2022年数字孪生产业技术白皮书

数字化转型是我国经济社会发展的必由之路。当前，世界正处于百年未有之大变局，数字化是大势所趋，已成为全球发展的热点。作为数字化领域热点之一，数字孪生逐渐成为从工业到产业、从军事到民生各个领域的智慧新代表。在工业界，无论是智能制造还是工业 4.0，这些智能化体系都需要网络化和数字化来支撑。在中国，工业互联网已经支撑起了网络化，而数字孪生即将成为数字化的基石。

数字孪生概述

概念及背景

通俗来讲，数字孪生是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段构建一个在数字世界中一模一样的实体，借此来实现对物理实体的了解、分析和优化。

数字孪生（Digital Twin，简称 DT）这一概念在制造领域的使用，最早可追溯到美国国家航空航天局的阿波罗项目。2002 年 10 月在美国制造工程协会管理论坛上，当时的产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，简称 PLM）咨询顾问 MichaelGrieves 博士提出了数字孪生最早的概念模型。但是，当时“数字孪生”一词还未被正式提出，Grieves 将这一设想称之为“PLM 的概念设想（Conceptual Ideal for PLM）”，如图 1-1 所示。

2009 年，美国空军实验室提出“机身数字孪生（Airframe Digital Twin）”概念，将数字孪生概念应用于航空航天制造领域。2010 年，美国国家航空航天局在《建模、仿真、信息技术和处理》和《材料、结构、机械系统和制造》两份技术路线图中直接使用了“数字孪生”这一名称，并将其定义为“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，Michael Grieves 博士在其所著的《智能制造之虚拟完美模型：驱动创新与精益产品》中正式定义了数字孪生概念，并一直沿用至今。

数字孪生系统参考架构

一个典型的数字孪生系统包括用户域、数字孪生、测量与控制实体、现实产业物理域和跨域功能实体共五个层次，如图 1-2 所示。

数字孪生标准化体系

数字孪生标准体系由数字孪生各项子标准体系组成，数字孪生标准体系结构如图 1-3 所示。

数字孪生基础共性标准

数字孪生基础共性标准主要规范数字孪生的基础性和通用性标准，相关标准及主要内容如图 1-4 所示。

数字孪生关键技术标准

数字孪生关键技术标准用于规范数字孪生实施过程中涉及的关键技术要求，如图 1-5 所示。

产业发展概述

数字孪生是近年来兴起的非常前沿的新技术，或者说最近几年才走入民用领域的一项技术。对数字孪生的简单理解就是利用物理模型并使用传感器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的全生命周期过程；数字孪生技术可以理解为通过传感器或者其他形式的监测技术，将物理实体空间借助于计算机技术手段镜像到虚拟世界的一项技术。可以说，在未来，物理世界中的各种事物都将可以使用数字孪生技术进行复制。在工业领域，通过数字孪生技术的使用，将大幅推动产品在设计、生产、维护及维修等环节的变革。在对数字孪生技术研究探索的基础上，可以预见其即将在以下几大领域中落地，并将推动这些产业更快、更有效地发展，如五维模型在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市、智能家居、智能物流、建筑、远程监测、人体健康管理领域中产生巨大影响与改变。

典型应用领域：数字孪生城市

数字孪生城市技术架构

为实现城市数字孪生，首先需对物理空间以及社会空间中的物理实体对象、事件对象以及关系对象进行数字空间的虚拟表达以及映射。在此基础上，依托信息基础设施实现数据的汇聚、传输以及处理，形成数据资源，在通用服务能力的支撑下进一步融合数字孪生技术，形成能够对外提供的数字孪生服务，并通过交互服务实现与上层应用场景的融合。同时，需提供立体化安全管理以及全生命周期的运营管理，保障数字空间各类资产以及服务的安全高效运行。

数字孪生城市典型应用场景

1. 城市规划在城市规划领域，构建总规、控规、专规、城市设计、地下空间设计等全要素、全空间的城市规划模型，依据规划建设容量，以定量与定性方式，基于专题分析、模拟仿真、动态评估、深度学习等方法，对城市虚拟规划和场景仿真模拟，实时动态性监管城市开发和城市生长更新的整体规划实施情况。提出市域城乡统筹发展战略，保证规划建筑、绿地、公路、桥梁、公共设施等每一寸土地时实现综合效益的最优化，推动城市规划有的放矢提前布局。

2. 智慧园区园区作为城市的核心单元，智慧园区建设已成为当今城市规划和社会发展的关注焦点，也是产业园区和社区发展的必然趋势。基于城市数字孪生感知化、互联化、平台化、一体化的手段，实时接入园区IoT 设备、资产、能源、设施及环境等数据，建立基于园区实时运行状况的数字孪生场景，融合园区数字孪生、运用管理、业务管理为一体，实现对园区总体情况、设备运维、物业管理、安全管控、运营服务等全要素、全流程可查、可管、可控、可追溯，打造“安全、智慧、绿色”的园区，提升园区的社会和经济价值，开创智慧园区的立体多维管理新模式，从而实现园区经济可持续发展的目标。

产业未来发展趋势

随着数字孪生技术的发展趋势在未来几年加快，越来越多的企业开始使用数字孪生技术优化流程，实时做出数据库决策，并开始寻找修订新产品、服务和商业模式的机会。在制造业、公用事业、能源等资本密集型产业中，成为数字孪生技术应用的先驱。如果早期的实践者在各个行业领域表现出先发优势的话，其他企业也紧随其后。从长远来看，要实现数字孪生技术的所有潜力，可能需要整合整个生态圈的系统和数据。建立完整的客户生命周期或供应链数字模拟，提供有洞察力的宏观运营观点，包括一线供应商及其自身供应商，但仍需要将外部实体集成到内部数字生态系统中。今天，大多数公司仍然不满意点对点连接以外的外部整合。克服这种犹豫也许是一个长期的挑战，但最终所有的付出都是值得的。将来，企业希望利用块链打破信息孤岛，验证信息并输入数字孪生。这将释放以前无法访问的大量数据，使模拟更加详细、动态化和潜在价值。