2020数字孪生应用白皮书.pdf

数字孪生应用白皮书2020 版主编单位：中国电子技术标准化研究院树根互联技术有限公司2020 年 11 月编委会主编：赵波副主编：程多福贺东东编写组中国电子技术标准化研究院郭楠韦莎马原野贾仕齐李瑞琪周航李佳张晖焦国涛程雨航胡琳王成然夏娣娜许威纪婷钰廖胜蓝何宏宏张欣胡成林左鹏崔文雅树根互联技术有限公司刘洁沈鹏周旸彭雪郑志喜陈立峰段文娟特斯联科技集团有限公司安韧孙鹏徐超关普璟侯博月中机生产力促进中心肖承翔李根梓尚耀明当家移动绿色互联网技术集团有限公司（51WORLD）刘晓伦张帆张焜棋中汽研汽车工业工程（天津）有限公司包伟伟石华军刘莹门峰苏青福中船第九设计研究院工程有限公司汪彦钧熊冠楚王真中国汽车技术研究中心有限公司高岳刘静榕闫相文陈日强董方岐北京航空航天大学陶飞张萌马昕东华大学鲍劲松黄德林李婕上海优也信息科技有限公司林诗万柴正李志芳刘祯祺金周泰瑞数创科技（北京）有限公司刘俊伟唐莉萍王金兰黄栋黄慧敏阿里巴巴（中国）有限公司张磊伍剑胡宁中国汽车工程研究院股份有限公司王红钢李剑平王锐朱红国腾讯云计算（北京）有限责任公司李永韬王永霞李晋刘莫闲软通智慧科技有限公司尹洪涛柏翔雒冬梅国家管网集团北方管道有限责任公司管道科技研究中心李博薛向东盖健楠北京和利时智能技术有限公司朱毅明西门子（中国）有限公司朱国良张珺安世亚太科技股份有限公司段海波深圳华龙讯达信息技术股份有限公司龙小昂陈曦张亚杰赵东聂道龙中机研标准技术研究院（北京）有限公司潘康华1前言.1一、数字孪生概述.1（一）数字孪生发展背景.1（二）数字孪生的定义及典型特征.3（三）数字孪生与其他技术的区别.5二、数字孪生相关概念及内涵.8（一）相关术语.8（二）相关概念.13三、数字孪生应用发展综述.16（一）应用需求方向.16（二）数字孪生产业图谱.26（三）应用发展现状.37（四）数字孪生技术体系.73（五）推动条件.92四、数字孪生标准化当前工作、现状及需求.99（一）标准化工作概述.99（二）智能制造领域数字孪生标准化现状及需求.105目录数字孪生应用白皮书2（三）智慧城市领域数字孪生标准化现状及需求.110（四）智慧交通领域数字孪生标准化现状及需求.112（五）智慧健康领域数字孪生标准化现状及需求.113五、存在的挑战.115（一）数据相关的挑战.115（二）基础知识库相关的挑战.117（三）安全相关的挑战.119（四）商业模式相关的挑战.120（五）人才相关的挑战.122（六）多系统融合的挑战.123（七）互联互通互操作的挑战.124六、典型应用案例.126（一）智能制造领域.126（二）智慧城市领域.208（三）智慧交通领域.241（四）智慧能源领域.266（五）智慧建筑领域.278（六）智慧健康领域.292七、结论与展望.300（一）趋势的展望.300（二）支持与监管政策相关建议.301（三）技术开发与应用相关建议.3031数字化转型是我国经济社会未来发展的必由之路。习近平总书记指出，世界经济数字化转型是大势所趋。当前，世界正处于百年未有之大变局，数字经济已成为全球经济发展的热点，美、英、欧盟等纷纷提出数字经济战略。数字孪生等新技术与国民经济各产业融合不断深化，有力推动着各产业数字化、网络化、智能化发展进程，成为我国经济社会发展变革的强大动力。未来，所有的企业都将成为数字化的公司，这不只是要求企业开发出具备数字化特征的产品，更指的是通过数字化手段改变整个产品的设计、开发、制造和服务过程，并通过数字化的手段连接企业的内部和外部环境。数字孪生技术作为推动实现企业数字化转型、促进数字经济发展的重要抓手，已建立了普遍适应的理论技术体系，并在产品设计制造、工程建设和其他学科分析等领域有较为深入的应用。在当前我国各产业领域强调技术自主和数字安全的发展阶段，数字孪生技术本身具有的高效决策、深度分析等特点，将有力推动数字产业化和产业数字化进程，加快实现数字经济的国家战略。本白皮书力求以较为浅显易懂的方式对数字孪生相关定义、特征进行阐述，并针对当前数字孪生的技术热点、应用领域、产业情况和标准化工作进展进行了分析。白皮书涵盖了 6 个领域共计 31个数字孪生应用案例。本白皮书通过梳理数字孪生技术和产业应用发展情况，分析数字孪前言数字孪生应用白皮书2生技术热点、行业动态和未来趋势，提出相关的标准化工作需求，希望可以作为数字孪生技术领域、产业发展和标准化之间的初始连接纽带，加快推动数字孪生发展应用。1一、数字孪生概述（一）数字孪生发展背景“孪生”的概念起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”，即构建两个相同的航天飞行器，其中一个发射到太空执行任务，另一个留在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态，从而辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件。当然，这里的两个航天器都是真实存在的物理实体。2003 年前后，关于数字孪生（Digital Twin）的设想首次出现于Grieves 教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上。但是，当时“Digital Twin”一词还没有被正式提出，Grieves 将这一设想称为“Conceptual Ideal for PLM（Product Lifecycle Management）”，如图1所示。尽管如此，在该设想中数字孪生的基本思想已经有所体现，即在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射，忠实地描述物理实体全生命周期的运行轨迹。DataInformationVS1VS2VSnReal SpaceVirtual SpaceProcessConceptual Ideal for PLM图 1PLM 中的概念设想数字孪生应用白皮书2直到2010年，“Digital Twin”一词在NASA的技术报告中被正式提出，并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。2011 年，美国空军探索了数字孪生在飞行器健康管理中的应用，并详细探讨了实施数字孪生的技术挑战。2012 年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生的论文，指出数字孪生是驱动未来飞行器发展的关键技术之一。在接下来的几年中，越来越多的研究将数字孪生应用于航空航天领域，包括机身设计与维修，飞行器能力评估，飞行器故障预测等。图 2数字孪生行业应用数字孪生应用其它行业石油天然气汽车电力航空航天健康医疗船舶航运环境保护建筑铁路运输制造业城市管理 农业：农作物与牲畜监测管理 文化：物质文化遗产数字化建设 教育：物理设备与场景模拟 信息安全：私有数据保护 设备故障预测 设备维修规划 设备设计验证 设备状态远程监测 数据可视化与集成汽车研发环节验证汽车运行状态监测故障诊断与维护维修不同环境行驶过程模拟 电厂三维可视化管理 电厂运行优化 电力设备健康管理 通用电网模型构建 电网设计及运维飞行器故障预测飞行器维护维修机组人员安全生产及装配优化供应链数字化发动机设计与管理设备功能测试设备故障预测医疗资源管理优化策略变更验证医疗与手术方案验证深林资源管理优化污水处理决策优化新能源运行优化与 设备健康管理 施工进度监测 施工人员安全管理 建材监测与废物追踪 施工现场设备效率优化 建筑性能与质量评估 建筑设计与运营优化 车站与铁路设计 施工进度管理 车队维护与调度 列车准点运行与到发 列车故障远程诊断 决策优化 城市分析与规划 动态事件实时优化 灾害模拟与影响预测 科学研究与虚拟实验 交通路线优化产品设计、仿真验证工艺规划与仿真验证生产规划与执行质量管理追溯与工艺优化能效管理与优化设备管理、远程监测、预测性维护、虚拟巡检、AR检修一、数字孪生概述3近年来，数字孪生得到越来越广泛的传播。同时，得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生的实施已逐渐成为可能。现阶段，除了航空航天领域，数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等行业，如图 2 所示。特别是在智能制造领域，数字孪生被认为是一种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段。许多著名企业（如空客、洛克希德马丁、西门子等）与组织（如 Gartner、德勤、中国科协智能制造协会）对数字孪生给予了高度重视，并且开始探索基于数字孪生的智能生产新模式。（二）数字孪生的定义及典型特征1.数字孪生的定义汇总摘选（1）标准化组织中的定义数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。（2）学术界的定义数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段a。从根本上讲，数字孪生可以定义为有助于优化业务绩效的物理对象或过程的历史和当前行为的不断发展的数字资料。数字孪生模型基于跨a 陶飞，刘蔚然等，数字孪生及其应用探索数字孪生应用白皮书4一系列维度的大规模，累积，实时，真实世界的数据测量a。（3）企业的定义数字孪生是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。数字孪生由三部分组成：数据模型，一组分析或算法，以及知识b。数字孪生公司早已在行业中立足，它在整个价值链中革新了流程。作为产品，生产过程或性能的虚拟表示，它使各个过程阶段得以无缝链接。这可以持续提高效率，最大程度地降低故障率，缩短开发周期，并开辟新的商机：换句话说，它可以创造持久的竞争优势。2.数字孪生的典型特征从数字孪生的定义可以看出，数字孪生具有以下几个典型特点：（1）互操作性数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。（2）可扩展性数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。（3）实时性数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状a Aaron Parrott and Lane Warshow，工业 4.0 和数字孪生b 通用电气，什么是数字孪生？西门子，工业中的数字化转型一、数字孪生概述5态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。（4）保真性数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。值得一提的是在不同的数字孪生场景下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。例如工况场景中可能只要求描述虚体的物理性质，并不需要关注化学结构细节。（5）闭环性数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此数字孪生具有闭环性。（三）数字孪生与其他技术的区别1.数字孪生与仿真（Simulation）的区别仿真技术是应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验，借助某些数值计算和问题求解，反映系统行为或过程的模型技术，是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的方法，目的是依靠正确的模型和完整的信息、环境数据，反映物理世界的特性和参数。仿真技术仅仅能以离线的方式模拟物理世界，不具备分析优化功能，因此不具备数字孪生的实时性、闭环性等特征。数字孪生需要依靠包括仿真、实测、数据分析在内的手段对物理实体状态进行感知、诊断和预测，进而优化物理实体，同时进化自身的数字模型。仿真技术作为创建和运行数字孪生的核心技术，是数字孪生实现数据交互与融合的基础。在此基础之上，数字孪生必需依托并集成其数字孪生应用白皮书6他新技术，与传感器共同在线以保证其保真性、实时性与闭环性。2.数字孪生与信息物理系统（CPS）的区别数字孪生与 CPS 都是利用数字化手段构建系统为现实服务。其中，CPS 属于系统实现，而数字孪生侧重于模型的构建等技术实现。CPS 是通过集成先进的感知、计算、通信和控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与虚拟空间中人、机、物、环境和信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代和动态优化a。相比于综合了计算、网络、物理环境的多维复杂系统 CPS，数字孪生的构建作为建设 CPS 系统的使能技术基础，是 CPS 具体的物化体现。数字孪生的应用既有产品、也有产线、工厂和车间，直接对应 CPS 所面对的产品、装备和系统等对象。数字孪生在创立之初就明确了以数据、模型为主要元素构建的基于模型的系统工程，更适合采用人工智能或大数据等新的计算能力进行数据处理任务。3.数字孪生与数字主线（Digital Thread）的区别数字主线被认为是产品模型在各阶段演化利用的沟通渠道，是依托于产品全生命周期的业务系统，涵盖产品构思、设计、供应链、制造、售后服务等各个环节。在整个产品的生命周期中，通过提供访问、整合以及将不同/分散数据转换为可操作性信息的能力来通知决策制定者。数字主线也是一个允许可连接数据流的通信框架，并提供一个包含生命周期各阶段功能的集成视图。数字主线有能力为产品数字孪生提供访问、整合和转换能力，其目标是贯通产品生命周期和价值链，实现全面追溯、信息交互和价值链协同。由此可见，产品的数字孪生是对象、模型和数据，a 中国电子技术标准化研究院，信息物理系统建设指南（2020）一、数字孪生概述7而数字主线是方法、通道、链接和接口。简单地说，在数字孪生的广义模型之中，存在着彼此具有关联的小模型。数字主线可以明确这些小模型之间的关联关系并提供支持。因此，从全生命周期这个广义的角度来说，数字主线是属于面向全生命周期的数字孪生的。4.数字孪生和资产管理壳（Asset administration Shell）的区别出自工业 4.0 的资产管理壳，是德国自工业 4.0 组件开始，发展起来的一套描述语言和建模工具，从而使得设备、部件等企业的每一项资产之间可以完成互联互通与互操作。借助其建模语言、工具和通讯协议，企业在组成生产线的时候，可具备通用的接口，即实现“即插即用”性，大幅度降低工程组态的时间，更好地实现系统之间的互操作性。自数字孪生和资产管理壳的问世以来，更多的观点是视二者为美国和德国的工业文化不同的体现。实际上，相较于资产管理壳这样一个起到管控和支撑作用的“管家”，数字孪生如同一个“执行者”，从设计、模型和数据入手，感知并优化物理实体，同时推动传感器、设计软件、物联网、新技术的更新迭代。但是，基于这两者在技术实现层次上比较相近，德国目前也正努力在把资产管理壳转变为支撑数字孪生的基础技术。8二、数字孪生相关概念及内涵（一）相关术语1.数字孪生相关（1）数字孪生（digital twin）数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。（2）数字孪生体（digital twins）“体”在中文中的涵义包括事物本身（物体、实体）或事物的格局或规矩（体制、体系）。加上“体”字后，数字孪生体就是一个名词。因此，数字孪生体中的“体”不仅指与物理实体或过程相对的数字化模型的实例，也指数字孪生背后的技术体系或学科，还指数字孪生在系统级和体系级场景下的应用。（3）实体对象（entity）存在、曾经存在或可能存在的一切具体或抽象的东西，包括这些事物之间的关联。示例：人员，对象，事件，想法，过程等a。（4）物理实体（physical entity）物理环境现实物理世界中离散的、可识别和可观察的事物，示例：城市、工厂、农场、建筑物、电网中的电流、制造工艺等b。a ISO/IEC 2382-36:2019,Information technology-Vocabularyb ISO/IEC 23093-1,Information technology-Internet of media things二、数字孪生相关概念及内涵9（5）虚拟实体（virtual entity）与物理实体对应的表示信息或数据的事物。（6）物理域（物理空间）（physical domain/space）由物理实体组成的实体集合，包含人员、设备、材料等a。（7）虚拟域（虚拟/数字空间）（analog/digital space）由虚拟实体组成的实体集合，包含模型、算法、数据等。（8）数字化表达（analytic expression）物理实体的信息集合，用以支持与它相关的某些决策。（9）数字化建模（analytic model）将信息数据分配给物理世界中待完成计算机识别的对象的过程。2.系统相关（1）物联网（IoT）互连的实体、人员、系统和信息资源的基础架构，以及对物理和虚拟世界中的信息进行处理和响应的服务b。（2）基于模型的设计（MBD）通过算法建模进行软件设计的过程。（3）基于模型的企业（MBE）基于三维产品定义的完全集成和协作环境，实现在整个企业中详细共享；实现工程数据的快速、无缝且经济实惠的工程数据的消耗。采用建模与仿真技术对其设计、制造、产品支持的全部技术的和业务的流程进行彻底的改进、无缝的集成以及战略的管理；利用产品和过程模型来定义、执行、控制和管理企业的全部过程；并采用科学的模拟与分析工具，a ISO/IEC 30141 Reference architectureb ISO/IEC 20924:2018,Information technology-Internet of things-Vocabulary数字孪生应用白皮书10在产品生命周期的每一步做出最佳决策，从根本上减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本。3.系统数据相关（1）资产数据（asset data）事实、概念或指示的规范化表达，以支持人员或设备进行交流、解释或处理a。（2）运营数据（operation data）在生产或运营中产生的数据。（3）背景数据（background data）运营或其他目的所需的数据，包括历史数据、相关数据等。（4）元数据（metadata）有关逻辑包，逻辑组织，内容和文件的描述性信息b。注 1：可以将元数据分配给逻辑包内的任何核心结构，包括清单。注 2：允许对元数据对象进行任何绑定。元数据的每个对象可以是本地或远程的。（5）运营历史（operation history）有关实体的过去表现或学习经历的记录信息。（6）维修历史（maintenance history）将项目保留或恢复到能够满足相关规范要求并执行其所需功能条件的所有操作的记录信息。a IEC 61804-1:Function blocks(FB)for process control-Part 1:Overview of system aspects v1.0b ISO/IEC 2382-36:2019,Information technology-Vocabulary IEC 60079-17，Explosive atmospheres-Part 17:Electrical installations inspection and maintenance,v5.0二、数字孪生相关概念及内涵114.模型相关（1）统计模型（statistical model）基于概率理论的模型，通过数学统计方法建立。（2）工程模型（engineering model）几何、材料、部件和行为、构建和操作数据。（3）元模型（metamodel）是关于模型的模型。这是特定领域的模型，定义概念并提供用于创建该领域中的模型的构建元素。5.性能相关（1）一致性（consistency）物理实体与其对应的虚拟实体相匹配。（2）一致性评价（consistency evaluation）用于评估物理实体与其对应的虚拟实体相匹配程度的过程。（3）可靠性（reliability）在给定的条件下，给定的时间间隔内，完成规定功能的能力。（4）验证（verification）通过检验（测试）证明规定的要求已经得到满足a。（5）确认（confirmation）评估系统或组件以确保符合功能、性能和接口要求的过程。（6）鲁棒性（robustness）在存在无效输入或压力的环境条件下，系统或组件能够正常工作的程度b。a ISO/IEC 14776-121,Information technology-Small computer system interface,v1.0(2010-10)b ISO/IEC/IEEE 24765:2010，Systems and software engineering-Vocabulary数字孪生应用白皮书12（7）保真度（fi delity）虚拟实体准确地描述其对应物理实体细节的程度。（8）可追溯性（traceability）一种测量结果或标准值的性质，它可以通过一系列不间断的比较，与规定的参考文献相联系，所有这些比较都有规定的不确定度。（9）同步性（synchronism）用数字孪生表示的虚拟实体的状态与可观察到的物理实体状态的同步程度，或反之。（10）可重构性（reconfi gurability）物理实体及其虚拟实体可分解和重新组合的能力。6.功能相关（1）分析（analysis）通过模型、数据、算法对物理实体进行描述、评估及预测的行为。（2）互操作性（interoperability）两个或多个数字孪生体在实现互联互通的基础上能够进行信息交换、信息同步、业务协同等的能力。7.应用相关（1）可视化（visualization）使用计算机图形和图像处理来呈现过程或对象的模型或特征，以支持人类的理解。（2）优化（optimization）设计和操作一个系统或过程，使其在某种意义上尽可能地实现更好。二、数字孪生相关概念及内涵13（3）预测（prediction）用来获得一个量的预测值的计算过程a。注 1：“预测”一词也可用来表示一个量的预测值。（4）仿真（simulation）基于实验或训练为目的，将原本的系统、事务或流程，建立一个模型以表征其关键特性或者行为/功能的方法。（5）监控（monitor）一种向人员和控制程序提供自动性能监督和过程状态报警的方法b。（6）增强现实（augmented reality）真实环境的交互体验，其中驻留在真实环境中的对象通过计算机生成的感知信息进行增强。（7）虚拟现实（virtual reality）一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。（二）相关概念1.数字孪生生态系统数字孪生生态系统由基础支撑层、数据互动层、模型构建与仿真分析层、共性应用层和行业应用层组成。其中基础支撑层由具体的设备组成，包括工业设备、城市建筑设备、交通工具、医疗设备组成。数据互动层包括数据采集、数据传输和数据处理等内容。模型构建与仿真分析层包括a IEC 62059-31-1，Electricity metering equipment-Dependability-Accelerated reliability testing-Elevated temperature and humidityb IEC 62270，Guide for computer-based control for hydroelectric power plant automation（2013-09）数字孪生应用白皮书14数据建模、数据仿真和控制。共性应用层包括描述、诊断、预测、决策四个方面。行业应用层则包括智能制造、智慧城市在内的多方面应用。2.数字孪生生命周期过程数字孪生中虚拟实体的生命周期包括起始、设计和开发、验证与确认、部署、操作与监控、重新评估和退役，物理实体的生命周期包括验证与确认、部署、操作与监控、重新评估和回收利用。值得指出的是，一是虚拟实体在全生命周期过程中与物理实体的相互作用是持续的，在虚拟实体与物理实体共存的阶段，两者应保持相互关联并相互作用。二是虚拟实体区别于物理实体的生命周期过程中，存在迭代的过程。虚拟实体在验证与确认、部署、操作与监控、重新评估等环节发生的变化，可以迭代反馈至设计和开发环节。智能制造智慧健康智慧城市智慧建筑智慧能源行业应用层描述诊断预测决策共性应用层基础支撑层工业设备机床泵仪器仪表注塑机城市建筑路灯公共设施电梯交通工具汽车航空航天高铁动车医疗设备智能可穿戴设备模型构建层与仿真分析层建模（VR/AR/3D/CAD）仿真（CAE/BIM）控制数据集成数据治理数据建模处理传输 4G/5G/GPRS/Ethernet/NB-loTRS-485/M-Bus/HPLC/LoRa/RF采集数据互动层PLC/CNC/DNCSCADA仪器仪表传感器ZigBeeVR/AR/MR云计算、人工智能大数据物联网边缘计算5GAPI图 3数字孪生生态系统二、数字孪生相关概念及内涵153.数字孪生功能视角从数字孪生功能视角，可以看到数字孪生应用需要在基础设施的支撑下实现。物理世界中产品、服务或过程数据也会同步至虚拟世界中，虚拟世界中的模型和数据会和过程应用进行交互。向过程应用输入激励和物理世界信息，可以得到包括优化、预测、仿真、监控、分析等功能的输出。图 4数字孪生生命周期过程图 5数字孪生功能视角相互作用迭代虚拟实体物理实体起始设计和开发起始设计和开发验证与确认部署操作与监控重新评估退役验证与确认部署操作与监控重新评估回收利用（物理世界）产品、服务或 过程数据（同步）输入数据：-激励-信息输出：-优化，预测，仿真，监控，分析，虚拟/增强现实数字孪生应用基础设施过程应用数字孪生虚拟世界模型数据16三、数字孪生应用发展综述（一）应用需求方向1.促进数字经济与实体经济融合，加快产业升级习近平总书记强调指出，在创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念指引下，中国高度重视发展数字经济。当前，以新一代信息技术为代表的新兴技术突飞猛进，加速推动着经济社会各领域的发展变革。在推动形成以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局背景下，数字经济在推动经济发展、提高劳动生产率、培育新市场和产业新增长点、实现包容性增长和可持续增长等诸多方面，都发挥着重要作用。党的十九大报告指出，我国经济已经由高速增长阶段转向高质量发展阶段。我们正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期，这为数字经济与实体经济融合发展带来了重大机遇。而数字孪生作为一项关键技术和提高效能的重要工具，可以有效发挥其在模型设计、数据采集、分析预测、模拟仿真等方面的作用，助力推进数字产业化、产业数字化，促进数字经济与实体经济融合发展。产业发展中的转型升级，不仅是技术问题，也不仅是管理问题；不只是商业交换问题，也不仅是商业模式问题，而是一种新的价值模式的问题，是要重新定义一个价值体系和产业结构。数字孪生系统和智能供应链不是从技术层面，更多的是从为企业创造价值，为企业转型，为企业找到新的价值模式层面，发挥现实作用。2.贯通工业生产信息孤岛，释放数据价值当前工业生产已经发展到高度自动化与信息化阶段，在生产过程中三、数字孪生应用发展综述17产生大量信息。但由于信息的多源异构、异地分散特征易形成信息孤岛，在工业生产中没有发挥出应有价值。而数字孪生为工业产生的物理对象创建了虚拟空间，并将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中。工业人员通过在虚拟空间中模拟、分析、生产预测，能够仿真复杂的制造工艺，实现产品设计，制造和智能服务等闭环优化。数字孪生是未来数字化企业发展的关键技术，例如可应用于以下的常见工业领域：工业产品设计工业产品设计过程中，在没有数字化帮助下，设计产品要经历很多次迭代，非常耗费资源并影响交付工期。在高度集成化的工业生产线设计中，需要基于精准的节拍对各设备、物料、质检、人工装配等环节进行优化协调，以提升整体效率。在传统规划过程只能依造人工模拟或者在真实产线中进行验证。因此工业产品设计，以及工业产线设计过程中，可以在虚拟的三维数字孪生空间中进行部件修改调整，产品尺寸装配等，以及在虚拟产线中进行设计优化、问题诊断内容，从而大幅降低产品验证工作和装配可行性，大幅减少迭代过程中设备的制造工作量、工期及成本。工业产品生产在当前高度信息化和集成化的工业生产模式，生产线发生意外故障时，很容易致使全产线停机停产，例如高度精细化的汽车生产线，会造成每天数百万级的损失。对于一些特殊工艺生产线，比如高温高压下的化工生产线，甚至面临严重的安全风险和衍生灾害。因此工业生产过程中需要基于大量数据，在虚拟数字空间中进行例如设备诊断、化学类生产过程的模拟，以及对当前设备状态和生产工艺下结果的仿真预测等，从而防止现场故障、生产异常产生出严重后果。数字孪生应用白皮书183.统筹协调系统内外部变化，实现资源能源优化配置目前，在数字孪生制造系统已经成为了制造业的研究热点，实现不同产品生产过程的资源能源优化成为当前的迫切需求。数字孪生制造系统与传统制造系统相比，具有生产要素多样、动态生产路径配置、人/机/物自主通讯、自组织和数据支撑的决策等特点。实现资源能源优化需要制造系统各部件具有自主智能并能通过群体协商寻求全系统稳定配置参数并保持各自部件利益最大化，动态决策系统还需要系统对外部环境变化及内部故障进行实时重分配与平衡。生产系统是根据内部条件和外部环境的变化，对其内部实行新的组合，从而使生产系统自身结构和功能不断创新的演进过程。在面对个性化定制生产中出现的生产要素多样、资源配置复杂问题，研究如何进行生产过程中资源能源的组织行为和组织形态动态变迁的有序化处理，实现生产资源能源的优化配置。一个开放的系统，在平衡状态的条件下可以由无序到有序的方向发展，有序的组织通过一个“自组织”实现从低级到高级的发展，这其中需要能量消耗。也就是说系统通过正反馈与外界交互物质和能量达到有序状态的不断增加，当超越某一临界值时，便达到了更高一级的阶段，这一阶段就是耗散结构。延伸到生产系统当中，如图所示，面对个性化生产，生产系统中的资源在不同订单的输入下是混沌状态或者是无序状态。通过耗散结构理论，输出的状态是不同订单具有不同的设备应用以及设备之间的有序排列。在数字孪生制造系统资源能源优化中，系统的复杂性程度越大，制造过程的不确定性越大，制造系统的资源能源优化困难程度增大。数字孪生制造系统中资源能源利用耗散理论进行优化配置：首先将混乱无序的生产资源进行机器间关联，然后根据算法将关联设备按订单需求进行串联，三、数字孪生应用发展综述19形成有序化排列，利用优化仿真进行生产预测，构建出资源分配与生产效益之间的定性映射关系数学模型。最终形成有序化资源能源配置。数字孪生与传统的仿真技术都具有资源优化的能力。但是传统的仿真技术通常只是物理实体在数字空间单向和静态的映射，主要用于提升产品设计的效率，降低物理测试成本。相比于仿真技术，在物联网、人工智能、大数据分析等新兴技术的加持下，数字孪生对于资源优化有着更深远的帮助：双向：数字孪生是对真实物理产品、设备或过程的动态和持续更新的表示。数字孪生能够理解、预测产品、设备或过程，乃至能对物理产品实施控制、改变产品的状态让很多原来由于物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而无法完成的操作变得触手可及，从而实现对于产品、设备或过程的相关要素资源的优化，并进一步激发数字化创新。持续：数字孪生和物理产品之间的互动是不间断的，贯穿产品的全生命周期。在一定的程度上用来可以直接描述它对应实体对象的状态，确图 6资源能源优化配置M1M3M2M7M8M5M4M6M3M1M6M4M5M7M6M1M5M4M8M7M2M3M8M2P1P2不同订单资源配置需求P：产品M：资源资源有序化散乱资源耗散结构理论方法输入输出处理数字孪生应用白皮书20保我们对实体对象状态的可见。更重要的是帮助我们更深入地辨认发生的事件（如质量、故障），理解其原因，并能对未来可能发生的事件提供预测，从而降低企业进行产品创新、模式创新中的成本、时间及风险，并且持续地推动产品优化，改善客户体验，极大地驱动了企业创新行为。开放：通过数字孪生收集到的海量数据，单靠企业自身的力量来分析和挖掘其中的价值是不够的，企业需要将数据对第三方开放，借助外部合作伙伴的力量充分挖掘数字孪生的价值。互联：数字孪生的意义不仅如此，还包括价值链上下游企业间的数据集成以及价值链端到端集成，本质是全价值链的协同。产品数字孪生作为全价值链的数据中心，其目标是实现全价值链的协同，因此不仅是要实现上下游企业间的数据集成和数据共享，也要实现上下游企业间的产品协同开发、协同制造和协同运维等。4.实现全要素数字化，推动新型智慧城市建设中国的人口增长率尽管在新世纪呈现逐年下滑趋势，但受到人口基数和明显加快的城市化水平的影响，中国的人口在 2019 年已经升至 14亿人口增长。人口的急剧增加与都市化发展带来的交通拥堵、治安恶化、大气污染、噪音污染等多种“城市病”正严重影响着我们的生活。城市过大，在短时间过多人口集中到城市，不可避免地产生大批失业、交通拥堵、犯罪增加、环境恶化、淡水和能源等资源供应紧张等现实问题。以及由上述问题引起的城市人群易患的身心疾病，这些问题和矛盾又在一定程度上制约了城市的发展，加剧了城市政府的负担，使城市政府陷入了两难困境。智慧城市建设发展已近十年，至今却无一个城市自我标榜已建成了智慧城市。事实上，智慧城市面临技术和非技术两大瓶颈难以突破，可谓举步维艰。所谓技术瓶颈，是指基于云计算和互联网的聚合式的模式创新比较成功，而基于物联网、大数据、人工智能、区块链、量子通信等技术三、数字孪生应用发展综述21的原始创新极度缺乏，未出现杀手级应用，各功能模块有机融合的 ONE ICT 架构未能实现，造成创新只停留在表面，城市运行和治理的水平有量的提升，但没有质的改变。所谓非技术瓶颈，表现在智慧城市建设所需的庞大资金问题一直没有找到解决之道，政府和市场边界不好划分，工程周期长投入大充满变数，企业盈利和资本回报前景模糊，观望踯躅之下，推进效果可想而知。此外，彰显智慧所必须的资源共享与业务协同机制也一直没有建立起来，信息打通仍困难，协同共治难实现。两大瓶颈悬而未决导致智慧城市疲态尽显停滞不前，现有的建设发展模式亟待突破。数字孪生城市通过对物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局。物理世界的动态，通过传感器精准、实时地反馈到数字世界。数字化、网络化实现由实入虚，网络化智能化实现由虚入实，通过虚实互动，持续迭代，实现物理世界的最佳有序运行。数字孪生城市将推动新型智慧城市建设，在信息空间上构建的城市虚拟映像叠加在城市物理空间上，将极大地改变城市面貌，重塑城市基础设施，形成虚实结合、孪生互动的城市发展新形态；借助更泛在、普惠的感知，更快速的网络，更智能的计算，一种更加智慧化的新型城市将得以创建。数字孪生城市不仅赋予了城市政府全局规划和实时治理能力，更带给所有市民能感受到的品质生活体验。提升城市规划质量和水平：数字孪生城市执行快速的“假设”分析和虚拟规划，可迅速摸清城市“家底”，把握城市运行脉搏；在规划前期和建设早期了解城市特性、评估规划影响，避免在不切实际的规划设计上浪费时间，防止在验证阶段重新进行设计，以更少的成本、更快的速度，数字孪生应用白皮书22推动创新技术支撑智慧城市顶层设计落地。推动以人为核心的城市设计：实现智慧城市建设协同创新。数字孪生城市关注城乡居民出行轨迹、收入水准、家庭结构、日常消费等，对相关数据进行动态监测，并纳入模型，实现协同计算。同时，通过在信息空间上预测人口结构和迁徙轨迹、推演未来的设施布局、评估商业项目影响等。优化智慧城市建设并评估其成效，辅助政府在信息化、智慧化建设中的科学决策，避免走弯路或重复、低效建设。节省市民出行时间总成本：第一时间感知路况、事故报警、拥堵分流。为市民消除设备安全隐患，通过全城治安事件实时监测为市民带来关怀与安全感。营造更加文明的社会风气：对于