数字孪生应用白皮书 2020

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 月中国电子技术标准化研究院编委会主编：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中国电子技术标准化研究院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）有限公司朱国良张珺安世亚太科技股份有限公司段海波中国电子技术标准化研究院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）有限公司潘康华中国电子技术标准化研究院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目录中国电子技术标准化研究院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（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中国电子技术标准化研究院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，分析数字孪前言中国电子技术标准化研究院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。中国电子技术标准化研究院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。DataInformationVS1VS2VSnReal SpaceVirtual SpaceProcessConceptual Ideal for PLM图 1PLM 中的概念设想中国电子技术标准化研究院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、AR检修中国电子技术标准化研究院一、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中国电子技术标准化研究院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。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中国电子技术标准化研究院一、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