數字孿生：數實融合新未來

隨著新一代信息技術與實體經濟的加速融合，工業數字化、智能化演進趨勢日益明顯，催生了一批制造業數字化轉型新模式、新業態。數字孿生作為重要支撐技術，正在全球范圍內快速發展并得到廣泛應用。

在數字孿生加持的數字工廠內，生產過程的任一環節，都會實時呈現并存儲在數據里。工作人員在電腦屏幕前，就能對一輛車的生產實現全過程監測；車輛生產出來便擁有自己的“電子身份證”，實現全生命周期質量的智能可控、可追溯……在這里，新一代信息技術與制造業深度融合，推動傳統產業走上高質量發展之路。

數字化轉型新基石

根據工信部中國電子技術標準化研究院發布的《數字孿生應用白皮書》，數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。簡言之，數字孿生技術是一種通過創建物理實體的虛擬副本，實現虛擬與實際系統之間實時數據交互與反饋的技術。

數字孿生概念最早可追溯到20世紀60年代。當時，美國國家航空航天局和美國空軍研究實驗室在未來航天器的設計研發過程中，提出并充分運用數字孿生減少實體產品直接模擬產生的大量成本。我國對數字孿生的研究則相對起步較晚，近年來抓住數字技術加速發展的戰略機遇，陸續出臺了一系列相關文件：2020年，將數字孿生寫入“十四五”規劃，作為建設數字中國的重要發展方向；2021年，工信部發布《物聯網新型基礎設施建設三年行動計劃》，再次指出要加快數字孿生技術研發與應用，行業目前正處于快速上升期；工信部等九部門聯合印發的《原材料工業數字化轉型工作方案（2024—2026年）》提出，圍繞數字技術在提升產品合格率、資源綜合利用效率、全員勞動生產率和節能減排水平等方面的融合應用，打造一批“5G+工業互聯網”融合應用成效顯著、實現制造過程數字孿生的數字化轉型標桿工廠。

在發展初期，數字孿生的價值更多被認為是場景重現、展示和描述，而后逐漸占據數字化轉型浪潮中的重要地位。一方面，在政策密集引領下，數字孿生應用潛能加速迸發釋放；另一方面，隨著基礎設施數字化提速，企業數字化需求升級，數字孿生從可視化到可計算、可交互，逐步深入到產業智能化轉型發展的核心環節。通過智能感知、實時分析、科學決策和精準執行等技術，實現設計過程、制造過程和制造裝備的智能化，從而達到縮短產品研制周期、提高生產效率、提高產品質量、降低資源能源消耗等目標。而數字孿生技術正是支撐智能制造從理論走向應用的關鍵系統。

全生命周期閉環優化

更高技術含量的勞動資料是新質生產力的動力源泉，數字孿生作為代表性數字技術之一，正深入工業領域引起廣泛變革。

數字孿生可以實現生產的數字化模擬和優化，從而助推精準決策和高效運營。通過建立生產線的孿生場景，在虛擬環境中模擬真實的生產過程，準確預測生產中的瓶頸和問題，從而優化生產流程、提高生產效率，并不斷提升產品的質量和性能，滿足市場的多樣化需求。

數字孿生有助于推動工業生產的智能化和柔性化發展。企業可以根據市場需求和消費者偏好實現定制化生產和服務，預先構建個性化的孿生場景。這種智能化和柔性化生產能快速響應市場變化、滿足消費者需求，同時提高企業的競爭力和創新能力。

通過數字孿生系統，企業能夠實時獲取設備的運行狀態和性能數據，可及時發現潛在故障并進行預警。遠程監控和預測性維護不僅能夠降低設備的停機時間和維修成本，還可以提高設備的可靠性與使用壽命，保障生產線的穩定運行。

此外，數字孿生會促進工業企業的協同創新。通過構建跨企業、跨行業的數字孿生平臺，不同企業和機構可以實現信息共享、資源互補和協同合作，打破行業壁壘，推動產業升級轉型，還能起到促進整個工業生態鏈健康發展的作用。

更重要的是，數字孿生在持續進化。數字孿生作為產業智能化轉型的基石之一，將為更加靈活和個性化的應用場景激活新質生產力。通過對生產過程、設備維護、產品研發、個性化定制和供應鏈等方面的優化，數字孿生技術為我國制造業轉型升級提供了有力支持。

應用落地駛入快車道

經過近幾年的快速發展，數字孿生在應用場景落地探索方面初見成效，正推動工業制造的智能化升級和數字化“增效”。

今年是小浪底水利樞紐主體工程開工建設30周年。近年來，水利部深入貫徹落實網絡強國、數字中國國家戰略，精心擘畫數字孿生水利宏偉藍圖。作為首批試點，水利部小浪底水利樞紐管理中心全力以赴推動數字孿生小浪底建設。數字孿生小浪底平臺融合專業模型算法與人工智能技術，以數字孿生帶動物理實體，實現設備自動化、業務智能化、決策精準化，實現工程安全、防汛調度、庫區管理、發電運行等重點業務的“四預”功能和智慧決策，引領數字孿生水利工程技術發展，引領大型水利工程運營管理數字化轉型。

目前，中國數字孿生已進入大規模建設期，越來越多的企業開始利用數字孿生提升效率并開拓創新。國投集團旗下中國電子工程設計院股份有限公司為實現半導體產業的精益制造，首創PSIM數字孿生工廠解決方案，利用“工藝技術+數字化仿真技術” 打造精益智能綠色的高科技虛擬工廠。通過精細化設計、精準化分析、數字化優化、智能化控制，最終實現建設投資降低、建設周期縮短、生產效率提升、運行成本下降的ITEC目標。

不僅如此，數字孿生在多個領域也顯示出巨大潛力。例如，在汽車制造業，數字孿生允許制造商在計算機上模擬生產線運作，實現精益生產；在能源行業，被用來監測和分析風力發電機的性能，優化維護和能源輸出；在智慧城市建設中，數字孿生能夠幫助規劃者可視化并有效管理城市運行的復雜系統。

盡管數字孿生技術具有廣闊的應用前景，但其發展仍面臨諸多挑戰。首先，缺乏統一的定義和標準，使得不同領域的數字孿生技術發展參差不齊。其次，數據同化、模型更新和不確定性量化等關鍵技術尚不成熟，限制了數字孿生的準確性和可靠性。此外，人機交互和倫理問題也是數字孿生技術發展過程中需要重點關注的問題。

面向未來，數字孿生的技術底座正不斷夯實而應用日益拓寬，數字孿生的技術普及正改變著傳統工業生產的面貌，塑造著制造業趨向智慧的未來。