賽迪：2019數字孿生白皮書.pdf

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1、數字孿生白皮書（數字孿生白皮書（20192019年）年） 中國電子信息產業發展研究院 目錄 一、數字孿生發展態勢 二、數字孿生定義內涵 三、數字孿生應用場景 目錄 四、數字孿生未來展望 1.1 數字孿生正成為全球信息技術發展的新焦點 1.2 數字孿生正成為跨國企業業務布局的新方向 1.3 數字孿生正成為主要國家數字化轉型的新抓手 數字孿生發展態勢 1.1 數字孿生正成為全球信息技術發展的新焦點 數字孿生技術 2016-2018年，Gartner連續三年將數字孿生列為十大戰略科技發展趨勢。 2019年，Gartner認為數字孿生處于期望膨脹期頂峰，將在未來5年將產生破壞性創新。 發展階段 重點企

2、業 資料來源:趙敏，走向智能研究院 數字孿生數字孿生+數字孿生+ 西門子公司 Digital Twin 數字孿生 Digital Twin P/P/P 數字孿生 產品/生產/績效 Comprehensive Digital Twin 綜合數字孿生 PTC公司 Digital Twin 數字孿生 Digital Twin +K System 數字孿生+知識體系 Digital Twin+AR 數字孿生+增強現實 達索公司 Virtual Twin 虛擬孿生 Product lifecycle Twin 產品全生命周期孿生 3DEXPERIENCE Twin 3DEXPERIENCE孿生 ESI公

3、司 Physical-Based Virtual Twin 基于物理的虛擬孿生 Date-Drived Virtual Twin 數據驅動的虛擬孿生 Hybrid Twin 混合孿生 1.2 數字孿生正成為跨國企業業務布局的新方向 數字世界 物理世界 物（設備/機器/產品等） 數字孿 生空間 資產層 傳感器、驅動器集成層 網絡、協議通信層 數據、模型 （數字孿生實現） 信息層 資產功能功能層 組織和業務流程業務層 德國工業4.0參考架構 應用平臺 數字孿生空間 模型平臺 數據平臺 圖 以數字孿生體框架為核心的工業互聯網Paas系統 1.3 數字孿生正成為主要國家數字化轉型的新抓手 美國工業互聯

4、網聯盟將數字孿生作為工業 互聯網落地的核心和關鍵。 德國工業4.0參考架構將數字孿生作為重要內容。 1.3 數字孿生正成為主要國家數字化轉型的新抓手 智 慧 城 市 國家建設目標 新加坡虛擬新加坡 法國數字孿生巴黎 加拿大多倫多高科技社區 中國雄安新區數字城市 中國杭州城市大腦 國家相關知名公司 車 聯 網 中國百度、華為、騰訊、阿里等 美國特斯拉、福特等 日本豐田、本田等 德國西門子等 數字孿生內涵理解 2.1 數字孿生歷程 2.2 數字孿生定義 2.3 數字孿生內涵 2.4 數字孿生典型特征 2.5 數字孿生技術架構 CAx軟件為數字孿生的出現奠定了 技術基礎 1949年第一代CAM軟件A

5、PT問世； 1969年NASA推出了第一代CAE軟件 COSMIC Nastran； 1973年第一代CAPP系統AuToPros問世； 1982年二維繪圖標志性工具AutoCAD 問世。 21世紀之前 技術積累期2000-2015年 概念提出期 美國軍方機構開始提出數字孿生 的相關概念 2003年密歇根大學Michael Grieces 教授首次提出數字孿生概念； 2010年美國軍方提出數字線程； 2011年洛克希德 馬丁提出數字織錦； 2012年NASA發布了包含數字孿生 的兩份技術路線圖。 2020-未來 快速發展期 數字孿生技術和產業生 態都有望迎來爆發期 數字孿生將加速與AI等 新興

6、技術融合發展進一步應 用。 數字孿生廣泛應用于工 業互聯網、車聯網、智慧城 市等新型場景。 2015-2020年 應用萌芽期 工業軟件巨頭紛紛布局數 字孿生業務 西門子2017年正式發布了數 字孿生體應用模型； PTC2017年推出基于數字孿 生技術的物聯網解決方案； 達索、GE、ESI等企業開始 宣傳和使用數字孿生技術。 數字孿生因建模仿真技術而起、因傳感技術而興，并將隨著新一代信息技術群體突破和融合發展而發展壯大。 2.1 數字孿生歷程：歷經技術積累、概念提出、應用萌芽、快速發展四個階段 國外研究機構 國內行業專家 德勤：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

7、呈現。 埃森哲：數字孿生是指物理產品在虛擬空間中的數字模型，包含了從產品構思到產品退市全生命周期的產品信息。 美國國防采辦大學：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。 密歇根大學：數字孿生是基于傳感器所建立的某一物理實體的數字化模型，可模擬顯示世界中的具體事物。 寧振波：數字孿生是將物理對象以數字化方式在虛擬空間呈現，模擬其在現實環境中的行為特征。 趙敏：數字孿生是指在數字虛體空間中所構建的虛擬事物，與物理實體空間中的實體事物所對應的、在形態和舉止上都 相像的虛實

8、精確映射關系。 林詩萬：數字孿生是實體或邏輯對象在數字空間的全生命周期的動態復制體，可基于豐富的歷史和實時數據、先進的算 法模型實現對對象狀態和行為高保真度的數字化表征、模擬試驗和預測。 陶飛：數字孿生以數字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態虛擬模型來仿真和刻畫物 理實體在真實環境中的屬性、行為、規則等。 2.2 數字孿生定義 數字孿生是綜合運用感知、計算、建模等信息技術，通過軟件定義，對物理空間進行描述、 診斷、預測、決策，進而實現物理空間與賽博空間的交互映射。 物理對象 原理+數據 模型是核心 軟件是載體 數據是基礎 自我學習 動態調整 機理模型 + 數據驅動模

9、型 信息 指令 模型 控制器 2.2 數字孿生定義：實現物理空間在賽博空間交互映射的通用使能技術 軟件 模型算法化 算法代碼化 代碼軟件化 描述 診斷 預測 決策 一項通用技術 支撐經濟社會數字化轉型的通用使能技術 兩大孿生空間 交互 反饋 原子實體邏輯 物理空間 比特模型軟件 賽博空間 三大技術要素 數據是基礎 原理機理模型 數據驅動模型 軟件是載體 模型算法化算法代碼化 模型是核心 傳感器數據 四大功能等級描述診斷預測決策 五大典型特征數據驅動模型支撐軟件定義精準映射智能決策 2.3 數字孿生內涵：涵蓋“12345”五大內容 代碼軟件化 數字孿生的本質是在比特的汪洋中重構原子的運行軌道，以

10、數據的流動實現 物理世界的資源優化。 數據驅動 數字孿生的核心是面向物理實體和邏輯對象建立機理模型或數據驅動模型， 形成物理空間在賽博空間的虛實交互。 模型支撐 數字孿生的關鍵是將模型代碼化、標準化，以軟件的形式動態模擬或監測物理 空間的真實狀態、行為和規則。 軟件定義 通過感知、建模、軟件等技術，實現物理空間在賽博空間的全面呈現、精準 表達和動態監測。 精準映射 未來數字孿生將融合人工智能等技術，實現物理空間和賽博空間的虛實互動、 輔助決策和持續優化。 智能決策 2.4 數字孿生典型特征：數據驅動、模型支撐、軟件定義、 精準映射、智能決策 模型層 數據層 機理模型數據驅動模型 物理層 物理實

11、體 數據采集數據處理數據傳輸 功能層決策 描述預測診斷 應用層 智能工廠車聯網智慧城市智慧建筑智慧醫療 2.5 數字孿生技術架構：分為物理層、數據層、模型層、功能層 數字 孿生 技術 架構 數字孿生 應用場景 智能工廠車聯網智慧城市智慧建筑智慧醫療 核心價值 實現產品迭代式 創新 實現生產制造全 過程數字化管理 開展設備預測性 維護 駕駛輔助 部分自動駕駛 有條件自動駕 駛 高度自動駕駛 完全自動駕駛 繪制“城市畫像” 實現城市規劃“一 張圖” 實現城市難題“一 眼明” 實現城市治理“一 盤棋” 打造虛擬建 筑 施工優化 智慧家居 人體運行機理模擬 仿真 醫療設備遠程管理 加快科研創新向臨 床

12、實踐的轉化 （1）應用視角：包括智能工廠、車聯網等應用場景 物理世界 智能診斷科學預測輔助決策可視化呈現 Level 1 描述 通過感知設備采集到的數 據，對物理實體各要素進 行監測和動態描述。 Level 4 決策 在分析過去和預測未來的基 礎上，對行為進行指導。 Level 2 診斷 分析歷史數據，檢查功能 、性能變化的原因。 Level 3 預測 揭示各類模式的關系，預測 未來。 （2）功能視角：包括描述、診斷、預測、決策四個能力等級 效果后評價 設想 設想并評估當前應用場 景，擬定數字孿生適用 流程 確定方案 確定最適合該應用場 景的方案 試運行 運用數字孿生模型模擬 物理實體運行 產

13、業化 推進試行項目虛體，以 虛控實，實現產業化 評價產業化效果和投資效益 （3）部署視角：包括設想、確定方案、試運行、 產業化、效果后評價五個階段 3.1 數字化設計 3.2 虛擬工廠 3.3 設備預測性維護 數字孿生應用場景 3.4 智慧城市 3.5 車聯網 3.6 智慧醫療 達索、PTC、波音等公司綜合運用數字孿生技術打造產品設計數字孿生體，在賽博空間進行體系化仿真 ，實現反饋式設計、迭代式創新和持續性優化。目前，在汽車、輪船、航空航天、精密裝備制造等領域已 普遍開展原型設計、工藝設計、工程設計、數字樣機等形式的數字化設計實踐。 幾何數據原理數據 工藝數據材料數據 現場設備數據 歷史設計數

14、據 現場環境數據 歷史測試數據 數據層 模型層 應用層 數模驗證模型 試驗仿真模型 產品數字模型 優化迭代 物理幾何模型 生產加工模型 客戶 生產部門 第一性原理 動態數據反饋 集成服務接口 人機交互模擬 客戶深度體驗 沉浸式工藝設計 虛擬制造 工業設計優化 設計協同輔助 需求設計驗證 生產工程預測 3.1 數字化設計：數字孿生+產品創新 數據 多維動態的 數字環境 精確執行的 數字模型 同步交付的 數字產品 西門子、洛馬等國外公司，以及華龍迅達、東方國信、石化盈科等國內公司，在賽博空間打造映射物理 空間的虛擬車間、數字工廠，推動物理實體與數字虛體之間數據雙向動態交互，根據賽博空間的變化及時

15、調整生產工藝、優化生產參數，提高生產效率。 智能計劃排產物料配給管理 產品質量追蹤協同工藝規劃 生產參數優化庫存動態管控 人員安排管控生產環境管控 設備維護管理故障預測維修 安全可靠保障能效優化分析 生產制造經營管理產品服務生產規劃產品設計 員工數據機器數據物料數據規則數據環境數據 多協議兼容+邊緣數據采集 設計制造 協同模型 生產管理 優化模型 設備健康 管理模型 產品增值 服務模型 制造能力 交易模型 生產過程狀 態監測模型 故障診斷 模型 工藝優化 模型 質量控制 模型 節能減排 模型 離散行業 流程行業 3.2 虛擬工廠：數字孿生+生產制造全過程管理 數據層 模型層 應用層 GE、空客

16、等公司開發設備數字孿生體并與物理實體同步交付，實現了設備全生命周期數字化管理，同時 依托現場數據采集與數字孿生體分析，提供產品故障分析、壽命預測、遠程管理等增值服務，提升用戶體 驗，降低運維成本，強化企業核心競爭力。 數據層 模型層 應用層 現場設備數據現場環境數據幾何數據功能數據 歷史狀態數據歷史維護數據 狀態監測模型 物理數據 遠程診斷模型故障預測模型健康管理模型學習提升模型 設備檢測 健康評估 異常報警 故障定位 壽命預測 故障預警 維修規劃 遠程調度 備件管理 增值服務 工藝數據 3.3 設備預測性維護：數字孿生+設備管理 通過建設城市數字孿生體，以定量與定性結合的形式，在數字世界推演

17、天氣環境、基礎設施、人口土地、 產業交通等要素的交互運行，繪制“城市畫像”，支撐決策者在物理世界實現城市規劃“一張圖”、城市難 題“一眼明”、城市治理“一盤棋”的綜合效益最優化布局。 地理信息 地表地表地下地下 空中空中水域水域 人口信息 數量數量比例比例 年齡年齡籍貫籍貫 基礎設施信息 水水電電 熱熱氣氣 天氣信息 溫度溫度 濕度濕度 煤煤 網網 氣壓氣壓 污染污染 交通信息 道路道路汽車汽車 飛機飛機輪船輪船 建筑信息 房屋房屋 設備設備 景觀景觀 設施設施 智能安防智能交通智能規劃環境監測市政管理應急預案 城市分層建模模型單體化 單體語義化 實時模型呈現、渲染、計算、分析 動態+靜態多源

18、數據加載 地形層建筑層 地表層地下層 道路單體庫建筑單體庫 植被單體庫基礎物件庫業務屬性語義 幾何結構語義 3.4 智慧城市：數字孿生+城市運行管理 數據層 模型層 應用層 以百度、谷歌、騰訊等為代表的企業，積極探索數字孿生技術在車聯網中的應用，有效實現了車與人、車 、路、設施的全面連接，極大推動了自動駕駛智能化水平、交通安全保障水平和公共交通服務效率的提升。 運載數據油耗數據 電路狀態充電數據 幾何模型 能耗模型有限元模型 邏輯模型 動力調整 發動機保養 電池維護 電路診斷 傳動信息制動信息 引擎信息車架結構 動力模型制動模型 控制模型風阻模型 運動模式自動泊車 安全行駛汽車養護 道路情況天

19、氣信息 車輛信息基礎設施 駕駛員行為模型 油耗模型環境模型 遠程控制自動駕駛 景點推薦線路規劃 實時、動態采集人體、車輛、道路、設施信息 綜合利用各種模型，得到最優交通運行效率 3.5 車聯網：數字孿生+V2X 數據層 模型層 應用層 達索、海信等公司嘗試將數字孿生與醫療服務相結合，實現人體運行機理和醫療設備的動態監測、模擬和 仿真，可加快科研創新向臨床實踐的轉化速度、提高醫療診斷效率、優化醫療設備質控管理。 病人病歷付費記錄病人信息 化驗數據CT數據用藥記錄 設備結構設備日志設備材質 設備耗能設備參數設備壽命 器官模型 組織模型 細胞模型 醫療器械 模型 輔助設備 模型 人物 系統模型 人體

20、機理 藥代動力學模型 建立病人個性化健康機理模型庫實現醫療設備全數據采集+互聯互通 打造基于數字孿生的個性化醫療解決方案 專家遠程診斷健康狀態實時監控醫療設備預見維護醫療手術輔助 診斷設備 模型 3.6 智慧醫療：數字孿生+醫療服務 數據層 模型層 應用層 數字孿生未來展望 從宏觀看 數字孿生不僅僅是一項通 用使能技術，也將會是數 字社會人類認識和改造世 界的方法論。 從中觀看 數字孿生將成為支撐社會治理和產業數字 化轉型的發展范式。 從微觀看 數字孿生落地的關鍵是“數據+ 模型”，亟需分領域、分行業 編制數字孿生模型全景圖譜。 數字孿生未來展望 方法論 理論推理試驗驗證 數字孿生 模型全 景

21、圖譜 邏輯對象物理實體 機理模型 數據驅動模型 社會治理數字 化轉型 產業數字化轉型 數 字 孿 生 政 府 數 字 孿 生 城 市 數 字 孿 生 公 民 數 字 孿 生 工 業 數 字 孿 生 農 業 數 字 孿 生 醫 療 長期性 數字孿生是一套支撐數字化轉 型的綜合技術體系，技術在發 展，應用在深化，體系在演進， 其應用推廣也是一個動態的、 演進的、長期的過程。 艱巨性 數字孿生=數據+模型+軟件， 我國在數據采集、模型積累、 軟件開發等方面存在諸多短板 ，成為制約數字孿生發展的瓶 頸。 階段性 數字孿生的出現不是概念炒作， 而是信息化發展到一定程度的必 然性結果，數字孿生正成為人類

22、解構、描述、認識物理世界的新 型工具。 總結與思考 當前，要堅持需求牽引和價值導向，以需求迫切、基礎較好、潛力巨大的應用場景為突破口，在重 點領域、重點環節率先實現突破，樹立一批典型模式和樣板。 突破口 編寫組成員 張洪國 王宇霞 姚磊袁曉慶 許亞倩 周峰安琳宋穎昌 徐靖孫剛張朝管桐 致 謝 郎燕 PTC發展戰略總監 林雪萍 北京聯訊動力咨詢公司總經理 寧振波 中國航空工業集團公司信 息技術中心原首席顧問 王湘念 中國航空制造技術研究院 副總工程師 趙敏 走向智能研究院執行院長 趙宏博 北京東方國信科技股份有限公司 工業互聯網研究院院長 朱鐸先 北京蘭光創新科技有限公司董事長 謝謝 謝！謝！