数字孪生应用白皮书2020|免费下载.pdf
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1、数字孪生应用白皮书 2020版 主编单位: 中国电子技术标准化研究院树根互联技术有限公司 2020 年 11 月 编委会 主编:赵波 副主编:程多福贺东东 编写组 中国电子技术标准化研究院 郭楠韦莎马原野贾仕齐李瑞琪周航李佳 张晖焦国涛程雨航胡琳王成然夏娣娜许威 纪婷钰廖胜蓝何宏宏张欣胡成林左鹏崔文雅 树根互联技术有限公司 刘洁沈鹏周旸彭雪郑志喜陈立峰段文娟 特斯联科技集团有限公司 安韧孙鹏徐超关普璟侯博月 中机生产力促进中心 肖承翔李根梓尚耀明 当家移动绿色互联网技术集团有限公司(51WORLD) 刘晓伦张帆张焜棋 中汽研汽车工业工程(天津)有限公司 包伟伟石华军刘莹门峰苏青福 中船第九设计
2、研究院工程有限公司 汪彦钧熊冠楚王真 中国汽车技术研究中心有限公司 高岳刘静榕闫相文陈日强董方岐 北京航空航天大学 陶飞张萌马昕 东华大学 鲍劲松黄德林李婕 上海优也信息科技有限公司 林诗万柴正李志芳刘祯祺金周 泰瑞数创科技(北京)有限公司 刘俊伟唐莉萍王金兰黄栋黄慧敏 阿里巴巴(中国)有限公司 张磊伍剑胡宁 中国汽车工程研究院股份有限公司 王红钢李剑平王锐朱红国 腾讯云计算(北京)有限责任公司 李永韬王永霞李晋刘莫闲 软通智慧科技有限公司 尹洪涛柏翔雒冬梅 国家管网集团北方管道有限责任公司管道科技研究中心 李博薛向东盖健楠 北京和利时智能技术有限公司 朱毅明 西门子(中国)有限公司 朱国良张
3、珺 安世亚太科技股份有限公司 段海波 深圳华龙讯达信息技术股份有限公司 龙小昂陈曦张亚杰赵东聂道龙 中机研标准技术研究院(北京)有限公司 潘康华 1 前言. 1 一、数字孪生概述. 1 (一)数字孪生发展背景 . 1 (二)数字孪生的定义及典型特征 . 3 (三)数字孪生与其他技术的区别 . 5 二、数字孪生相关概念及内涵. 8 (一)相关术语 . 8 (二)相关概念 . 13 三、数字孪生应用发展综述. 16 (一)应用需求方向 . 16 (二)数字孪生产业图谱 . 26 (三)应用发展现状 . 37 (四)数字孪生技术体系 . 73 (五)推动条件 . 92 四、数字孪生标准化当前工作、现
4、状及需求. 99 (一)标准化工作概述 . 99 (二)智能制造领域数字孪生标准化现状及需求 . 105 目录 数字孪生应用白皮书 2 (三)智慧城市领域数字孪生标准化现状及需求 .110 (四)智慧交通领域数字孪生标准化现状及需求 .112 (五)智慧健康领域数字孪生标准化现状及需求 .113 五、存在的挑战.115 (一)数据相关的挑战 .115 (二)基础知识库相关的挑战 .117 (三)安全相关的挑战 .119 (四)商业模式相关的挑战 . 120 (五)人才相关的挑战 . 122 (六)多系统融合的挑战 . 123 (七)互联互通互操作的挑战 . 124 六、典型应用案例. 126
5、(一)智能制造领域 . 126 (二)智慧城市领域 . 208 (三)智慧交通领域 . 241 (四)智慧能源领域 . 266 (五)智慧建筑领域 . 278 (六)智慧健康领域 . 292 七、结论与展望. 300 (一)趋势的展望 . 300 (二)支持与监管政策相关建议 . 301 (三)技术开发与应用相关建议 . 303 1 数字化转型是我国经济社会未来发展的必由之路。习近平总书记指出, 世界经济数字化转型是大势所趋。当前,世界正处于百年未有之大变局, 数字经济已成为全球经济发展的热点,美、英、欧盟等纷纷提出数字经 济战略。数字孪生等新技术与国民经济各产业融合不断深化,有力推动 着各产
6、业数字化、网络化、智能化发展进程,成为我国经济社会发展变 革的强大动力。未来,所有的企业都将成为数字化的公司,这不只是要 求企业开发出具备数字化特征的产品,更指的是通过数字化手段改变整 个产品的设计、开发、制造和服务过程,并通过数字化的手段连接企业 的内部和外部环境。 数字孪生技术作为推动实现企业数字化转型、促进数字经济发展的 重要抓手,已建立了普遍适应的理论技术体系,并在产品设计制造、工程 建设和其他学科分析等领域有较为深入的应用。在当前我国各产业领域 强调技术自主和数字安全的发展阶段,数字孪生技术本身具有的高效决策、 深度分析等特点,将有力推动数字产业化和产业数字化进程,加快实现 数字经济
7、的国家战略。本白皮书力求以较为浅显易懂的方式对数字孪生 相关定义、特征进行阐述,并针对当前数字孪生的技术热点、应用领域、 产业情况和标准化工作进展进行了分析。白皮书涵盖了6个领域共计31 个数字孪生应用案例。 本白皮书通过梳理数字孪生技术和产业应用发展情况,分析数字孪 前言 数字孪生应用白皮书 2 生技术热点、行业动态和未来趋势,提出相关的标准化工作需求,希望可 以作为数字孪生技术领域、产业发展和标准化之间的初始连接纽带,加 快推动数字孪生发展应用。 1 一、数字孪生概述 (一)数字孪生发展背景 “孪生”的概念起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”,即 构建两个相同的航天飞行器,其中一个发射
8、到太空执行任务,另一个留 在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态,从而辅助工程 师分析处理太空中出现的紧急事件。当然,这里的两个航天器都是真实 存在的物理实体。 2003年前后,关于数字孪生(Digital Twin)的设想首次出现于 Grieves教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上。但是, 当时“Digital Twin”一词还没有被正式提出,Grieves将这一设想称为 “Conceptual Ideal for PLM(Product Lifecycle Management)”,如图1所示。 尽管如此,在该设想中数字孪生的基本思想已经有所体现,即在虚拟空 间构建的
9、数字模型与物理实体交互映射,忠实地描述物理实体全生命周 期的运行轨迹。 Data Information VS 1 VS 2 VS n Real Space Virtual Space Process Conceptual Ideal for PLM 图 1PLM 中的概念设想 数字孪生应用白皮书 2 直到2010年,“Digital Twin”一词在NASA的技术报告中被正式提出, 并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。 2011年,美国空军探索了数字孪生在飞行器健康管理中的应用,并详细 探讨了实施数字孪生的技术挑战。2012年,美国国家航空航天局与美国 空军联
10、合发表了关于数字孪生的论文,指出数字孪生是驱动未来飞行器 发展的关键技术之一。在接下来的几年中,越来越多的研究将数字孪生 应用于航空航天领域,包括机身设计与维修,飞行器能力评估,飞行器 故障预测等。 图 2数字孪生行业应用 数字孪生 应用 其它行业 石 油 天 然 气 汽 车 电力 航 空 航天 健 康 医 疗 船 舶 航 运 环 境 保 护 建 筑 铁 路 运 输 制 造 业 城 市 管 理 农业 : 农 作 物 与 牲 畜 监 测 管 理 文 化 : 物 质 文 化 遗 产 数 字 化 建 设 教 育 : 物 理 设 备 与 场 景 模 拟 信 息 安 全 : 私 有 数 据 保 护 设
11、备 故 障 预 测 设 备 维 修 规 划 设 备 设 计 验 证 设备状态远程监测 数 据 可 视 化 与 集 成 汽 车 研 发 环 节 验 证 汽 车 运 行 状 态 监 测 故 障 诊 断 与 维 护 维 修 不 同 环 境 行 驶 过 程 模 拟 电 厂 三 维 可 视 化 管 理 电 厂 运 行 优 化 电 力 设 备 健 康 管 理 通 用 电 网 模 型 构 建 电 网 设 计 及 运 维 飞 行 器 故 障 预 测 飞 行 器 维 护 维 修 机 组 人 员 安 全 生 产 及 装 配 优 化 供 应 链 数 字 化 发 动 机 设 计 与 管 理 设 备 功 能 测 试 设
12、 备 故 障 预 测 医疗资源管理优化 策略变更验证 医 疗 与 手 术 方 案 验 证 深 林 资 源 管 理 优 化 污 水 处 理 决 策 优 化 新 能 源 运 行 优 化 与 设 备 健 康 管 理 施 工 进 度 监 测 施 工 人 员 安 全 管 理 建 材 监 测 与 废 物 追 踪 施工现场设备效率优化 建 筑 性 能 与 质 量 评 估 建 筑 设 计 与 运 营 优 化 车 站 与 铁 路 设 计 施 工 进 度 管 理 车 队 维 护 与 调 度 列 车 准 点 运 行 与 到 发 列 车 故 障 远 程 诊 断 决策优化 城 市 分 析 与 规 划 动 态 事 件 实
13、 时 优 化 灾 害 模 拟 与 影 响 预 测 科 学 研 究 与 虚 拟 实 验 交 通 路 线 优 化 产 品 设 计 、 仿 真 验 证 工 艺 规 划 与 仿 真 验 证 生 产 规 划 与 执 行 质 量 管 理 追 溯 与 工 艺 优 化 能 效 管 理 与 优 化 设 备 管 理 、 远程监测 、 预 测 性 维 护 、 虚 拟 巡 检 、 A R 检 修 一、数字孪生概述 3 近年来,数字孪生得到越来越广泛的传播。同时,得益于物联网、 大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展,数字孪生的实施 已逐渐成为可能。现阶段,除了航空航天领域,数字孪生还被应用于电力、 船舶、城市
14、管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保 护等行业,如图2所示。特别是在智能制造领域,数字孪生被认为是一 种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段。许多著名企业(如 空客、洛克希德马丁、西门子等)与组织(如Gartner、德勤、中国科协 智能制造协会)对数字孪生给予了高度重视,并且开始探索基于数字孪 生的智能生产新模式。 (二)数字孪生的定义及典型特征 1. 数字孪生的定义汇总摘选 (1)标准化组织中的定义 数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达,该 数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛,并提供物理 实体或流程过程的整个生命周期的集成视图,有助于
15、优化整体性能。 (2)学术界的定义 数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体,借助历史数据、 实时数据以及算法模型等,模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周 期过程的技术手段 a 。 从根本上讲,数字孪生可以定义为有助于优化业务绩效的物理对象 或过程的历史和当前行为的不断发展的数字资料。数字孪生模型基于跨 a 陶飞,刘蔚然等,数字孪生及其应用探索 数字孪生应用白皮书 4 一系列维度的大规模,累积,实时,真实世界的数据测量 a 。 (3)企业的定义 数字孪生是资产和流程的软件表示,用于理解、预测和优化绩效以 实现改善的业务成果。数字孪生由三部分组成:数据模型,一组分析或算法, 以及知识 b
16、。 数字孪生公司早已在行业中立足,它在整个价值链中革新了流程。 作为产品,生产过程或性能的虚拟表示,它使各个过程阶段得以无缝链接。 这可以持续提高效率,最大程度地降低故障率,缩短开发周期,并开辟 新的商机:换句话说,它可以创造持久的竞争优势 。 2. 数字孪生的典型特征 从数字孪生的定义可以看出,数字孪生具有以下几个典型特点: (1)互操作性 数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时 连接,因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力,具有 能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。 (2)可扩展性 数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力,能够针对
17、多 尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。 (3)实时性 数字孪生技术要求数字化,即以一种计算机可识别和处理的方式管 理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状 a Aaron Parrott and Lane Warshow,工业4.0和数字孪生 b 通用电气,什么是数字孪生? 西门子,工业中的数字化转型 一、数字孪生概述 5 态、属性、内在机理,形成物理实体实时状态的数字虚体映射。 (4)保真性 数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求 虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真,在状态、相态和时态上也 要仿真。值得一提的是在不同的数字孪生场景下,同一
18、数字虚体的仿真 程度可能不同。例如工况场景中可能只要求描述虚体的物理性质,并不 需要关注化学结构细节。 (5)闭环性 数字孪生中的数字虚体,用于描述物理实体的可视化模型和内在机理, 以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运 行参数,实现决策功能,即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此数 字孪生具有闭环性。 (三)数字孪生与其他技术的区别 1. 数字孪生与仿真(Simulation)的区别 仿真技术是应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验,借助某些数值 计算和问题求解,反映系统行为或过程的模型技术,是将包含了确定性 规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的方法,目的
19、 是依靠正确的模型和完整的信息、环境数据,反映物理世界的特性和参数。 仿真技术仅仅能以离线的方式模拟物理世界,不具备分析优化功能,因 此不具备数字孪生的实时性、闭环性等特征。 数字孪生需要依靠包括仿真、实测、数据分析在内的手段对物理实 体状态进行感知、诊断和预测,进而优化物理实体,同时进化自身的数 字模型。仿真技术作为创建和运行数字孪生的核心技术,是数字孪生实 现数据交互与融合的基础。在此基础之上,数字孪生必需依托并集成其 数字孪生应用白皮书 6 他新技术,与传感器共同在线以保证其保真性、实时性与闭环性。 2. 数字孪生与信息物理系统(CPS)的区别 数字孪生与CPS都是利用数字化手段构建系统
20、为现实服务。其中, CPS属于系统实现,而数字孪生侧重于模型的构建等技术实现。CPS是 通过集成先进的感知、计算、通信和控制等信息技术和自动控制技术,构 建了物理空间与虚拟空间中人、机、物、环境和信息等要素相互映射、适 时交互、高效协同的复杂系统,实现系统内资源配置和运行的按需响应、 快速迭代和动态优化 a 。 相比于综合了计算、网络、物理环境的多维复杂系统CPS,数字孪 生的构建作为建设CPS系统的使能技术基础,是CPS具体的物化体现。 数字孪生的应用既有产品、也有产线、工厂和车间,直接对应CPS所面 对的产品、装备和系统等对象。数字孪生在创立之初就明确了以数据、模 型为主要元素构建的基于模
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