數字孿生助力制造領域數字化轉型發展

劉 秀，趙東興，陳 定

（1.中核戰略規劃研究總院戰略研究所，北京 100048；2.北京無線電測量研究所，北京 100854）

1 概念內涵

數字孿生最早的概念模型由當時的PLM咨詢顧問Michael Griewes博士于2002年在美國工程協會管理論壇上提出。從2009年美國空軍實驗室首次提出“機身數字孿生”概念至今，學術界和工業界對數字孿生的定義達到幾十種，大部分工業巨頭、咨詢機構和IT廠商都結合自身業務提出了數字孿生定義或相關解決方案。

NASA在2010年提出，數字孿生是一個集成了多物理場、多尺寸和概率仿真的數字飛行器（或系統），它可以通過逼真物理模型、實時傳感器和服役歷史來反映真實飛行器的實際狀況。2013年，美國空軍提出，數字孿生是系統的虛擬表達，作為實際運行的單個系統實例在整個生命周期中應用的數據、模型和分析工具的集成系統。此外，德勤、西門子、GE、IBM等公司和智庫機構也對數字孿生作出了相關解釋和定義。2019年ISO面向制造的數字孿生系統框架標準草案給出了更普適的定義，即數字孿生是現實事物（或過程）具有特定目的數字化表達，并通過適當頻率的同步使物理實例與數字實例之間趨向一致。

綜合而言，數字孿生是以數字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態呈現。從根本上講，仿真是數字孿生實現的基礎，利用仿真技術可以在虛擬世界中建立物理系統的映射，以展示產品的性能或制造過程，模擬物理實體的全生命周期。數字孿生代表了最新的仿真技術，數字孿生的實現對仿真行業提出了更高的要求。

美國咨詢公司德勤2021制造業四大趨勢預測中提出，數字孿生將成為技術重點。此前，2017—2019年，數字孿生技術連續三年入選Gartner十大戰略技術趨勢。數字孿生技術被認為將成為第四次工業革命的關鍵技術，將貫穿城市化、全球化和工業化的各個方面，并逐步成為數字化轉型和信息化發展的重要方向。數字孿生應用示例如圖1所示。

圖1 數字孿生應用示例

2 國外制造領域數字孿生技術應用現狀

數字孿生技術在基礎設施建設、產品制造、運維服務等領域具有廣闊的應用前景，世界主要國家大力推進數字孿生技術在制造領域的應用和推廣，并取得了重大突破。

2.1 優化產品研發設計過程，提高研發效率

美國海軍、洛馬公司等企業推動數字孿生技術在產品設計中的應用，完成重要部件數字孿生體的構建，在制造前進行虛擬測試，以提高效率并降低制造風險。2020-10，美太空軍計劃采用數字孿生方法開發衛星，軍事采辦方與承包商將在虛擬云網絡中合作，將每件設備建立數字模型，用于整個研發生命周期，以提升開發效率。2020-09，法國EDF集團、法馬通公司、法國替代能源和原子能委員會以及來自學術界核法國核能部門的機構，啟動了數字反應堆結構項目，將為法國所有核反應堆機組建立數字孿生體，通過數字技術創新研究方法，為新一代操作人員提供訓練和研究模型。2019-12，俄羅斯聯合發動機公司（UEC）旗下子公司克里莫夫公司完成TV7-117ST-01發動機數字孿生項目第一階段，在該框架內，發動機的虛擬測試臺被集成到專家系統中。基于該技術，未來可將發動機單個零件質量最低減少50%，同時保證了強度和耐用性。

2.2 改進產品生產制造流程，提升質量管控

數字孿生技術通過與工業互聯網、物聯網等發生多級互聯，與人工智能、機器學習、高性能計算等信息技術進行協同，在復雜動態空間的多源異構數據采集、產品生產監督和質量管理等方面均發揮了重要作用。2021-03，美國報道其海上系統司令部利用數字孿生技術優化四家國有造船廠的廠區配置方案，提高生產效率。數字孿生技術作為基礎設施優化計劃（SIOP）的第一步，珍珠港海軍造船廠已于2020年底完成數字孿生搭建，普吉特灣海軍造船廠現已建立基準模型。該項目將使工程師借助建模和仿真，為船廠確定理想的廠區配置方案、更換老化的固定設備、重塑作業流程等。

2.3 提供服務狀態實時反饋，支撐性能改進

數字孿生技術可在產品狀態跟蹤監控、故障預警和定位分析等方面提供支持。比較典型的代表有波音公司與美國空軍合作構建的F-15C戰斗機機體的數字孿生模型，可用于管理機體殘余應力、幾何結構、有效載荷、材料微結構等，進而預測結構組件的使用壽命，據此調整結構組件檢修、替換周期。2019-01，德國漢莎技術公司已實時監控飛機飛行各階段發動機運行數據為基礎，利用數字孿生技術，開展了發動機性能監控和預測性維護，顯著提高了產品運行的可靠性，可有效避免飛行事故的發生。

2.4 升級數字化演示與驗證，降低研制成本

美軍在國防領域不斷推進數字化建設，強調利用武器、傳感器和分析工具的網絡綜合優勢對部隊進行改革。2021-03，美空軍實驗室宣布“金帳汗國”項目將開發的“羅馬競技場”數字孿生武器生態系統，可用于指導、優化、減少物理試驗，降低裝備研制成本，提升裝備戰技指標，用于驗證完善新興作戰概念，塑造未來作戰樣式。美國海軍項目執行辦公室綜合作戰系統部門已制定了“宙斯盾”作戰系統數字孿生計劃，將其數字孿生系統充當虛擬試驗臺。2019-06，美國利用數字孿生技術，針對導彈驅逐艦（DDG 116）構建了衍生“虛擬宙斯盾”系統，演示了“標準”-2導彈攔截目標的能力。

3 分析與啟示

數字孿生作為一項新興前沿科技，對制造領域發展的顛覆性影響正在逐步顯現。面對當前形勢，應進一步加強整體規劃布局，突破關鍵技術，推進數字孿生技術的深入應用。

3.1 數字孿生技術將加速制造領域數字化轉型

隨著云計算、大數據、物聯網、AI人工智能等新一代工業與信息技術的不斷發展，數字化轉型成為世界主要國家推動創新進程的有效途徑。數字孿生作為一種重要技術，為實現數字化轉型提供了有力支撐。美國國防部大力推進以數字孿生為核心元素的數字工程戰略，旨在通過數字化轉型奪得技術優勢，占領戰略制高點。應加強頂層規劃及戰略的制定，建立數字化轉型路線圖，合理布局數字孿生在技術、標準、規范、配套等各個方面的發展結構，推動制造領域的信息化建設和發展。

3.2 數字孿生技術將促進產品制造智能化發展

數字孿生的出現和發展將對產品制造過程的智能化和產品本身的智能化有著巨大的推動作用。通過數字孿生技術構建出產品的數字模型，借助其與外界的數據交互，模擬出產品在各種現實環境下的狀態和功能，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，就能為產品在全壽命周期的各個環節提供最佳方案，從而為產品的使用、維護人員提供實時可靠的信息支持。應加強系統工程建設，強化技術轉化機制，加速數字孿生的產業化進程，以推動產品制造的智能化發展。

3.3 數字孿生技術將推動先進仿真技術的發展

仿真是數字孿生的基礎，數字孿生依賴于多樣的仿真手段而實現，代表了最新的仿真技術。數字孿生在產品制造領域的應用將進一步推動仿真技術的發展。美、俄、歐等主要國家和地區前期在仿真技術領域進行了大量的探索，部分項目成果已應用于裝備研發制造。為應對新環境下的發展需求，應不斷強化數字孿生基礎技術的研發和集成工作，加快關鍵技術攻關，支撐相關項目的立項和實施，加速數字孿生技術的推廣應用，對加速制造業信息化轉型和支撐國防建設具有重要意義。