数字孪生：数实融合新未来

　　文/本刊记者 王怡

　　随着新一代信息技术与实体经济的加速融合，工业数字化、智能化演进趋势日益明显，催生了一批制造业数字化转型新模式、新业态。数字孪生作为重要支撑技术，正在全球范围内快速发展并得到广泛应用。

　　在数字孪生加持的数字工厂内，生产过程的任一环节，都会实时呈现并存储在数据里。工作人员在电脑屏幕前，就能对一辆车的生产实现全过程监测；车辆生产出来便拥有自己的“电子身份证”，实现全生命周期质量的智能可控、可追溯……在这里，新一代信息技术与制造业深度融合，推动传统产业走上高质量发展之路。

　　数字化转型新基石

　　根据工信部中国电子技术标准化研究院发布的《数字孪生应用白皮书》，数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。简言之，数字孪生技术是一种通过创建物理实体的虚拟副本，实现虚拟与实际系统之间实时数据交互与反馈的技术。

　　数字孪生概念最早可追溯到20世纪60年代。当时，美国国家航空航天局和美国空军研究实验室在未来航天器的设计研发过程中，提出并充分运用数字孪生减少实体产品直接模拟产生的大量成本。我国对数字孪生的研究则相对起步较晚，近年来抓住数字技术加速发展的战略机遇，陆续出台了一系列相关文件：2020年，将数字孪生写入“十四五”规划，作为建设数字中国的重要发展方向；2021年，工信部发布《物联网新型基础设施建设三年行动计划》，再次指出要加快数字孪生技术研发与应用，行业目前正处于快速上升期；工信部等九部门联合印发的《原材料工业数字化转型工作方案（2024—2026年）》提出，围绕数字技术在提升产品合格率、资源综合利用效率、全员劳动生产率和节能减排水平等方面的融合应用，打造一批“5G+工业互联网”融合应用成效显著、实现制造过程数字孪生的数字化转型标杆工厂。

　　在发展初期，数字孪生的价值更多被认为是场景重现、展示和描述，而后逐渐占据数字化转型浪潮中的重要地位。一方面，在政策密集引领下，数字孪生应用潜能加速迸发释放；另一方面，随着基础设施数字化提速，企业数字化需求升级，数字孪生从可视化到可计算、可交互，逐步深入到产业智能化转型发展的核心环节。通过智能感知、实时分析、科学决策和精准执行等技术，实现设计过程、制造过程和制造装备的智能化，从而达到缩短产品研制周期、提高生产效率、提高产品质量、降低资源能源消耗等目标。而数字孪生技术正是支撑智能制造从理论走向应用的关键系统。

　　全生命周期闭环优化

　　更高技术含量的劳动资料是新质生产力的动力源泉，数字孪生作为代表性数字技术之一，正深入工业领域引起广泛变革。

　　数字孪生可以实现生产的数字化模拟和优化，从而助推精准决策和高效运营。通过建立生产线的孪生场景，在虚拟环境中模拟真实的生产过程，准确预测生产中的瓶颈和问题，从而优化生产流程、提高生产效率，并不断提升产品的质量和性能，满足市场的多样化需求。

　　数字孪生有助于推动工业生产的智能化和柔性化发展。企业可以根据市场需求和消费者偏好实现定制化生产和服务，预先构建个性化的孪生场景。这种智能化和柔性化生产能快速响应市场变化、满足消费者需求，同时提高企业的竞争力和创新能力。

　　通过数字孪生系统，企业能够实时获取设备的运行状态和性能数据，可及时发现潜在故障并进行预警。远程监控和预测性维护不仅能够降低设备的停机时间和维修成本，还可以提高设备的可靠性与使用寿命，保障生产线的稳定运行。此外，数字孪生会促进工业企业的协同创新。通过构建跨企业、跨行业的数字孪生平台，不同企业和机构可以实现信息共享、资源互补和协同合作，打破行业壁垒，推动产业升级转型，还能起到促进整个工业生态链健康发展的作用。更重要的是，数字孪生在持续进化。数字孪生作为产业智能化转型的基石之一，将为更加灵活和个性化的应用场景激活新质生产力。通过对生产过程、设备维护、产品研发、个性化定制和供应链等方面的优化，数字孪生技术为我国制造业转型升级提供了有力支持。

　　应用落地驶入快车道

　　经过近几年的快速发展，数字孪生在应用场景落地探索方面初见成效，正推动工业制造的智能化升级和数字化“增效”。

　　今年是小浪底水利枢纽主体工程开工建设30周年。近年来，水利部深入贯彻落实网络强国、数字中国国家战略，精心擘画数字孪生水利宏伟蓝图。作为首批试点，水利部小浪底水利枢纽管理中心全力以赴推动数字孪生小浪底建设。数字孪生小浪底平台融合专业模型算法与人工智能技术，以数字孪生带动物理实体，实现设备自动化、业务智能化、决策精准化，实现工程安全、防汛调度、库区管理、发电运行等重点业务的“四预”功能和智慧决策，引领数字孪生水利工程技术发展，引领大型水利工程运营管理数字化转型。

　　目前，中国数字孪生已进入大规模建设期，越来越多的企业开始利用数字孪生提升效率并开拓创新。国投集团旗下中国电子工程设计院股份有限公司为实现半导体产业的精益制造，首创PSIM数字孪生工厂解决方案，利用“工艺技术+数字化仿真技术” 打造精益智能绿色的高科技虚拟工厂。通过精细化设计、精准化分析、数字化优化、智能化控制，最终实现建设投资降低、建设周期缩短、生产效率提升、运行成本下降的ITEC目标。

　　不仅如此，数字孪生在多个领域也显示出巨大潜力。例如，在汽车制造业，数字孪生允许制造商在计算机上模拟生产线运作，实现精益生产；在能源行业，被用来监测和分析风力发电机的性能，优化维护和能源输出；在智慧城市建设中，数字孪生能够帮助规划者可视化并有效管理城市运行的复杂系统。

　　尽管数字孪生技术具有广阔的应用前景，但其发展仍面临诸多挑战。首先，缺乏统一的定义和标准，使得不同领域的数字孪生技术发展参差不齐。其次，数据同化、模型更新和不确定性量化等关键技术尚不成熟，限制了数字孪生的准确性和可靠性。此外，人机交互和伦理问题也是数字孪生技术发展过程中需要重点关注的问题。

　　面向未来，数字孪生的技术底座正不断夯实而应用日益拓宽，数字孪生的技术普及正改变着传统工业生产的面貌，塑造着制造业趋向智慧的未来。