隨著新一代信息技術(shù)與實體經(jīng)濟的加速融合，工業(yè)數(shù)字化、智能化演進趨勢日益明顯，催生了一批制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型新模式、新業(yè)態(tài)。數(shù)字孿生作為重要支撐技術(shù)，正在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。

在數(shù)字孿生加持的數(shù)字工廠內(nèi)，生產(chǎn)過程的任一環(huán)節(jié)，都會實時呈現(xiàn)并存儲在數(shù)據(jù)里。工作人員在電腦屏幕前，就能對一輛車的生產(chǎn)實現(xiàn)全過程監(jiān)測；車輛生產(chǎn)出來便擁有自己的“電子身份證”，實現(xiàn)全生命周期質(zhì)量的智能可控、可追溯……在這里，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)走上高質(zhì)量發(fā)展之路。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型新基石

根據(jù)工信部中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布的《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。簡言之，數(shù)字孿生技術(shù)是一種通過創(chuàng)建物理實體的虛擬副本，實現(xiàn)虛擬與實際系統(tǒng)之間實時數(shù)據(jù)交互與反饋的技術(shù)。

數(shù)字孿生概念最早可追溯到20世紀(jì)60年代。當(dāng)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(shè)計研發(fā)過程中，提出并充分運用數(shù)字孿生減少實體產(chǎn)品直接模擬產(chǎn)生的大量成本。我國對數(shù)字孿生的研究則相對起步較晚，近年來抓住數(shù)字技術(shù)加速發(fā)展的戰(zhàn)略機遇，陸續(xù)出臺了一系列相關(guān)文件：2020年，將數(shù)字孿生寫入“十四五”規(guī)劃，作為建設(shè)數(shù)字中國的重要發(fā)展方向；2021年，工信部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動計劃》，再次指出要加快數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，行業(yè)目前正處于快速上升期；工信部等九部門聯(lián)合印發(fā)的《原材料工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作方案（2024—2026年）》提出，圍繞數(shù)字技術(shù)在提升產(chǎn)品合格率、資源綜合利用效率、全員勞動生產(chǎn)率和節(jié)能減排水平等方面的融合應(yīng)用，打造一批“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合應(yīng)用成效顯著、實現(xiàn)制造過程數(shù)字孿生的數(shù)字化轉(zhuǎn)型標(biāo)桿工廠。

在發(fā)展初期，數(shù)字孿生的價值更多被認(rèn)為是場景重現(xiàn)、展示和描述，而后逐漸占據(jù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮中的重要地位。一方面，在政策密集引領(lǐng)下，數(shù)字孿生應(yīng)用潛能加速迸發(fā)釋放；另一方面，隨著基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化提速，企業(yè)數(shù)字化需求升級，數(shù)字孿生從可視化到可計算、可交互，逐步深入到產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的核心環(huán)節(jié)。通過智能感知、實時分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行等技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計過程、制造過程和制造裝備的智能化，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗等目標(biāo)。而數(shù)字孿生技術(shù)正是支撐智能制造從理論走向應(yīng)用的關(guān)鍵系統(tǒng)。

全生命周期閉環(huán)優(yōu)化

更高技術(shù)含量的勞動資料是新質(zhì)生產(chǎn)力的動力源泉，數(shù)字孿生作為代表性數(shù)字技術(shù)之一，正深入工業(yè)領(lǐng)域引起廣泛變革。

數(shù)字孿生可以實現(xiàn)生產(chǎn)的數(shù)字化模擬和優(yōu)化，從而助推精準(zhǔn)決策和高效運營。通過建立生產(chǎn)線的孿生場景，在虛擬環(huán)境中模擬真實的生產(chǎn)過程，準(zhǔn)確預(yù)測生產(chǎn)中的瓶頸和問題，從而優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率，并不斷提升產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，滿足市場的多樣化需求。

數(shù)字孿生有助于推動工業(yè)生產(chǎn)的智能化和柔性化發(fā)展。企業(yè)可以根據(jù)市場需求和消費者偏好實現(xiàn)定制化生產(chǎn)和服務(wù)，預(yù)先構(gòu)建個性化的孿生場景。這種智能化和柔性化生產(chǎn)能快速響應(yīng)市場變化、滿足消費者需求，同時提高企業(yè)的競爭力和創(chuàng)新能力。

通過數(shù)字孿生系統(tǒng)，企業(yè)能夠?qū)崟r獲取設(shè)備的運行狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，可及時發(fā)現(xiàn)潛在故障并進行預(yù)警。遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測性維護不僅能夠降低設(shè)備的停機時間和維修成本，還可以提高設(shè)備的可靠性與使用壽命，保障生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行。

此外，數(shù)字孿生會促進工業(yè)企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新。通過構(gòu)建跨企業(yè)、跨行業(yè)的數(shù)字孿生平臺，不同企業(yè)和機構(gòu)可以實現(xiàn)信息共享、資源互補和協(xié)同合作，打破行業(yè)壁壘，推動產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型，還能起到促進整個工業(yè)生態(tài)鏈健康發(fā)展的作用。

更重要的是，數(shù)字孿生在持續(xù)進化。數(shù)字孿生作為產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的基石之一，將為更加靈活和個性化的應(yīng)用場景激活新質(zhì)生產(chǎn)力。通過對生產(chǎn)過程、設(shè)備維護、產(chǎn)品研發(fā)、個性化定制和供應(yīng)鏈等方面的優(yōu)化，數(shù)字孿生技術(shù)為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了有力支持。

應(yīng)用落地駛?cè)肟燔嚨?/p>

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，數(shù)字孿生在應(yīng)用場景落地探索方面初見成效，正推動工業(yè)制造的智能化升級和數(shù)字化“增效”。

今年是小浪底水利樞紐主體工程開工建設(shè)30周年。近年來，水利部深入貫徹落實網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國國家戰(zhàn)略，精心擘畫數(shù)字孿生水利宏偉藍(lán)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(shù)字孿生小浪底建設(shè)。數(shù)字孿生小浪底平臺融合專業(yè)模型算法與人工智能技術(shù)，以數(shù)字孿生帶動物理實體，實現(xiàn)設(shè)備自動化、業(yè)務(wù)智能化、決策精準(zhǔn)化，實現(xiàn)工程安全、防汛調(diào)度、庫區(qū)管理、發(fā)電運行等重點業(yè)務(wù)的“四預(yù)”功能和智慧決策，引領(lǐng)數(shù)字孿生水利工程技術(shù)發(fā)展，引領(lǐng)大型水利工程運營管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

目前，中國數(shù)字孿生已進入大規(guī)模建設(shè)期，越來越多的企業(yè)開始利用數(shù)字孿生提升效率并開拓創(chuàng)新。國投集團旗下中國電子工程設(shè)計院股份有限公司為實現(xiàn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的精益制造，首創(chuàng)PSIM數(shù)字孿生工廠解決方案，利用“工藝技術(shù)+數(shù)字化仿真技術(shù)” 打造精益智能綠色的高科技虛擬工廠。通過精細(xì)化設(shè)計、精準(zhǔn)化分析、數(shù)字化優(yōu)化、智能化控制，最終實現(xiàn)建設(shè)投資降低、建設(shè)周期縮短、生產(chǎn)效率提升、運行成本下降的ITEC目標(biāo)。

不僅如此，數(shù)字孿生在多個領(lǐng)域也顯示出巨大潛力。例如，在汽車制造業(yè)，數(shù)字孿生允許制造商在計算機上模擬生產(chǎn)線運作，實現(xiàn)精益生產(chǎn)；在能源行業(yè)，被用來監(jiān)測和分析風(fēng)力發(fā)電機的性能，優(yōu)化維護和能源輸出；在智慧城市建設(shè)中，數(shù)字孿生能夠幫助規(guī)劃者可視化并有效管理城市運行的復(fù)雜系統(tǒng)。

盡管數(shù)字孿生技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但其發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，缺乏統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)，使得不同領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展參差不齊。其次，數(shù)據(jù)同化、模型更新和不確定性量化等關(guān)鍵技術(shù)尚不成熟，限制了數(shù)字孿生的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，人機交互和倫理問題也是數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展過程中需要重點關(guān)注的問題。

面向未來，數(shù)字孿生的技術(shù)底座正不斷夯實而應(yīng)用日益拓寬，數(shù)字孿生的技術(shù)普及正改變著傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的面貌，塑造著制造業(yè)趨向智慧的未來。