數字孿生的應用現狀數字孿生的起源及內涵數字孿生的學術研究現狀數字孿生工業應用概述哪里來：數字孿生的起源是什么：數字孿生的概念新理解：數字孿生的理想特征緊相關：數字孿生的相近概念有何用：數字孿生的應用價值誰可用：數字孿生的適用準則1

數字孿生的起源及內涵1.1

哪里來：數字孿生的起源，嚴格來說，數字孿生并非一個全新的概念它源于一些現有技術的進步和發展，如3D建模，系統仿真，數字化原型設計（包括幾何、功能和行為原型設計）等。1.2

是什么：數字孿生的概念雖然數字孿生得到了業界廣泛關注和研究，但數字孿生在概念和內涵上卻并沒有一個統一的定義。隨著數字孿生研究和實踐的不斷推進，人們賦予了數字孿生的各種定義。提出者理論概念Michael

Grieves和John

Vickers數字孿生（DT）是一組虛擬信息結構，可從微觀原子級別到宏觀幾何級別全面描述潛在的或實際的物理制成品。在最佳狀態下，可以通過數字孿生獲得任何物理制成品的信息。數字孿生有兩種類型：數字孿生原型和數字孿生實例。數字孿生在數字孿生環境中運行。數字孿生包括三個主要部分：（a）實體空間中的物理產品，（b）虛擬空間中的虛擬產品，以及（c）將虛擬產品和物理產品聯系在一起的數據和信息的連接NASA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、多尺度、多物理量、多概率的仿真過程，從而虛擬空間反映相對應的實體裝備的全生命周期過程AFRL一種已經完工和需要日常維護的航空器的超現實模型，該模型與用于制造和維護特定機身所需的材料、制造規格、控制方式和制造流程等明確相關工業4.0術語編寫組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表1.1

Michael

Grieves、NASA、AFRL對數字孿生理解牛津大學在醫療保健領域，“數字孿生”表示了一種綜合虛擬工具的愿景，該工具使用機理和統計模型將隨著時間推移獲得的臨床數據連貫動態地整合在一起劍橋大學數字孿生是指物理資產、過程和系統的數字副本以色列理工學院麻省理工學院（MIT）數字孿生是機器人的虛擬版本，該虛擬版本的創建是為了在仿真模式下測試機器人的功能，以代替測試物理機器人佐治亞理工學院大量產品和過程數據的收集和匯總可以構建制造過程所需組件的數字模型，這些數字模型即被稱為“數字孿生”。數字孿生幾乎是實時更新的，可用于查看，分析和控制零件或過程的狀態賓夕法尼亞州立大學印度理工學院一種對增材制造過程的嚴格校驗，它能對影響元件的冶金結構和性能的最重要變量進行預測，并用快速，廉價的“數值實驗”代替昂貴、耗時的物理實驗柏林工業大學弗勞恩霍夫研究院-生產系統和設計技術研究所包含了實體的通用數字主模型的一種實例與它的單獨的數字影子以及上述兩者的智能銜接（算法、仿真模型、相關性等）德國斯圖加特大學一種數字表示形式，它包含了物理實體的所有狀態和功能，并且有可能與其他數字孿生協作以實現全局智能化，從而達到分散式自我控制的作用德國慕尼黑大學物理對象本身的仿真來預測系統的未來狀態意大利米蘭理工大學一種物理系統經虛擬化和計算機化的對應物，可以利用來自現場的遙感數據進行實時同步，并與工業4.0緊密聯系加拿大國防部一種能不斷適應由采用實時感官數據的環境或操作所帶來的變化的動態模型，該模型還可以預測與其對應的物理實體的未來變化從而達到預測性維護的效果法國巴黎薩克雷大學復雜的虛擬產品模型被稱為數字孿生企業數字孿生理念相關產品或工具西門子數字孿生是實際產品或流程的虛擬表示，用于理解和預測對應物的性能特點。在西門子的數字孿生應用中，數字孿生產品、數字孿生生產和數字孿生績效形成了一個完整的解決方案體系Teamcenter、PLMANSYS通過數學方法建立系統中關鍵部件、關鍵數據流路徑和各個檢測點傳感器等器件的數學模型，并將數學模型根據系統邏輯進行連接生成數字化仿真模型，通過外部傳感器采集真實系統載荷量通過有線或無線傳輸將信號注入仿真模型，驅動仿真模型與真實系統同時工作，從而運維人員可以在數字仿真模型中很直觀的觀察到真實系統無法測量或難以測量的實時監測數據Twin

Builder美國PTC公司工業現場的特定實體的一種數字化表示形式，它包括了過去和現在的配置狀態并顧及到了系列化部件、軟件的版本、選項和變體PTC

Creo仿真軟件微軟Azure

Digital

Twins是一個物聯網平臺，可以創建真實事物，位置，業務流程和人員的數字表示，有助于開發更好產品，優化運營和成本并創造突破性客戶體驗的見解Azure法國達索公司一種產品實體的虛擬等價物，它可以通過企業員工間的更好協作和流程的持續改進來提升制造品質3DExperience一種貫穿概念、設計到使用和服務的整個產品生命周期的與真實產品等價學者數字孿生理解李培根院士數字孿生是“物理生命體”的數字化描述，“物理生命體”是指“孕育”過程（即實體的設計開發過程）和服役過程（運行、使用）中的物理實體（如產品或裝備），數字孿生體是“物理生命體”在其服役和孕育過程中的數字化模型。數字孿生不能只是物理實體的鏡像，而是與物理實體共生。數字孿生支持從創新概念開始到得到真正的產品的過程趙敏寧振波數字孿生是在“數字化一切可以數字化的事物”大背景下，通過軟件定義，在數字虛體空間中所創建的虛擬事物，與物理實體空間中的現實事物形成了在形、態、質地、行為和發展規律上都極為相似的虛實精確映射，讓物理孿生體與數字孿生體具有了多元化映射關系，具備了不同的保真度（逼真、抽象等），數字孿生基本內涵和組成要素表1.4

高校及科研機構對數字孿生的理解組織數字孿生理解ISO/IEC數字孿生是具有數據連接的特定物理實體或過程的數字表達，該數據連接使物理狀態和數字狀態之間能夠以適當的同步速率進行收斂，并為物理實體或過程的全生命周期提供集成視圖數字孿生體聯盟通過算法引擎實現現有或將有所關注實體的一個或多個視角的數字模型的表征和執行，分析處理來自所關注實體的測量數據，感知、診斷或預測所關注實體的狀態，實現與所關注實體的狀態同步，并產生優化所關注實體行為的控制信息表1.5

標準組織對數字孿生的理解1.3

新理解：數字孿生的理想特征序號部分認識理想特征維度1①

數字孿生是三維模型？②

數字孿生是物理實體的copy③

數字孿生是虛擬樣機？多：多維（幾何、物理、行為、規則）、多時空、多尺度動：動態、演化、交互真：高保真、高可靠、高精度模型2①

數字孿生是數據/大數據？②

數字孿生是PLM？③

數字孿生是DigitalThread？④

數字孿生是DigitalShadow？全：全要素/全業務/全流程/全生命周期融：虛實融、多源融、異構融時：更新實時、交互實時、響應及時數據3①

數字孿生是物聯平臺？②

數字孿生是工業互聯網平臺？雙：雙向連接、雙向交互、雙向驅動跨：跨協議、跨接口、跨平臺連接4①

數字孿生就是仿真？②

數字孿生是虛擬驗證？③

數字孿生是可視化？雙驅動：模型驅動+數據驅動多功能：仿真驗證、可視化、管控、預測、優化、控制等服務/功能表1.6

數字孿生的理想特征1.4

緊相關：數字孿生的相近概念1.4.1

數字孿生與CPS信息物理系統（CPS）旨在將通信和計算機的運算能力嵌入到物理實體中，以實現由虛擬端對物理空間的實時監視、協調和控制，從而達到虛實緊密耦合的效果。許多與CPS相關的系統在不同領域迅速興起，例如信息物理生產系統（CPPS）、基于云的CPS、信息物理社會系統等。就如同互聯網通過互聯的計算機網絡改變了人們的交互方式一樣，CPS也將通過物理和虛擬空間的整合來改變人類與實體的交互方式。項目CPS數字孿生起源由海倫·吉爾于2006年在美國國家科學基金會提出2010年NASA發布了關于航天器的數字孿生的詳細定義發展工業4.0將CPS列為了發展核心直到2012年才得到廣泛關注范疇偏科學范疇偏工程范疇組成CPS和數字孿生都有兩個部分，分別是物理世界和信息世界.CPS更注重強大的3C功能數字孿生更加注重虛擬模型信息物理映射一對多映射一對一映射核心要素CPS更強調傳感器和執行器數字孿生更強調模型和數據控制CPS和數字孿生的控制包括兩個部分，即“物理資產或過程影響信息表達”和“信息表達控制物理資產或過程”，以將系統維持在可接受的操作正常水平表1.7

數字孿生與CPS的對比1.4.2

數字孿生與虛擬仿真數字化模型的仿真技術是創建和運行數字孿生體、保證數字孿生體與對應物理實體實現有效閉環的核心技術。傳統的建模仿真是一個獨立單元建模仿真；而數字孿生貫穿了產品的創新設計、生產制造以及運營維護資產管理環節的價值鏈條，是整體而非局部，是包含物料、能量、價值的數字化集成而非孤立存在。二者的關注點不同，前者關注建模的保真度，也就是可否準確還原物理對象特性和狀態；后者關注動態中的變化關系。數字孿生是動態的，在數字對象與物理對象之間必須能夠實現動態的虛實交互才能讓數字孿生運行具有持續改善的工業應用價值。1.4.3

數字孿生與虛擬樣機虛擬樣機可以視為數字孿生的基礎。相似之處：都構建了三維虛擬模型來替換相應的物理產品，從而在虛擬空間中進行物理空間中的活動，減少了時間和經濟成本。與使用物理原型的傳統設計方法相比，它們的虛擬模型可以在設計階段產生更多不同規模的見解，以優化產品。客戶可以參與設計階段，以通過與模型交互來提供經驗和意見，以優化產品。與虛擬樣機相比，數字孿生具有以下優勢：虛擬樣機主要用于產品設計階段以進行評估和驗證；而數字孿生中的虛擬模型在從創建到處置的整個生命周期中都與物理副本相對應。虛擬樣機與實物之間幾乎沒有聯系；而數字孿生中的虛擬模型在生命周期中始終與產品保持聯系；虛擬樣機僅提供期望的理想產品，但是數字孿生可以提供理想產品和實際產品。1.4.4

數字孿生與數字線程數字線程：可擴展、可配置和代理的企業級分析框架，可無縫地加速企業數據中權威數據、信息和知識的受控相互作用。基于數字系統模型模板的信息知識系統，通過提供訪問能力，將不同的數據轉化為可操作的信息并將其轉化為可操作的信息，從而在整個系統的生命周期中為決策者提供信息。數字孿生是由數字線程使能的，因為數字孿生中使用的用于評估，分析，更新等所有數據（例如模型，傳感器數據和知識）都是從線程中捕獲的。1.4.5

數字孿生與DigitalShadowDigital

Shadow是一種數據配置文件，在其整個生命周期內與相應實體耦合，并承載所有數據和知識，以反映歷史、當前和預期的未來狀態。在以下幾個方面，數字孿生優于Digital

Shadow：數字孿生可以提供高保真數字鏡像模型來直觀、透徹地描述實體。基于該模型，可以在執行之前驗證物理過程和活動，從而降低了失敗的風險。該模型與實體同步運行，可以提供實際性能與模擬性能之間的比較以捕獲它們之間的差異。數字孿生中的數據不僅來自物理世界，而且還來自虛擬模型，1.4.6

數字孿生與平行系統平行系統包括兩部分：一是現實的實際系統；二是與之對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統。平行系統和數字孿生都可歸納為虛實融合，以虛控實。兩者的主要思路都是以數據驅動，構建與物理實體相對應的虛擬系統，通過在虛擬系統上進行實驗、分析,

解析并優化控制難以用數理模型分析的復雜系統，為實現實體和信息融合的CPS提供了清晰的新思路、方法和實施途徑。1.5

有何用：數字孿生的應用價值數字孿生功能應用場景作用模擬仿真虛擬測試（如風洞試驗）設計驗證（如結構驗證、可行性驗證）過程規劃（如工藝規劃）操作預演（如虛擬調試、維修方案預演）隱患排查（如飛機故障排查）減少實物實驗次數縮短產品設計周期提高可行性、成功率降低試制與測試成本減少危險和失誤監控行為可視化（如虛擬現實展示）運行監控（如裝配監控）故障診斷（如風機齒輪箱故障診斷）狀態監控（如空間站狀態監測）安防監控（如核電站監控）識別缺陷定位故障信息可視化保障生命安全評估狀態評估（如汽輪機狀態評估）性能評估（如航空發動機性能評估）提前預判指導決策表1.8

數字孿生功能與作用數字孿生功能應用場景作用預測故障預測（如風機故障預測）壽命預測（如航空器壽命預測）質量預測（如產品質量控制）行為預測（如機器人運動路徑預測）性能預測（如實體在不同環境下的表現）減少宕機時間緩解風險避免災難性破壞提高產品質量驗證產品適應性優化設計優化（如產品再設計）配置優化（如制造資源優選）性能優化（如設備參數調整）能耗優化（如汽車流線性提升）流程優化（如生產過程優化）結構優化（如城市建設規劃）改進產品開發提高系統效率節約資源降低能耗提升用戶體驗降低生產成本控制運行控制（如機械臂動作控制）遠程控制（如火電機組遠程啟停）協同控制（如多機協同）提高操作精度適應環境變化提高生產靈活性實時響應擾動表1.8

（續）表1.9

數字孿生適用準則序號適用準則數字孿生作用舉例維度1適用資產密集型/產品單價值高的行業產品基于真實刻畫物理產品的多維多時空尺度模型和生命周期全業務/全要素/全流程孿生數據，開展產品設計優化智能生產、可靠運維等高端能源裝備（如風力發電機、汽輪機、核電裝備）高端制造裝備（如高檔數控機床）高端醫療裝備運輸裝備（如直升機、汽車、船舶）產品2適用復雜產品/

過程/

需求支持復雜產品/過程/需求在時間與空間維度的解耦與重構，對關鍵節點/環節進行仿真、分析、驗證、性能預測等復雜過程(如離散動態制造過程、復雜制造工藝過程)復雜需求（如復雜生產線快速個性化設計需求）復雜系統（如生態系統、衛星通信網絡）復雜產品（3D打印機、航空發動機）復雜程度3適用極端運行環境支持運行環境自主感知、運行狀態實時可視化、多粒度多尺度仿真、以及虛實實時極高或極深環境（如高空飛行環境）極熱或極寒環境（如高溫裂解爐環境）極大或極小尺度（如超大型鋼錠極端制造環運行環境1.6

誰可用：數字孿生的適用準則表1.9（續）序號適用準則數字孿生作用舉例維度4適用高精度/高穩定性/高可靠性儀器儀表/

裝備/系統為其安裝、調試及運行提供實時的性能評估、故障預測、控制與優化決策等高精度（如精密光學儀器、精準裝配過程）高穩定性（如電網系統、暖通空調系統、油氣管道）高可靠性（如鐵路運營、工業機器人）性能5適用需降低投入產出比的行業支持行業內的信息共享與企業協同，從而實現對行業資源的優化配置與精益管理，實現提質增效制造行業（如汽車制造）物流運輸業（如倉庫儲存、物流系統）冶金行業（如鋼鐵冶煉）農牧業（如農作物健康狀態監測）經濟效益6適用社會效益大的工程/場景需求支持工程／場景的實時可視化、多維度多粒度仿真、虛擬驗證與實驗、及沉浸式人機交互，為保障安全提供輔助等數字孿生城市（如城市規劃、城市災害模擬、智慧交通）數字孿生醫療（如遠程手術、患者護理、健康監測古跡文物修復（如巴黎圣母院修復）社會效益數字孿生國內外學術研究現狀分析數字孿生論文引用分析數字孿生學術活動組織分析數字孿生專利發展現狀數字孿生標準發展現狀數字孿生研究演進數字孿生與智能制造服務學術會議數字孿生項目指南及獲批項目分析2

數字孿生的學術研究現狀2.1

數字孿生國內外學術研究現狀分析2.1.1

發表論文時間分布統計分析圖2.1

2010—2020年數字孿生文獻數量年度圖圖2.2

2010—2020年數字孿生文獻數量累計2.1.2

發表論文國家分布統計分析序號國家序號國家序號國家序號國家序號國家1德國11韓國21丹麥31南非41盧森堡2美國12加拿大22日本32新西蘭42伊朗3中國13芬蘭23比利時33斯洛文尼亞43摩洛哥4俄羅斯14挪威24希臘34波蘭44哥倫比亞5英國15奧地利25匈牙利35愛沙尼亞45沙特阿拉伯6意大利16瑞士26葡萄牙36土耳其46塞爾維亞7法國17荷蘭27捷克37以色列47保加利亞8西班牙18澳大利亞28羅馬尼亞38烏克蘭48印度尼西亞9印度19新加坡29墨西哥39阿聯酋49拉脫維亞表2.1

已開展數字孿生研究且在學術刊物上有論文發表的國家圖2.3

在學術刊物上發表數字孿生論文數排名前10的國家2.1.3

文獻類型及期刊分布統計分析來源出版物名稱論文數量Procedia

CIRP93IFIPAdvancesinInformationAndCommunication

Technology79IopConferenceSeriesMaterialsScienceAnd

Engineering60LectureNotesinComputer

Science56Procedia

Manufacturing52計算機集成制造系統42JournalofManufacturing

Systems42IEEE

Access40表2.2

2010—2020

年出版數字孿生論文數排名前10的刊物2.1.4

發表論文研究機構和學者統計分析2.1.5

發表論文研究方向和高頻關鍵詞統計分析2017年關鍵詞2018年關鍵詞2019年關鍵詞2020年關鍵詞2017~2020年關鍵詞關鍵詞頻次關鍵詞頻次關鍵詞頻次關鍵詞頻次關鍵詞頻次Digital

Twin34Digital

Twin131Digital

Twin311Digital

Twin992Digital

Twin1468Manufacture26Manufacture46Manufacture93Industry

4.0135Life

Cycle323Life

Cycle17Virtual

Reality40Life

Cycle90Manufacture124Industry

4.0318Cyber

PhysicalSystem14Industry4.038Industry

4.083Life

Cycle117Manufacture308Embedde

dSystems13Life

Cycle38Internet

ofThings83Digital

Twins99EmbeddedSystems240Industry4.013EmbeddedSystems37E

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dSystems79I

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fThings94Internet

ofThings235Virtual

Reality10CyberPhysicalSystem31VirtualReality68DecisionMaking93Virtual

Reality184Internet

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Things28C y b e rPhysicalSystem57E

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dSystems83DecisionMaking179表2.3

2017—2019年發表的數字孿生論文中的高頻關鍵詞統計分析2017年關鍵詞2018年關鍵詞2019年關鍵詞2020年關鍵詞2017~2020年關鍵詞關鍵詞頻次關鍵詞頻次關鍵詞頻次關鍵詞頻次關鍵詞頻次Optimization7S m a r tManufacturing18DecisionMaking39CyberPhysicalSystem60ArtificialIntelligence138Real

TimeSystems7Automation17Digital

Twins37Automation52MachineLearning128I

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Data17Product

Design33Virtual

Reality46Simulation117LearningSystems6DecisionMaking17O

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lW e l lProduction30S m a r tManufacturing44InformationManagement110ProductDesign6SystemsEngineering15ArtificialIntelligence28I

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Design106Automation5LearningSystems14S m a r tManufacturing27IndustrialResearch38SmartManufacturing102ComputerAided

Design5ArtificialIntelligence13A

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Data86D

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dIndustrial2.2

數字孿生論文引用分析序號核心合集被引頻次GoogleScholar被引數作者文獻發表年份1325790Tao,

Fei等Digitaltwin-drivenproductdesign,manufacturingandservicewithbigdata20182224515Rosen,

Roland等AboutTheImportanceofAutonomyandDigitalTwinsfortheFutureof

Manufacturing20153170421S

c

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,Benjamin等Shapingthedigitaltwinfordesignand

productionengineering20174159400Qi,Qinglin;Tao,FeiD

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Tw

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an

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tManufacturingandIndustry4.0:360DegreeComparison20185151312Tao,Fei;Zhang,MengDigitalTwinShop-Floor:ANewShop-FloorParadigmTowardsSmart

Manufacturing20176145383Uhlemann,Thomas

H.

-J.等TheDigitalTwin:RealizingtheCyber-PhysicalProductionSystemforIndustry

4.020177141406Negri,

E等AreviewoftherolesofDigitalTwininCPS-basedproductionsystems2017表2.4

Web

of

Science核心合集被引數量較高的數字孿生相關論文序號核心合集被引頻次GoogleScholar被引數作者文獻發表年份10101216Soderberg

,Rikard等TowardaDigitalTwinforreal-time

geometryassuranceinindividualized

production20171196305Kritzinger

,Werner等DigitalTwininmanufacturing:A

categoricalliteraturereviewandclassification20181284239Tao,

F.等DigitalTwininIndustry:

State-of-the-Art20191381183Uhlem

ann,Thomas

H.

-J.等TheDigitalTwin:Demonstratingthepotential

ofrealtimedataacquisitioninproduction

systems20171481186Schroeder,Greyce

N.等DigitalTwinDataModelingwith

AutomationMLandaCommunicationMethodologyforDataExchange20161566123Knapp,

G.

L.等.Buildingblocksforadigitaltwinof

additivemanufacturing20171663217Tao

Fei等Digitaltwin-drivenproductdesign

framework20191763144Zhuang,Cunbo等Digitaltwin-basedsmartproduction

managementandcontrolframeworkforthecomplexproductassembly

shop-floor20181862120Zhang,Hao;

Liu,Qiang;Chen,

Xin;ADigitalTwin-BasedApproachforDesigning

andMulti-ObjectiveOptimizationofHollow

Glass2017表2.4

（續）2.3

數字孿生學術活動組織分析序號書名作者出版社年份1DigitalTwinDrivenSmart

Manufacturing陶飛，張萌，Nee

A.Academic

Press20192DigitalTwinDrivenSmartDesign陶飛，劉昂，胡天亮，NeeA.Academic

Press20203DigitalTwinDevelopmentandDeploymentonthe

CloudNassim

Khaled,BibinPattel,Affan

SiddiquiAcademic

Press20204Semi-empiricalNeuralNetworkModelingandDigitalTwins

DevelopmentDmitriyTarkhov,Alexander

VasilyevAcademic

Press20195DigitalTwinTechnologiesandSmart

CitiesFarsiM.,DaneshkhahA.,Hosseinian-FarA.,Jahankhani

H.SpringerInternationalPublishing20206Twin-Control:ADigitalTwinApproachtoImproveMachineTools

LifecycleArmendiaM.,GhassempouriM.,OzturkE.,Peysson

F.SpringerInternationalPublishing20197HandbookOfDigitalEnterprise

Systems:WolfgangKuhnWorldScientific2019表2.5

數字孿生專著序號書名作者出版社年份9TheDigitalTwinParadigmforSmarterSystemsandEnvironments:TheIndustryUse

CasesPethuruRaj,Preetha

EvangelineAcademic

Press202010數字孿生實戰：基于模型的數字化企業(MBE)梁乃明，方志剛，李榮躍，高巖松機械工業出版社201911數字孿生城市：虛實融合開啟智慧之門高艷麗，陳才等人民郵電出版社202012數字孿生陳根電子工業出版社202013數字孿生與智能制造周祖德，婁平，蕭箏武漢理工大學出版社202014基于數字孿生技術的柔性制造系統實驗手冊李楊，王洪榮，鄒軍上海科學技術出版社202015復雜裝備系統數字孿生：賦能基于模型的正向研發和協同創方志剛，李斌，張露機械工業出版社202016智能制造數字孿生機電一體化工程與虛擬調試鄭維民機械工業出版社2020表2.5

（續）2.4

數字孿生專利發展現狀圖2.6

專利數量時間分布統計情況圖2.7

數字孿生相關專利國家分布2.5

數字孿生標準發展現狀ISO/IEC、IEEE、國際電信聯盟等已立項標準7項，并有1項ISO/TC標準正在審批階段、1項ISO/TC標準正在征詢意見階段；全國自動化系統與集成標準化技術委員會在起草國家標準1項；中國電子裝備技術開發協會、廣東省機械工程學會、中國技術市場協會等公布團體標準9項；博創智能裝備股份有限公司、精航偉泰測控儀器(北京)有限公司、磁石云(天津)數字科技有限公司、安徽巨一科技股份有限公司等公布企業標準5項。2.6

數字孿生研究演進數字孿生的研究進展可概括為：起于航空航天，興于智能制造，未來將在更多領域探索、發展與應用。2.7

數字孿生與智能制造服務學術會議數字孿生與智能制造服務學術會議由北京航空航天大學、北京理工大學、西北工業大學、武漢理工大學、華中科技大學、上海大學、廣東工業大學、鄭州輕工業學院、山東大學、東南大學、武漢科技大學等高校共同發起。第一屆：北航和北理工承辦，2017年7月25—27日，北京；第二屆：鄭州輕工業大學承辦

，2018年7月21—22日，鄭州；第三屆：廣東工業大學承辦，2019年7月27—28日，廣州；第四屆：西北工業大學承辦，

2020年10月30日—11月1日，西安；2.8

數字孿生項目指南及獲批項目分析工信部實施了“智能制造綜合標準化與新模式應用”和“工業互聯網創新發展工程”專項等國家項目；從2017年開始，科技部每年在數字孿生基礎研究、共性關鍵技術和應用示范等方面共支持了8項研究方向指南；國家自然科學基金委自2017年開始，陸續支持了數字孿生方面的研究項目13項，涵蓋了青年科學基金、面向項目和聯合基金項目；國防科工局等國防領域單位也資助了許多數字孿生相關的項目數字孿生在各領域中的應用概述數字孿生在產品全生命周期中的應用數字孿生在世界著名企業中的應用實踐3

數字孿生工業應用概述3.1

數字孿生在各領域中的應用概述3.1.1

數字孿生航空航天數字孿生在航空航天領域起步相對較早且成熟，起著重要作用，可以在虛擬空間中執行實時預測和高保真驗證，從而提高飛機的可靠性并減少事故和資源。3.1.2數字孿生汽車數字孿生在汽車行業的狀態監測、操作優化和故障預測中顯示出明顯的優勢，因此可以認為是該領域極為有前途的技術。3.1.3數字孿生電力數字孿生具有使電網、發電廠和基本設備保持較高可靠性的能力，這對于確保企業的平穩運行以及確保每個人的正常生活至關重要。圖3.6

廊坊熱電廠設備監測管理3.1.4數字孿生船舶有了數字孿生，傳統的船舶工業將受益于先進的數字技術，未來整個船舶的關鍵設備和PLM的預測分析將成為其應用重點角度。3.1.5

數字孿生醫療在醫療健康行業，數字孿生可以改善現有的醫療服務和基礎設施。一方面可以提供更好的患者護理；另一方面可以開發出創新的方式來處理疑難病例。圖3.8數字孿生個性化醫療圖3.9

數字孿生心臟診療3.1.6

數字孿生城市數字孿生是城市管理中的重要技術。借助數字孿生提供的高保真虛擬化和模擬功能，可以優化城市管理，從而建設具有運行、分析和預測智能的智慧城市。圖3.1新加坡數字孿生城市3.1.7數字孿生建筑在建筑中，使用數字孿生可以幫助將物理空間和虛擬空間結合在一起，以建造更便宜、更綠色、更耐用的建筑物，并為建造完成的建筑物提供更有效的資產管理方法。3.1.8

數字孿生農業農業是每一個國家的重要領域，通過種植/養殖動植物，生產糧食、纖維、藥用植物和其他產品以維持和改善生活。目前，由于世界人口的快速增長，該領域承受著巨大的壓力。幸運的是，數字孿生的出現可能有助于改變當前的狀況。目前，在農業部門中有關數字孿生的實際案例相對較少。但是，由于數字孿生在遠程監控、虛擬化和預測分析等方面顯示出巨大的潛力，因此它將在未來成為農業行業必不可少的技術。3.1.9數字孿生軌道交通目前，數字孿生技術在軌道交通領域中的應用剛剛開始，主要停留在鐵路系統的設計規劃與建設中，而在高鐵列車的使用維護中的應用相對欠缺。3.1.10

數字孿生油氣石油天然氣是國民日常生活、社會日常運轉、經濟持續發展的重要基礎，油田的探測、建設、作業生產對穩定性、安全性和經濟性提出了非常高的要求，數字孿生技術的引入，為其提供了一種有效的解決途徑。當前數字孿生在油氣開采行業的應用探索正在緊鑼密鼓地展開，相信未來數字孿生技術將在油氣開采過程中的資產狀態監控、資產健康運維、穩定安全開采發揮巨大的作用。3.1.11

數字孿生港口港口的日常運轉涉及各場景監控、作業調度、安全管理、進出港管理等多個方面，通過引入數字孿生技術，有助于實現港區的全面可視化監控、生產作業優化、安全管理與智能化管控。圖3.16

深圳媽灣數字孿生智慧港口3.2

數字孿生在產品全生命周期中的應用圖3.17

數字孿生在工業不同領域的應用分布3.2.1

數字孿生驅動的產品設計數字孿生應用于產品設計，以更快速、更有效和更明智的方式設計新產品。數字孿生搭建起了產品設計和生產協同的橋梁，在設計階段，構建產品數字孿生系統，一方面實現產品功能、性能的仿真與虛擬驗證；另一方面對產品生產制造階段的加工工藝進行虛擬仿真，從而實現產品設計與生產的協同。3.2.2

數字孿生驅動的智能制造數字孿生應用于產品的生產制造過程，可以可視化和更新生產制造的實時狀態，使生產過程更加可靠、靈活和可預測。數字孿生可以根據實際情況和仿真來促進生產操作的調整。數字孿生促進生產設施的數字化和范式轉換。數字孿生促進生產過程優化。數字孿生促進生產過程控制。3.2.3

數字孿生驅動的服務目前，大多數數字孿生相關的產品服務應用基本上都與故障預測與健康管理（PHM）有關。與傳統的PHM相比，數字孿生驅動的PHM具有許多優勢。將數字孿生與敏感材料相結合可以克服傳統方法的缺點：傳統方法過分依賴于經驗數據，對不確定性的響應較差；而數字孿生使維修和更換的預測更為準確。3.3

數字孿生在世界著名企業中的應用實踐3.3.1

西門子的數字孿生實踐2017年底，正式發布了完整的數字孿生應用模型，在西門子的數字孿生體應用模型中包括：數字孿生產品，可以使用數字孿生進行有效的新產品設計；數字孿生生產，在制造和生產規劃中使用數字孿生；數字孿生體績效，使用數字孿生捕獲、分析和踐行操作數據，從而形成了一個完整的解決方案體系，并把西門子現有的產品及系統包攬其中，例如Teamcenter、PLM等。圖3.19

基于Mindsphere平臺的西門子數字孿生3.3.2

ANSYS的數字孿生實踐ANSYS還將數字孿生應用于油氣行業提供設備運維管理等服務。石油和天然氣行業一直在尋找降低能源生產成本的方法。為了實現此目標，油氣行業可以將數字孿生應用于油氣行業中的各種工業設備上。該行業可以基于數字孿生進行管道的實時監測，并使用數字孿生模型來預測腐蝕、屈曲和疲勞將如何影響實際資產。此外，這些數據可用于優化未來設計、預測維護周期、防止泄漏、減少停機時間并提高吞吐量。3.3.3

達索的數字孿生實踐達索進行了一個項目“生命心臟項目”（LHP），以通過生物技術傳感器和掃描技術為人類心臟建立數字孿生。此外，達索還開展了數字孿生城市的應用探索。新加坡政府正在以3D形式構建城市的數字孿生，以供設計師、規劃師和決策者探索未來。3.3.4

PTC的數字孿生實踐PTC曾將數字孿生應用于自行車上。該自行車的數字孿生可以實時監控自行車的性能。此外，當自行車騎行并且其組成部件移動時，虛擬空間的自行車數字孿生模型也會同步移動。PTC與T-Systems合作創建了T-Systems數字孿生模型，在汽車行業中有效地設計和監控剎車片。在ThingWorx中收集和可視化現實數據，在Windchill

PLM系統中，將這些實際數據鏈接到產品數據。通過利用PTC技術，T-Systems可以收集實時數據，并以有意義的方式反饋給客戶。3.3.5

微軟的數字孿生實踐微軟將AzureDigital

Twins作為一個IoT平臺，對環境的全面數字模型的構建賦能，目標對象包括建筑物、工廠、能源網絡甚至整個城市。通過構建數字孿生模型，達到驅動更好的產品生產、優化操作流程、減少成本費用與提高客戶體驗等目的。Azure

DigitalTwins具有如下功能：使用開放式語言構建數字孿生模型；保障數字孿生體對其實體的實時表示；豐富的數據來源；3.3.6

空客的數字孿生實踐空中客車公司在飛機組裝過程中使用數字孿生技術以提高自動化程度并減少交貨時間。3.3.7

洛克希德馬丁的數字孿生實踐作為洛克希德·馬丁公司的第五代戰斗機，F-35在開發與生產過程中，分4個階段應用數字線程技術：基于工程學生成、使用與重要精確的3D工程模型和2D工程圖；將數字線程所構建的工程數據與多種自動化技術相結合，以支持工廠的自動化；將數字線程直接提供給現場工作人員；對已制造的產品進行驗證。3.3.8

GE公司的數字孿生實踐GE近年來格外重視數字孿生技術的應用于探索，推出了全球第一個專為工業數據分析和開發的云服務平臺Predix。該平臺可連接工業設備，獲得設備全生命周期數據，同時將設備機理模型與數據挖掘分析相結合，提供實時服務支持。截至2018年，已經擁有120萬個數字孿生體，可以處理30萬種不同的設備資產問題。GE用實踐證明，傳統的仿真技術不再僅僅只是作為工程師設計更出色產品和降低物理測試成本的利器。通過打造數字孿生體，仿真技術的應用將擴展到各個運營領域，涵蓋產品的健康管理、遠程診斷、智能維護、共享服務等應用。3.3.9

MapleSoft公司的數字孿生實踐MapleSoft軟件公司開發了模型驅動的數字孿生產品MapleSim，可用于輔助產品設計的所有階段的虛擬調試與仿真，可以顯著降低開發新產品的風險。圖3.23

MapleSim創建數字孿生的流程圖3.3.10

Bentley的數字孿生實踐Bentley軟件公司將數字孿生技術引入到公司開發的軟件工具和解決方案中。其提供的基礎設施工程數字孿生模型支持對基礎設施資產進行全生命周期可視化、跟蹤變更，并執行分析，從而優化資產性能。Bentley基礎設施數字孿生模型可將工程數據、實景數據和物聯網數據相結合，獲得基礎設施地上和地下的整體視圖。沉浸式可視化和分析可見性可幫助用戶更好地作出決策。Bentley公司還提供了iTwin

Design

Review工具，提供了變革性的數字化解決方案。3.3.11

奇夢科技的數字孿生實踐近年來，奇夢科技在數字孿生、仿真領域開展了眾多應用實踐，實現了較為成熟的數字孿生、工業級虛擬仿真和數字大腦的研發和應用。奇夢科技開發了“秀品牛”數字孿生PaaS平臺，為船舶、軍工、智慧城市、核電、制造等領域提供了相關工具、能力和資源等系列敏捷式孿生開發工具，具有智能監管、智能分析、智能決策等功能。3.3.12

51WORLD的數字孿生實踐51WORLD公司以原創全要素場景（AES）為基礎，融合物理模擬、工業仿真、人工智能、云計算等技術，重新定義數字孿生應用生態，幫助政府及企業進行新一輪數字化升級。51WORLD通過AES建立數字孿生平臺，實現多源時空數據融合、城市數字底座搭建、多元仿真模型模擬等應用價值。圍繞基于數字孿生的城市及園區生活、規劃及產品營銷、設計及方案模擬驗證、AI仿真訓練及測試、模擬推演及預測等方面，已在城市、園區、交通、車輛、水務、港口、機場、地圖3.24

51WORLD智慧城市運維平臺圖3.24

51WORLD智慧城市運維平臺數字孿生研究體系1

數字孿生五維模型及理論思考

2

New

IT使能數字孿生

3

數字孿生理論技術體系4

數字孿生工具體系

5

數字孿生標準體系

五維數字孿生模型數字孿生應用準則基于數字孿生五維模型的十大領域應用探索基于五維數字孿生模型的理論難題與科學問題思考1

數字孿生五維模型及理論思考1.1

五維數字孿生模型1.1.1

物理實體物理實體（PE）是數字孿生的根基。數字孿生通過數字化方式為PE創建虛擬模型，以反映其屬性、模擬其行為、預測其趨勢。PE是客觀存在的，指一類可感知、可交互的物理系統或物理活動過程，通常由各種部件、子系統組成，并具有獨立完成至少一種任務的能力。PE根據自然法則開展活動并應對不確定的環境。對PE的感知通常通過各種傳感器、執行器實現，通過接觸或非接觸的傳感器的狀態感知或與PE的執行器的接口連接等方式，實時監測PE的運行狀態和環境數據。根據功能和結構，PE可以分為3個級別：單元級別、系統級別和復雜統（SoS）級。1.1.2

虛擬模型虛擬模型（VE）為幾何模型

Gv：描述PE幾何參數與關系的三維模型；物理模型Pv：在Gv的基礎上增加了PE的物理屬性、約束、及特征等信息；行為模型Bv：描述了不同粒度不同空間尺度下的PE在不同時間尺度下的外部環境與干擾，以及內部運行機制共同作用下產生的實時響應及行為；規則模型Rv：包括基于歷史關聯數據的規律規則、基于隱性知識總結的經驗，以及相關領域標準與準則等。1.1.3

孿生數據孿生數據（DD）是數字孿生的驅動：PE數據Dp：包括體現PE規格、功能、性能、關系等物理要素屬性數據與反映PE運行狀況、實時性能、環境參數、突發擾動等動態過程數據；VE數據Dv：主要包括VE相關數據；Ss數據Ds：主要包括FService相關數據與BService相關數據；知識數據Dk：包括專家知識、行業標準、規則約束、推理推論、常用算法庫與模型庫等；融合衍生數據Df：是對Dp,

Dv,

Ds,

Dk進行數據轉換、預處理、分類、關1.1.4

應用服務應用服務（Ss）是指對數字孿生應用過程中所需各類數據、模型、算法、仿真、結果進行服務化封裝，形成的以工具組件、中間件、模塊引擎等形式支撐數字孿生內部功能運行與實現的“功能性服務（FService）”，以及以應用軟件、移動端App等形式滿足不同領域不同用戶不同業務需求的“業務性服務(BService)”，其中，FService為BService的實現和運行提供支撐。1.1.5

交互連接交互連接（CN）實現數字孿生各組成部分的互聯互通。CN_PD實現PE和DD的交互；CN_PV實現PE和VE的交互；CN_PS實現PE和Ss的交互；CN_VD實現VE和DD的交互；CN_VS實現VE和Ss的交互；CN_SD實現Ss和DD的交互。1.2

數字孿生應用準則1.3

基于數字孿生五維模型的十大領域應用探索1.3.1

數字孿生衛星工程為適應衛星產業面對的技術發展、產業升級、工程需求的挑戰，提升衛星產業數字化、網絡化、智能化、服務化水平，陶飛團隊將數字孿生技術引入衛星工程中，參照數字孿生五維模型，與衛星工程中的關鍵環節、關鍵場景、關鍵對象緊密結合，提出了數字孿生衛星工程的概念，基于模型與數據對物理空間的衛星工程進行實時的模擬、監控、反映，并借助算法、管理方法、專家知識、軟件等對衛星工程進行分析、評估同步，進而1.3.2

數字孿生船舶全生命周期管控1.3.3

數字孿生車輛抗毀傷評估1.3.4

數字孿生電廠智能管控1.3.5

數字孿生飛機起落架結構優化設計1.3.6

數字孿生復雜機電裝備故障預測與健康管理1.3.7

數字孿生立體倉庫1.3.8

數字孿生醫療1.3.9

數字孿生車間隨著信息技術的深入應用，車間在數據實時采集、信息系統構建、數據集成、虛擬建模及仿真等方面獲得了快速的發展，在此基礎上，實現車間信息與物理空間的互聯互通與進一步融合將是車間的發展趨勢，也是實現車間智能化生產與管控的必經之路。數字孿生車間設備健康管理；數字孿生車間能耗多維分析與優化；數字孿生車間動態生產調度；數字孿生車間過程實時控制。1.3.10

數字孿生城市借助數字孿生技術，參照數字孿生五維模型，構建數字孿生城市，將極大改變城市面貌，重塑城市基礎設施，實現城市管理決策協同化和智能化，確保城市安全、有序運行。物理城市；虛擬城市；城市大數據；虛實交互；智能服務。1.4

基于五維數字孿生模型的理論難題與科學問題思考數字孿生在制造和相關領域的實踐應用過程中，還存在一系列科學問題和難點有待突破。圍繞數字孿生五維模型，存在以下理論難題與科學問題：在物理實體維度，難題主要體現在如何實現多源異構物理實體的智能感知與互聯互通