随着经济社会数字化转型的持续推进，数字孪生逐渐成为产业各界关注的热点技术。数字孪生起源航天军工领域，近年来持续向智能制造、智慧城市等垂直行业拓展，实现机理描述、异常诊断、风险预测、决策辅助等应用价值，已成为助力企业数字化转型、促进数字经济发展的重要抓手。本白皮书聚焦数字孪生关键技术和行业应用发展，梳理数字孪生整体发展情况，深入分析技术体系和典型垂直行业应用场景，旨在为产业界在规划实施数字孪生相关应用时提供参考借鉴，助力数字孪生技术演进和产业发展。
数字孪生内涵与发展历程
数字孪生是一种数字化理念和技术手段，它以数据与模型的集成融合为基础与核心，通过在数字空间实时构建物理对象的精准数字化映射，基于数据整合与分析预测来模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程，最终形成智能决策的优化闭环。其中，面向的物理对象包括实物、行为、过程，构建孪生体涉及到的数据包括实时传感数据和运行历史数据，集成的模型涵盖物理模型、机理模型和流程模型等。
数字孪生发展现状
从政策层面来看，数字孪生成为各国推进经济社会数字化进程的重要抓手。国外主要发达经济体从国家层面制定相关政策、成立组织联盟、合作开展研究，加速数字孪生发展，我国将数字孪生写入《“十四五”规划》，作为建设数字中国的重要发展方向。工业互联网联盟（AII）也增设数字孪生特设组，开展数字孪生技术产业研究，推进相关标准制定，加速行业应用推广。
从行业应用层面来看，数字孪生成为垂直行业数字化转型的重要使能技术。数字孪生加速与DICT领域最新技术融合，逐渐成为一种基础性、普适性、综合性的理论和技术体系，在经济社会各领域的渗透率不断提升，行业应用持续走深向实。工业领域中，在石化、冶金等流程制造业中，数字孪生聚焦工艺流程管控和重大设备管理等场景，赋能生产过程优化；在装备制造、汽车制造等离散制造业中，聚焦产品数字化设计和智能运维等场景，赋能产品全生命周期管理。
数字孪生技术架构概述
数字孪生技术通过构建物理对象的数字化镜像，描述物理对象在现实世界中的变化，模拟物理对象在现实环境中行为和影响，以实现状态监测、故障诊断、趋势预测和综合优化。为了构建数字化镜像并实现上述目标，需要IOT、建模、仿真等基础支撑技术通过平台化的架构进行融合，搭建从物理世界到孪生空间的信息交互闭环。整体来看，一个完成的数字孪生系统应包含以下四个实体层级：一是数据采集与控制实体，主要涵盖感知、控制、标识等技术，承担孪生体与物理对象间上行感知数据的采集和下行控制指令的执行。二是核心实体，依托通用支撑技术，实现模型构建与融合、数据集成、仿真分析、系统扩展等功能，是生成孪生体并拓展应用的主要载体。三是用户实体，主要以可视化技术和虚拟现实技术为主，承担人机交互的职能。四是跨域实体，承担各实体层级之间的数据互通和安全保障职能。
数字孪生赋能智能制造
一、需求背景
制造业作为全球经济发展重要支撑，世界各国纷纷制定国家级发展战略，我国先后出台了“中国制造2025”、“互联网+”、“工业互联网”等制造业国家发展实施战略，把推动制造业高质量发展作为构建现代化经济体系的重要一环，推动制造业与新型ICT技术融合，实现制造业数字化、智能化转型。在智能制造浪潮下，数字孪生成为了最为关键和基础性技术之一。数字孪生作为连接物理世界和信息世界虚实交互的闭环优化技术，已成为推动制造业数字化转型，促进数字经济发展的重要抓手，以数据和模型为驱动，打通业务和管理层面的数据流，实时、连接、映射、分析、反馈物理世界行为，使工业全要素、全产业链、全价值链达到最大限度闭环优化，助力企业提升资源优化配置，有助于加快制造工艺数字化、生产系统模型化、服务能力生态化。
二、发展现状
制造业数字孪生应用发展前景广阔。随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新型ICT基数席卷全球，数字孪生得到越来越广泛应用，被应用于航空航天、电力、船舶、离散制造、能源等行业领域，应用场景如研发设计、生产制造、营销服务、运营管理、规划决策等环节。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，通过数字孪生技术的使用，将大幅推动产品在设计、生产、维护及维修等环节的变革。基于模型、数据、服务方面的优势，数字孪生正成为制造业数字化转型的核心驱动力。
三、核心价值
1、实现生产流程可视化提高生产管控围绕制造业数字化转型，数字孪生技术应用帮助生产制造企业优化产品生产制造流程，通过满足制造业企业的生产需求，制定全方位数字孪生服务，形成生产流程可视化、生产工艺可预测优化、远程监控与故障诊断在生产管控中高度集成，提升企业生产质量，提高对生产制造的管控水平。
2、建设企业数字业务化降本增效利用数字孪生技术，通过深化改革、技术改造和现代管理，实现企业数字业务化以数据流带动技术流、资金流、人才流、物资流，实现降本增效。在设备方面数字孪生帮助企业提升设备管理运行效率、降低产品生产设备故障率、降低设备维护成本等以降低企业运营成本。
3、打造高度协同生产制造价值链释放价值数字孪生技术促进上下游企业间数据集成和端到端汇聚，打造高度协同的上下游企业间生产制造链条，优化资源配置，提高企业效率，协同研发制造，推动企业释放更大的增值。
4、构筑数字孪生运营模式赋能转型升级数字孪生深入设计、生产、物流、服务等活动环节，贯穿产品的全生命周期，渗透到设备、车间、企业、产业链各个层级应用，创造以产业升级、业务创新、全数字化个性化定制为导向的新的运营模式，摆脱旧商业模式束缚，触发新型生产模式和商业模式的演进，助力企业升级改造，为传统制造转型升级赋能。
作为发展数字经济的重要使能技术，数字孪生近年来备受业界关注，技术体系不断发展，核心技术快速演进，产业生态持续完备，行业应用走深向实，成为促进工业、城市、交通、网络等垂直行业实现数智化转型的重要抓手。但同时我们也注意到，数字孪生作为一项新兴技术理念，尚处于发展初期，仍存在许多短板问题亟待破解。需要进一步对信息模型、数据集成、平台等数字孪生核心要素和垂直行业应用模式进行规范统一，力求快速形成覆盖数字孪生基础共性、关键技术和行业应用的标准体系。
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