数字孪生的概念及应用Word文档格式.docx

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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。

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。

1.2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。

1.3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。

3.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。

二、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

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。

2.贯通工业生产信息孤岛，释放数据价值

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、工业产品生产。

3.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。

4.实现全要素数字化，推动新型智慧城市建设

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。

5.优化城市设计布局，打造科学公共服务体系

如何实现对城市各类数据信息的实时监控，围绕城乡公共设施建设，发展科技、文化、政务、交通、司法等等多方面对城市进行高效管理，是现代城市建设的核心。

6.基于医疗大数据合理分配医疗资源，提升公共健康保障效率

智慧医疗保健是数字孪生智能化应用的重要组成部分。

通过移动监测、移动诊室、无线远程会诊、智慧处方、医疗信息云存储等智能技术手段，可提升城市诊疗覆盖面与效率，促进城市医疗资源的合理化分配。

进一步利用物联网技术构建“电子医疗”服务体系，实现医疗监护设备的小型化、无线化、发展智慧家庭健康保健、智能健康监护，可大幅降低城市公众医疗负担，缓解城市医疗资源紧缺的压力。

（二）数字孪生产业图谱

数字孪生可划分为“基础支撑”、“数据互动”、“模型构建”、“仿真分析”、“共性应用”、“行业应用”6大核心模块，对应从设备、数据到行业应用的全生命周期。

国内外主要厂商主要有建模业务、仿真业务、平台业务、行业服务业务四大类。

（三）应用发展现状

随着物联网的应用更加广泛，各个领域越来越多的企业开始计划数字孪生的部署。

Gartner的研究显示，截至2019年1月底实施物联网的企业中，已有13%的企业实施了数字孪生项目，62%的企业正在实施或者有计划实施。

工业互联网是数字孪生的延伸和应用，而数字孪生则拓展了工业互联网应用层面的可能性。

1.产业生态

与美国、德国相比，数字孪生在中国的研究和受关注相对较晚。

从2016年开始，数字孪生文献发表数量进入快速增长期，直到2019年，数字孪生论文发表数量超过600篇，其中2019年占了近10年发文总数量的50%以上。

目前关注数字研究，并发表过相关报告的机构/作者主要来自学术界、企业界以及政府机构。

2.智能制造领域数字孪生应用

智能制造领域的数字孪生体系框架主要分为六个层级，包括基础支撑层、数据互动层、模型构建层、仿真分析层，功能层和应用层。

典型应用场景介绍：

数字孪生在智能制造领域的主要应用场景有产品研发、设备维护与故障预测以及工艺规划。

3.智慧健康领域数字孪生应用

将数字孪生技术应用在智慧健康中，构建其应用框架如图14所示。

该应用框架主要包含基础支撑层、数据互动层、模型构建层和功能层。

4.智慧城市领域数字孪生应用

数字孪生城市则是数字孪生技术在城市层面的广泛应用，通过构建城市物理世界及网络虚拟空间一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的孪生城市，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新格局。

数字孪生城市既可以理解为实体城市在虚拟空间的映射状态，也可以视为支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系，它支撑并推进城市规划、建设、管理，确保城市安全、有序运行。

数字孪生城市主要有新型基础设施、智能运行中枢、智慧应用体系三大横向的分层：

5.智慧建筑领域数字孪生应用

“数字孪生建筑”是将数字孪生使能技术应用于建筑科技的新技术，简单说就是利用物理建筑模型，使用各种传感器全方位获取数据的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，以反映相对应的实体建筑的全生命周期过程。

数字孪生建筑具有四大特点：

精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。

数字孪生建筑的核心环节在于BIM的应用。

建筑信息模型（BIM）是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具和一种信息建模技术，可以实现建筑设计的三维可视化，BIM技术叠加时间轴形成4D模型，进一步叠加成本信息可构筑5D模型，对建筑进行多维度考量，可贯穿建筑全生命周期中规划、概念设计、细节设计、分析、出图、预制、施工、运营维护、拆除或翻新等所有环节。

具体到BIM软件的核心领域，目前国内厂商占建筑结构设计软件市场优势，建筑信息化模型软件市场仍以国外厂商为主导。

典型应用场景介绍

（四）数字孪生技术体系

数字孪生以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真，目的是了解资产的状态，响应变化，改善业务运营和增加价值。

在万物互联时代此种软件设计模式的重要性尤为突出，为了达到物理实体与数字实体之间的互动，需要经历诸多的过程也需要很多基础的支撑技术做为依托，更需要经历很多阶段的演进才能很好的实现物理实体在数字世界中的塑造。

首先我们需要构建物理实体在数字世界中对应的实体模型，就需要利用知识机理、数字化等技术构建一个数字模型，而且我们对构建的数字模型需要结合行业特性做出评分，是否可以在商业中投入使用；

有了模型还需要利用物联网技术将真实世界中的物理实体元信息采集、传输、同步、增强之后得到我们业务中可以使用的通用数据；

通过这些数据可以仿真分析得到数字世界中的虚拟模型，在此基础之上我们可以利用AR/VR/MR/GIS等技术在数字世界完整复现出来，人们才能更友好的与物理实体交互；

在这个基础之上我们可以结合人工智能、大数据、云计算等技术做数字孪生的描述、诊断、预警/预测及智能决策等共性应用赋能给各垂直行业。

（五）推动条件

1.基础设施政策落实

2018年至今，党中央和国务院多次召开会议明确表示加强新型基础设施建设，重视程度不断强化，相关政策路线图日趋清晰。

自中央首次提出“新型基础设施建设”以来，各级政府对此给予了高度重视。

2020开年，中央政府大力号召部署新型基础设施建设，各省为了更好地响应中央政策，都在加紧落实部署，部分地区还专门出台了分领域相关行动方案和计划。

而新型人工智能城市的建设作为“新基