑，讓數(shù)字孿生技術，引領海工裝備發(fā)展，提升船舶制造效率，重塑船舶設計形式，助力產(chǎn)業(yè)轉型升級。

3、多方協(xié)同，構建智慧型的現(xiàn)代化企業(yè)模式。對未來的理解可以有助于制定早期的計劃及建立合作關系，從而使未來獲得回報成為可能。建議參考先進制造模式，以造船過程的知識融合為基礎，以數(shù)字化建模仿真與優(yōu)化為特征，將信息技術全面應用于船舶的產(chǎn)品開發(fā)、設計、制造、管理、經(jīng)營和決策的全過程。最終達到快速設計、快速建造、快速檢測、快速響應和快速重組的目的，盡早實現(xiàn)海工裝備和船舶建造的數(shù)字化與智能化。