數(shù)字孿生全景分析

數(shù)字孿生技術(shù)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(fēng)險預(yù)測、決策輔助、系統(tǒng)優(yōu)化等諸多應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)、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(fù)制品，這些復(fù)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(guān)注。隨后，在2017年，高德納將其列為十大戰(zhàn)略技術(shù)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(guān)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(shù)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(chǔ)材料、設(shè)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(shè)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(xué)習(xí)（ML）等技術(shù)，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(fù)雜處理與異常分析，并預(yù)測潛在風(fēng)險，合理有效地規(guī)劃或?qū)ο嚓P(guān)設(shè)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(yù)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(shè)備的最新狀態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(guān)變量。“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備”指的是安裝在系統(tǒng)上的物理設(shè)備，該設(shè)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(guān)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(chǔ)。

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(chǔ)，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(shù)和機器學(xué)習(xí)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(yù)測系統(tǒng)性能和優(yōu)化操作至關(guān)重要。

03決策行動

最后，在完成所有分析后，會通過網(wǎng)絡(luò)或移動平臺向物理系統(tǒng)的相關(guān)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(guān)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(fù)雜得多。

圖 / 數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

三、核心技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)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(shù)的融合構(gòu)成了數(shù)字孿生的核心技術(shù)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(luò)成為必不可少的底層技術(shù)支持，保證數(shù)據(jù)流通、實時交互。

圖 /數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

01建模技術(shù)

●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(shè)計（CAD）軟件根據(jù)設(shè)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(shù)，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(shù)

●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(fù)雜大場景進行分布式渲染。

03仿真技術(shù)

●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(yīng)。

●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(shù)

●數(shù)據(jù)采集與傳輸：通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集物理實體的數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(yīng)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(chǔ)支撐”、“數(shù)據(jù)互動”、“模型構(gòu)建”、“仿真分析”、“共性應(yīng)用”、“行業(yè)應(yīng)用”6 大核心模塊，對應(yīng)從設(shè)備、數(shù)據(jù)到行業(yè)應(yīng)用的全生命周期。國內(nèi)外主要廠商主要有建模業(yè)務(wù)、仿真業(yè)務(wù)、平臺業(yè)務(wù)、行業(yè)服務(wù)業(yè)務(wù)四大類。

圖 / 數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈全景圖

01上游：基礎(chǔ)技術(shù)與數(shù)據(jù)采集

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

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

圖 / 數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈剖析-基礎(chǔ)層

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

●代表企業(yè)：

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

國外：思科（網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)：涉及數(shù)據(jù)傳輸與存儲的技術(shù)和服務(wù)，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(wù)）

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(wù)）、?？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(shù)進行數(shù)據(jù)處理與分析，建立預(yù)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(wù)）

03下游：應(yīng)用與解決方案

●行業(yè)應(yīng)用：數(shù)字孿生技術(shù)在具體行業(yè)的應(yīng)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(wù)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(wù)。

●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(shù)已成為推動工業(yè)和商業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)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(guān)技術(shù)提供商與解決方案集成商。其中，技術(shù)提供商包括可視化廠商、BIM、GIS、CIMI以及CAD/CAE仿真建模等技術(shù)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(wù)，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?、軟通動力等垂直領(lǐng)域綜合智慧平臺廠商。

各領(lǐng)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(shù)基礎(chǔ)， 開發(fā)了如 Predix、COMOS Platform 和 ThingWorx 等綜合性平臺，正在定義這一領(lǐng)域的未來。

制表：制造前沿

在中國，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展正吸引越來越多企業(yè)的關(guān)注與投入。眾多解決方案供應(yīng)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(yīng)用場景或行業(yè)中提供創(chuàng)新的數(shù)字孿生服務(wù)。

制表：制造前沿

六、應(yīng)用場景

數(shù)字孿生應(yīng)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(shù)發(fā)展與工程應(yīng)用起源于工業(yè)制造領(lǐng)域，在工業(yè)產(chǎn)品的概念設(shè)計、詳細設(shè)計、加工設(shè)計、運維服務(wù)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(dǎo)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(shù)通過整合物理真實空間與虛擬空間各流程各業(yè)務(wù)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(wù)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(yīng)用于航空航天、電力、船舶、離散制造等行業(yè)領(lǐng)域。

●設(shè)備運維：實時監(jiān)控生產(chǎn)線狀態(tài)，預(yù)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(lǐng)域的應(yīng)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(shè)，并且將加快數(shù)字化中國的建設(shè)。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(yù)測和決策控制，用于實體城市的規(guī)劃、建設(shè)、 治理和優(yōu)化等全生命周期管理，應(yīng)用于交通管理、零碳智慧園區(qū)和應(yīng)急管理等領(lǐng)域，提高城市運行效率。

圖 / 數(shù)字孿生在城市領(lǐng)域應(yīng)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(lǐng)域，數(shù)字孿生可以模擬飛行器的運行狀態(tài)，進行故障預(yù)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(shù)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(shù)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(shù)方案可行性等。  

07智慧物流

通過數(shù)字孿生技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)之一。

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