數(shù)字孿生全景分析

數(shù)字孿生技術打通了物理世界與數(shù)字世界的隔閡，實現(xiàn)了物理信息系統(tǒng)中的虛實融合，在智能制造、智能建造、智慧醫(yī)療、智慧城市等垂直行業(yè)廣泛拓展，產(chǎn)生了智能運維、虛擬調(diào)試、異常診斷、風險預測、決策輔助、系統(tǒng)優(yōu)化等諸多應用價值，已成為助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、提高生產(chǎn)效率、促進數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要抓手。

『制造前沿』本文詳細梳理數(shù)字孿生的定義、發(fā)展歷程、關鍵技術、系統(tǒng)架構(gòu)、產(chǎn)業(yè)鏈圖譜、頭部玩家、行業(yè)場景等，了解數(shù)字孿生，讀這一篇就夠了！

一、定義與發(fā)展歷程

數(shù)字孿生的概念起源可以追溯至20世紀60年代，當時美國國家航空航天局(NASA)首次在其阿波羅計劃中引入了“孿生”概念。這一概念涉及在地球上創(chuàng)建物理復制品，這些復制品能夠精確匹配它們在太空中的系統(tǒng)。這使得他們能夠模擬各種場景，測試不同的情況和條件，并評估其系統(tǒng)的行為和性能。然而，這一概念直到21世紀初邁克爾·格里夫斯在制造業(yè)中引入數(shù)字孿生的概念后才真正獲得廣泛關注。隨后，在2017年，高德納將其列為十大戰(zhàn)略技術趨勢之一，許多行業(yè)巨頭采納了這一概念，從而獲得了更多的關注和重視。

圖 / 數(shù)字孿生發(fā)展歷程

來源：艾瑞咨詢

“工業(yè)4.0”術語編寫組對數(shù)字孿生的定義是：利用先進建模和仿真工具構(gòu)建的，覆蓋產(chǎn)品全生命周期與價值鏈，從基礎材料、設計、工藝、制造及使用維護全部環(huán)節(jié)，集成并驅(qū)動以統(tǒng)一的模型為核心的產(chǎn)品設計、制造和保障的數(shù)字化數(shù)據(jù)流。通過分析這些概念可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字紐帶為產(chǎn)品數(shù)字孿生體提供訪問、整合和轉(zhuǎn)換能力，其目標是貫通產(chǎn)品全生命周期和價值鏈，實現(xiàn)全面追溯、雙向共享/交互信息、價值鏈協(xié)同。

圖 / 智能制造專家張曙教授理解并形成的數(shù)字孿生概

念框架

通俗來講，數(shù)字孿生是指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段構(gòu)建一個在數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。從更加專業(yè)的角度來說，數(shù)字孿生集成了人工智能（AI）和機器學習（ML）等技術，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起，建立模擬，即物理對象的虛擬映射，在問題發(fā)生之前先發(fā)現(xiàn)問題，監(jiān)控物理對象在虛擬模型中的變化，診斷基于人工智能的多維數(shù)據(jù)復雜處理與異常分析，并預測潛在風險，合理有效地規(guī)劃或?qū)ο嚓P設備進行維護。

圖 / 數(shù)字孿生的定義與原理

來源：頭豹研究院

通過上述定義可見數(shù)字孿生核心目標是模擬、監(jiān)控、預測和優(yōu)化物理世界行為，形成"分析-反饋-決策"的持續(xù)迭代。

二、工作流程

01數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)字孿生典型的工作流程第一步是通過使用各種傳感器（如定期發(fā)送其連接設備的最新狀態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)設備）來收集物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息，如溫度、壓力和其他相關變量?！肮I(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備”指的是安裝在系統(tǒng)上的物理設備，該設備與互聯(lián)網(wǎng)相連，并具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能力。數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵在于實時性和安全性。

高精度傳感器數(shù)據(jù)的采集和快速傳輸是整個數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎。

一旦數(shù)據(jù)被收集和傳輸，它們會在系統(tǒng)內(nèi)部進行詳細的標記和管理，形成一個結(jié)構(gòu)化的底層數(shù)據(jù)池。這個數(shù)據(jù)池是數(shù)字孿生體建模和仿真的基礎，允許系統(tǒng)創(chuàng)建一個與物理世界幾乎一致的數(shù)字模型。

02分析與模擬

下一步是從迄今收集的原始數(shù)據(jù)中生成有意義的信息。

數(shù)字孿生利用先進的仿真技術和機器學習算法開展算法模擬和可視化程序，進而分析數(shù)據(jù)、提供洞見，建立物理實體和流程的準實時數(shù)字化模型。這種模擬和分析能力對于診斷問題、預測系統(tǒng)性能和優(yōu)化操作至關重要。

03決策行動

最后，在完成所有分析后，會通過網(wǎng)絡或移動平臺向物理系統(tǒng)的相關界面發(fā)送反饋，從而使用戶能夠?qū)崟r看到物理系統(tǒng)的更新情況，并獲悉分析結(jié)果，其中可能包括關于即將出現(xiàn)的異常情況的警告、對系統(tǒng)未來發(fā)展的建議，或者就特定情況下的處理方式提供建議。從而完成了物理世界與數(shù)字孿生之間閉環(huán)連接的最后一環(huán)。

當然，在實際操作中，流程(或物理實體)及其數(shù)字虛擬鏡像明顯比簡單的模型或結(jié)構(gòu)要復雜得多。

圖 / 數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

三、核心技術

數(shù)字孿生技術的核心在于將物理世界的數(shù)據(jù)引入數(shù)據(jù)層，通過構(gòu)建一個精確的數(shù)字模型，即數(shù)字孿生體，以模擬和分析現(xiàn)實世界實體的全生命周期。

建模、渲染、仿真和物聯(lián)網(wǎng)技術的融合構(gòu)成了數(shù)字孿生的核心技術框架。分別負責構(gòu)建模型，讓模型更貼近現(xiàn)實，讓模型適用現(xiàn)實世界物理法則。除此， 數(shù)字孿生體需要和物理實體保持全生命周期狀態(tài)的同步更新，要求數(shù)據(jù)實時同步，因此大數(shù)據(jù)、云計算以及網(wǎng)絡成為必不可少的底層技術支持，保證數(shù)據(jù)流通、實時交互。

圖 /數(shù)字孿生關鍵技術

01建模技術

●3D 掃描：利用 3D 掃描儀獲取物體表面的點云數(shù)據(jù)，通過點云處理軟件進行數(shù)據(jù)處理和三角網(wǎng)格重建，生成高精度的 3D 模型。

●參數(shù)化建模：使用計算機輔助設計（CAD）軟件根據(jù)設計參數(shù)直接構(gòu)建數(shù)字模型，實現(xiàn)精確的幾何形狀和尺寸控制。

●逆向工程：結(jié)合 3D 掃描和 CAD 技術，通過掃描獲取實體的形狀數(shù)據(jù)，再在 CAD 軟件中進行曲面重建，生成可編輯的參數(shù)化模型。

02渲染技術

●基于物理的渲染（PBR）：通過模擬光線與物體表面的物理互動，生成高真實感圖像。

●實時渲染：依賴 GPU 的強大計算能力，使用游戲引擎實現(xiàn)毫秒級場景渲染。

●云渲染：利用云端的并行計算能力，對復雜大場景進行分布式渲染。

03仿真技術

●有限元分析（FEA）：將連續(xù)區(qū)域離散為有限個單元，通過求解偏微分方程計算實體在不同條件下的響應。

●實時仿真：通過簡化模型和 GPU 加速等手段，實現(xiàn)實時交互的仿真分析。

04物聯(lián)網(wǎng)技術

●數(shù)據(jù)采集與傳輸：通過傳感器網(wǎng)絡實時采集物理實體的數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)。

05集成平臺

●數(shù)字孿生平臺：提供從數(shù)據(jù)采集、建模、仿真到應用的全流程支持。

四、產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

數(shù)字孿生可劃分為“基礎支撐”、“數(shù)據(jù)互動”、“模型構(gòu)建”、“仿真分析”、“共性應用”、“行業(yè)應用”6 大核心模塊，對應從設備、數(shù)據(jù)到行業(yè)應用的全生命周期。國內(nèi)外主要廠商主要有建模業(yè)務、仿真業(yè)務、平臺業(yè)務、行業(yè)服務業(yè)務四大類。

圖 / 數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈全景圖

01上游：基礎技術與數(shù)據(jù)采集

數(shù)字孿生的本質(zhì)是技術集成，實現(xiàn)數(shù)字孿生需要依賴諸多基礎數(shù)字技術的融合創(chuàng)新，包括物聯(lián)網(wǎng)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)測繪應用、人工智能、視覺算法與5G通信技術的融合創(chuàng)新。

數(shù)字孿生基礎層技術構(gòu)成可分為四大體系，分別包括感知與標識技術、網(wǎng)絡和通信技術、計算與服務技術及管理與支撐技術。

圖 / 數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈剖析-基礎層

●傳感器和設備制造商：提供數(shù)據(jù)采集的基礎硬件，如傳感器、物聯(lián)網(wǎng)設備等。

●代表企業(yè)：

國內(nèi)：華為（5G 通信設備）、大華股份（安防傳感器）、中興通訊（通信設備）

國外：思科（網(wǎng)絡設備）、博世（工業(yè)傳感器）、西門子（工業(yè)自動化）

●數(shù)據(jù)通信與存儲技術：涉及數(shù)據(jù)傳輸與存儲的技術和服務，如 5G 通信、云計算平臺等。

●代表企業(yè)：

國內(nèi)：阿里云（云計算平臺）、騰訊云（云服務）

國外：IBM（云計算）、AWS（云計算）

02中游：數(shù)字孿生平臺與模型開發(fā)

●軟件平臺開發(fā)：提供數(shù)字孿生建模與仿真的軟件平臺。

●代表企業(yè)：

國內(nèi)：阿里云（云計算平臺）、騰訊云（云服務）、?？低暎ㄖ悄芤曨l分析）

國外：GE（Predix 平臺）、IBM（Watson 物聯(lián)網(wǎng)）、PTC（ThingWorx 平臺）

●人工智能與數(shù)據(jù)分析：利用 AI 技術進行數(shù)據(jù)處理與分析，建立預測模型。

●代表企業(yè)：

國內(nèi)：阿里云（AI 算法）、百度云（AI 平臺）

國外：IBM（Watson AI）、Google（AI 服務）

03下游：應用與解決方案

●行業(yè)應用：數(shù)字孿生技術在具體行業(yè)的應用，如智能制造、智慧城市、醫(yī)療健康等。

●代表企業(yè)：

國內(nèi)：京東（智能物流）、美的集團（智能制造）、平安科技（智慧城市）

國外：西門子（工業(yè) 4.0 解決方案）、ABB（工業(yè)自動化）、飛利浦（數(shù)字健康）

●服務與維護：提供數(shù)字孿生系統(tǒng)的定制化開發(fā)、集成與維護服務。

●代表企業(yè)：

國內(nèi)：軟通動力（iSSMeta 平臺）、華龍迅達（木星數(shù)字孿生平臺）

國外：GE（Predix 平臺）、Siemens（Xcelerator 平臺）

五、主要玩家

數(shù)字孿生技術已成為推動工業(yè)和商業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關鍵力量。數(shù)字孿生行業(yè)內(nèi)玩家可以分為兩類，分別為數(shù)字孿生相關技術提供商與解決方案集成商。其中，技術提供商包括可視化廠商、BIM、GIS、CIMI以及CAD/CAE仿真建模等技術廠商；而解決方案廠商主要是為不同行業(yè)客戶提供定制化的物聯(lián)網(wǎng)解決方案和服務，從而幫助廣大客戶實現(xiàn)不同層級的數(shù)字孿生解決方案，代表企業(yè)主要為互聯(lián)網(wǎng)大廠(BAT)、華為等云廠商以及三大運營商、萬?？萍肌④浲▌恿Φ却怪鳖I域綜合智慧平臺廠商。

各領先企業(yè)如 GE Digital、西門子、 PTC、Ansys、達索系統(tǒng)等，憑借其強大的技術基礎， 開發(fā)了如 Predix、COMOS Platform 和 ThingWorx 等綜合性平臺，正在定義這一領域的未來。

制表：制造前沿

在中國，數(shù)字孿生技術的應用與發(fā)展正吸引越來越多企業(yè)的關注與投入。眾多解決方案供應商如美云智數(shù)、華龍迅達、寄云科技、 力控科技、精航偉泰等，均致力于在特定應用場景或行業(yè)中提供創(chuàng)新的數(shù)字孿生服務。

制表：制造前沿

六、應用場景

數(shù)字孿生應用范圍廣泛， 涵蓋了城市規(guī)劃、能源管理、航空航天等多個行業(yè)。

01工業(yè)制造

數(shù)字孿生的技術發(fā)展與工程應用起源于工業(yè)制造領域，在工業(yè)產(chǎn)品的概念設計、詳細設計、加工設計、運維服務和報廢回等全生命周期發(fā)揮著重要作用。工業(yè)數(shù)字化、智能化已經(jīng)解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)車間的各種數(shù)據(jù)信息主要依靠人工記錄、統(tǒng)計、查詢、使用和分析，導致的數(shù)據(jù)質(zhì)量差、使用效率低等難題。但尚未達到實際車間與虛擬車間之間的實時交互和共融。

數(shù)字孿生技術通過整合物理真實空間與虛擬空間各流程各業(yè)務的有效數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)工廠全生產(chǎn)要素在物理工廠、虛擬工廠、工廠服務系統(tǒng)間的迭代運行，最終使物理工廠不斷迭代優(yōu)化，使工廠生產(chǎn)和管控達到最優(yōu)的一種工廠運行新模式。目前，數(shù)字孿生已經(jīng)被廣泛應用于航空航天、電力、船舶、離散制造等行業(yè)領域。

●設備運維：實時監(jiān)控生產(chǎn)線狀態(tài)，預測故障并優(yōu)化維護策略（如西門子工業(yè)數(shù)字孿生）。  

●生產(chǎn)仿真：模擬新工藝參數(shù)，驗證后再投入物理產(chǎn)線，降低試錯成本。

圖 / 數(shù)字孿生在工業(yè)領域的應用  

來源：清華五道口《中國數(shù)字孿生行業(yè)研究報告》

圖 / 數(shù)字孿生賦能工業(yè)實現(xiàn)四大價值

來源：艾瑞咨詢

02智慧城市與基建

《中國十四五遠景規(guī)劃》中明確提出探索數(shù)字孿生城市與城市數(shù)據(jù)大腦的建設，并且將加快數(shù)字化中國的建設。構(gòu)建數(shù)字孿生城市，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的監(jiān)測、診斷、 回溯、預測和決策控制，用于實體城市的規(guī)劃、建設、 治理和優(yōu)化等全生命周期管理，應用于交通管理、零碳智慧園區(qū)和應急管理等領域，提高城市運行效率。

圖 / 數(shù)字孿生在城市領域應用

圖 / 數(shù)字孿生助力智慧園區(qū)往零碳園區(qū)轉(zhuǎn)型

03航空航天

在航空航天領域，數(shù)字孿生可以模擬飛行器的運行狀態(tài)，進行故障預測和維護管理，確保飛行安全。

04能源管理

在能源管理中，數(shù)字孿生可以實時監(jiān) 測和優(yōu)化能源系統(tǒng)的運行，降低能耗，提高能源利用效率。  

05自動駕駛

數(shù)字孿生技術通過將實際測試車輛收集的即時數(shù)據(jù)傳輸至數(shù) 字孿生平臺，驅(qū)動虛擬車輛模型進行動態(tài)數(shù)據(jù)的實時處理與分析。

06醫(yī)療健康

數(shù)字孿生技術可實現(xiàn)監(jiān)測、處理、整合影像信息及電子病歷等醫(yī)用數(shù)據(jù)， 生成患者、醫(yī)院數(shù)字孿生模型，協(xié)助醫(yī)療資源管理優(yōu)化，確定用藥方案、驗證手術方案可行性等。  

07智慧物流

通過數(shù)字孿生技術優(yōu)化物流流程，提高物流效率和降低成本。

數(shù)字孿生已成為賦能千行百業(yè)的關鍵技術之一。

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