數字孿生技術與工業互聯網的融合應用場景與路徑研究

張昌福 嚴蕓 楊靈運 楊文峰

工業互聯網是第四次工業革命的重要基礎和關鍵技術支撐，其發展促使新的生產制造模式。數字孿生以物理實體的基本狀態為基礎，應用IT技術動態實時地描述、分析、預測其行為，實現物理空間和賽博空間交互映射。目前，13%已建設物聯網的企業和組織正在應用數字孿生，打算或準備應用數字孿生的企業和組織也達到了62%。隨著工業互聯網的應用推廣，工業互聯網不僅奠定了數字孿生技術應用落地的基礎，是數字孿生迭代優化實現的重要途徑，還擴展了數字孿生的技術應用價值，延伸了數字孿生應用的生命周期，凸顯了數字孿生基于模型、數據等方面的優勢和能力，為數字孿生賦予新的生命力。

隨著工業數字化、智能化應用的落地與推進，工業制造成為了數字孿生的主要戰場，數字孿生在工業領域的深入應用展現了無限的潛力，其具備的互操作性、可擴展性、實時性、保真性、閉環性等特征，給工業企業帶來了顯而意見的效率提升和成本下降，推動著工業互聯網脫“虛”向“實”。

（一） 數字孿生助力IT與OT深度融合

隨著信息技術的不斷發展，OT和IT系統之間的數據量不斷增加，這些數據存在結構多源、種類多樣、異地分散存儲等特征，導致企業數據互通困難，出現信息孤島問題，數據價值沒有得到真正有效的應用。數字孿生技術剛好為IT和OT的融合發展提供了數據和技術的接口，基于物理世界的實體狀態，在數字世界中構建一個“完整分身”，實時動態地與物理實體保持互聯，通過建模、驗證、預測、控制物理實體，不斷將工業系統中的碎片化知識傳輸到工業互聯網中，通過集成接口提供給不同業務目標的應用，加快了IT和OT各要素融合步伐，打破企業存在的邊界，以數據助力企業數字化轉型。

（二） 數字孿生推動工業互聯網閉環發展

數字孿生貫穿在工業設備的整個生命周期中，提升設備從設計到報廢過程的智能化水平。同時數字孿生通過IT應用數據、OT實時和歷史數據，可構建出設施、設備和產品等完整的高寫實虛擬模型，涵蓋產品的全生命周期過程，實現產品設計，制造和智能服務等閉環優化，助力信息技術與制造業融合，推動工業互聯網發展，促進企業數字化轉型。

（三） 數字孿生驅動工業互聯網模式創新

數字孿生、大數據與人工智能等新一代高新技術的發展，豐富了工業互聯網的關鍵技術和應用場景，使工業互聯網更好地為工業企業服務。基于工業互聯網，利用數字孿生在設備維護、產品研發、計劃排產、生產制造、質量管理等業務環節進行模擬，結合大數據、人工智能技術，實現企業各業務環節的驗證、預測、分析，促進企業智能生產；同時通過數據孿生技術、生產數據與機理模型的有效結合，實現生產數據實時交互，推動以數據驅動為核心的“數據+機理”新應用，帶動工業互聯網的模式與應用創新。

（四） 工業互聯網延伸數字孿生生命周期

數字孿生的核心是模型和數據，模型的構建需要專業的知識，工業互聯網平臺通過匯聚不同領域、行業、區域的專業人員，利用平臺進行供需對接、資源整合，實現模型跨區域、跨領域設計與共享，促進工業知識的復用，解決因不具備專業知識帶來的應用數字孿生技術難題。數字孿生的數據來自各種物理實體，物理實體的數據采集、傳輸、交換、存儲都要借助工業互聯網來實現，利用工業互聯網平臺實現企業從邊緣側、生產、管理、經營等數據匯聚，企業可根據實際需求通過平臺構建滿足需求的數字孿生體，使數字孿生在企業生產管理各業務環節中體現，延伸數字孿生生命周期。

數字孿生作為工業互聯網的關鍵DNA，有效解決工業APP碎片化問題，提升工業機理模型研發、應用，目前已在鋼鐵、工程機械、煙草等多個行業得到應用。

（一） 數字孿生推動接入工業互聯網的設備運行管理

一是助力設備監測：基于物理設備狀態、功能、歷史數據，在數字世界進行物理設備的完整復制，實現設備部件運行情況實時監測；二是助力設備診斷：通過對設備運行數據進行采集，結合故障診斷模型、智能分析，可預測設備故障問題趨勢，幫助企業及時發現和排除設備故障，提升設備有效作業率；三是助力設備運維：通過分析數字孿生體內性能參數，預判生產設備及零部件劣化點、劣化時間及劣化趨勢，并給予分析的結果，依據分析結果提前對設備提供維護服務，避免設備非計劃停機帶來損失。

（二） 數字孿生推動企業工業制造流程優化

在產品研發設計階段，利用數字孿生可使工程師在虛擬空間中觀察產品在研發、測試、驗證過程中內外部變化成為可能，提高了設計準確性，縮短了研發周期，降低了研發成本；在產品生產制造階段，通過數字孿生建立生產環境的高寫實模擬版本，構建高可靠虛擬生產線，實現設備診斷、生產過程仿真、數字化產線、關鍵指標監控和過程能力評估，找出最優生產計劃和最優生產方案，降低生產成本和提高交付速度。

（三） 數字孿生助力工業產業協同發展

一是推動網絡化協同制造發展。基于數字孿生技術模擬供應鏈業務及流程，通過實時動態的數據采集、智能分享、上下游聯動，實現數據驅動的供應鏈各環節優化決策和控制支持。二是促進個性化定制。通過建立顧客、需求、產品研發設計、生產和銷售等產品全生命周期的數字孿生體，基于各階段數字模型整合，實現基于用戶個性化的產品準確設計、快速生產、精準營銷，降低了定制成本，實現更敏捷和柔性的商業模式。三是創新服務化延伸。通過數字孿生技術可實現對物理實體的模擬、分析和預測，并利用從物理實體獲取的數據創新應用，催生基于數據驅動的運營、咨詢、互聯網金融等新的商業模式。

（四） 數字孿生保障工業互聯網安全

一是實現工業網絡數字孿生體和攻擊驗證方法，結合數字孿生技術對網絡安全性進行反復的測試、驗證，指導企業調整網絡架構和部署，建立起全局性、按需化的安全防御體系；二是實現工業互聯網安全態勢智能感知，基于數字孿生技術對物理實體的實時連接、實時監控與控制，匯聚安全數據，實現安全態勢的智能預測及威脅分析；三是實現工業互聯網主動防御，通過數字孿生技術對工業互聯網網絡安全攻擊欺騙高仿真模擬，構建具有高交互能力攻擊欺騙網絡的主動防御能力。

工業互聯網平臺是實現數字孿生的孵化載體，數字孿生是工業互聯網平臺的關鍵核心技術及重要場景，通過打造服務資源池和API接口的方式可實現兩者快速融合。

促進基于工業APP的數字孿生資源共享。數字孿生體核心是基于知識經驗沉淀的推理分析，內嵌了機理或者決策模型。由于開發數字孿生體要求開發人員需具備較高的專業領域知識，導致開發難度大。基于工業互聯網平臺，根據研發條件可將工業知識分解為不同顆粒度的知識片段，重新組裝，將數字孿生體通過工業APP形成各種不同的組件或模塊，通過微服務對每個組件進行統一管理，企業可根據自身需求定制滿足實際的功能，實現數字孿生資源共享與使用。

形成數字孿生單一API接口，提供工業應用信息流暢保障。數字孿生模型位于Paas層，以API的形式供上層驗證、診斷與預測、優化與決策、管理等工業應用APP直接調用，通過實時連通和獲取產品研發設計、生產制造、維護管理等全生命周期數據信息，不斷優化完善工業APP功能，不斷反饋，實現基于數字孿生的工業應用信息良性循環應用。

隨著制造業的不斷發展，雖然數字孿生技術還未成為主流，但其具有的高效決策、深度分析等特點，使之成為一項通用使能技術，已成為工業互聯網發展和落地的關鍵技術，有力推動數字產業化和產業數字化進程。據統計，13%已建設物聯網的企業和組織正在應用數字孿生， 62%打算或準備應用數字孿生。主要是制造業、汽車業、建筑業、智慧城市和醫療保健等行業。預計到2022年，通過使用數字孿生技術進行管理、控制的物聯網平臺將達到85%。數字孿生借助工業互聯網使工業知識得到充分應用，隨著我國“新基建”戰略的落地和發展，將加快數字孿生與工業互聯網融合的步伐，加深數字孿生技術與工業互聯網的應用，擴展數字孿生與工業互聯網應用發展的路徑。

作者單位：貴州航天云網科技有限公司