数字孪生技术的工业应用思考

王奇锋 仵浩

1991年，耶鲁大学计算机科学教授David Gelernter首次提出了数字孪生的概念。从那时起，这种旨在通过数字虚拟模型准确反映物理对象的技术就在各行各业中不断发展。随着元宇宙概念逐步兴起，数字孪生技术日益获得社会的重视，各类数字技术有不断融合的趋势。

数字技术是构建现代化产业体系的关键技术体系，作为其重要组成部分的数字孪生技术，将在中国工业体系发展中，承担越来越重要的任务。

近年来，各地各业都在数字孪生上不断探索，在数字导览、数字呈现等方面取得了不小的成绩，但也存在一些问题，从而引发了关于数字孪生技术的讨论。

一、数字孪生的价值之争

对数字孪生技术的质疑，始自数字孪生技术诞生之日。在数字孪生技术和项目现场，常听到“数字孪生到底解决了什么问题”和“没有数字孪生，又会如何”之类的质疑。很多案例也多把重点放在视觉呈现方面，对企业的生产辅助效用有限，这是数字孪生技术价值之争的表象。没有将数字孪生技术与工业实际应用做深度结合，数字孪生技术没有有效的服务于工业生产过程，既有数字孪生技术在工业领域的渗透仍处于初级阶段的原因，也有对数字孪生技术自身特点与工业应用特点理解不深入的原因。

数字孪生技术在任何领域任何场景之中的应用，其首要价值在于提升效率。更准确地说，是提升参与这个领域、作用于这个场景的人的行为效率。

因为人生活在客观的三维世界，这就决定了人对三维世界的理解能力和理解效率最高。尽管人已经习惯于通过降维的方式去理解和重构世界，例如通过书籍和各种屏幕，但这一过程的代价是人的大脑需要经过相当长的时间来适应这种重构。对工业系统而言，这就意味着低下的效率和利润的丧失。

二、当前数字孪生的应用领域

数字孪生技术自首次被提出至今已有40余年的历史，在一些特定领域发挥了重要的作用，获得了用户的认可。其中，导航、设计、地形匹配等领域的应用都可圈可点，可以从对这些方向的应用获得启发。

（一）电子地图导航

电子地图导航是数字孪生在民用领域最成功的應用，即使长期生活在熟悉的城市，也很少有人能够完全脱离电子地图导航的帮助。

严格地说，大部分电子地图导航不算是3D数字孪生，多采用2D界面呈现。绝大部分电子地图都使用“基于现实地理特征重构的2D模型”作为导航的基础平台，而不默认采用卫星照片的方式。

漫画般简单线条对道路的处理，大大加速了人们对所行驶道路位置和方向的快速理解，特别是岔口选择、车道选择和违章规避等方面，采用2D数字孪生的方式，理解起来要比卫星实景地图容易得多。

（二）设计

这里所说的设计，指逐步覆盖市场的工装和家装设计。无论是企业用户还是住户，都不必仅根据几张外型图来擘画工作和居住场所的未来图景。通过孪生技术，设计师可以以任一角度和比例将他们感兴趣的建筑物呈现在面前，例如在确定家装方案时，住户可以很容易看出家具的尺寸和颜色与整体的协调程度，从而做出修改。

设计师在做数字孪生设计的时候要花大量的时间进行数字建模，但后期跟用户的沟通和修改变得简单多了，由此产生的纠纷会减少，交易速率会显著提升。因为用户借由数字孪生技术对设计师的设计有了更直观、更清晰和更快速的理解。

（三）地形匹配

在军用领域中，地形匹配是巡航类武器常用的制导方式。巡航导弹由于突防需要，以低空和高亚音速飞行，惯性制导和卫星制导都有难以克服的障碍。在靠近目标区域附近建立的3D数字地图，就成为巡航导弹定位和定向的关键。高精度的数字孪生地图甚至可以使巡航导弹的打击精度控制在10米的数量级。把极端复杂的地形地貌抽象为具有显著地理特征的数字孪生地图，使得巡航导弹携带的测控传感器有了大用场。本质上，这是在提升设备的“使用效率”。

三、工业领域的实际需求

各类3D软件在工业领域的应用由来已久，在涉及机械设计和加工的相关产业，没有3D软件的支持经营几乎寸步难行。然而，各种CAD/CAE等3D软件只是工业数字孪生技术应用的一个方向，工业数字孪生技术旨在建立一个基于工业生产全过程的数字生态，并在这个生态上开展动态运营。

（一）设计

这里的设计不仅是指产品设计，更重要的是包含工厂设计。流程工业中最常使用的3D配管设计就类似于工厂数字孪生所需要的场景。基于企业自身进行数字孪生设计的好处是在新建工厂或改造前，能够提前从工艺、土建、动力等各专业角度进行分析，运营人员也能够提前对建设项目进行评估和认知。

设计人员的总图评审和交付即以数字孪生的形式进行，各专业都以统一的空间位形基准来讨论和修改现有的设计方案，有助于快速发现问题和达成一致意见。洛克希德·马丁（Lockheed Martin）公司是最早参与AFRL机身数字孪生体项目的公司之一，长达10年的数字孪生体设计转型，使洛马在F-35战斗机的协同开发上收获颇多。

（二）施工

工程项目在进入施工阶段后，由于工程变更，会产生大量图纸、文件和注释等纸质文档，完工后维护和查找这些文档既耗时又费力。数字孪生应用于工程施工后，数字孪生体就成为一个有别于传统意义的孪生数据库，通过它可以动态、实时地记录数据，添加和修改施工信息。数字孪生可以作为枢纽整合海量异构源数据，因为数字孪生体自身具有极强的逻辑性和索引性。

在施工阶段，通过数字孪生技术，能够将施工场内的平面元素立体直观化，以利于优化各阶段场地的布置。无论在设计交底、施工排程、工期监理还是专业部门的工程验收上，工程中应用数字孪生技术都有助于提前发现问题，从而提升整体作业效率并且显著降低工程损失。

（三）运维培训

现代工业人员流转率远超改革开放初期，人员流转对工业企业，特别是先进制造业和流程工业是非常头疼的事。新员工培训的成本不仅表现在培训期的人力成本和培训费用上，企业也会因新手的不稳定操作和非优化点操作而造成生产成本的提升。

使用数字孪生技术构建工厂模型后，可以根据不同岗位的需要，对设备或装置设置模拟操作流程。新员工在熟悉厂区和设备后，可以按照操作规程的要求在工厂模型中逐步体验和理解生产过程，并允许进行试错。例如在精馏模拟操作中，新员工如果错误调节了再沸器的蒸汽流量，就可能导致精馏塔液泛，进而引起控制系统一系列复杂的连锁反应；再例如精益生产中如果新员工希望通过快速提升AGV的运行速率来达到提升产能的目的，就可能造成AGV排队或死锁。新手员工在模拟操作过程中看到了误操作的后果，有助于他们迅速理解看似麻烦的操作规程中隐含的道理。

（四）安环

安全和环保在工业生产中既重要又复杂，任何企业都不希望在生产过程中出现安全责任事故和环保责任事故。专设的安全员和环保员必须对企业的生产流程、装置布局和运行特点非常熟悉。这就意味着，这些非直接生产岗位需要能力和经验都比较丰富的工程师才能胜任。

数字孪生与DCS或SCADA系统相结合，可以方便地将安全和环保系统的全貌尽收眼底，对于具有安环工程基本理论的工程师，可以相当快速的学习和适应企业的相关岗位，在法律法规允许的情况下，可以实现一人联岗，从而降低企业的非直接生产性人员成本投入。

四、数字孪生技术在工业领域应用的发展方向思考

以生产和经营“效率提升”为目的，是数字孪生技术在工业系统中应用的本质需求。数字孪生绝不应给业界留下花里胡哨和华而不实的印象。数字孪生技术应充分基于工业生产全生命周期的特点和痛点，有针对性的提炼出属于工业系统的数字孪生功能，而非停留在观感和导航的基础功能上。为此，可以从几个方向去开拓。

（一）按照企业的功能区分“图层”

现有数字孪生技术，对类似CAD中“图层”概念的应用还比较模糊，构建一個均质化的工业数字场景已属不易。然而由于工业部门的生产组织是高度分工和专业化的，这就要求数字孪生在工业的应用中，必须以工业生产部门的“功能”为系统，清晰地区分出若干“逻辑图层”。

例如生产部门的监控对象就是工艺装置，道路设施厂房框架就可虚化、简化或隐匿；例如仪表控制部门就是仪表位置和线路路由；再例如管道管束部门，管廊管架和管道沟井的具体位置和走向需要凸显，建筑和道路可虚化。

总之，一个企业各个部门，都在一个数字孪生的总体架构上，分门别类的体现各业务重点，而不是开发出若干套毫无关联的系统。以工业业务功能为出发点，开发的工业数字孪生系统，能有效提升各部门的作业效率。尤其在部门间存在交叉协作任务时，运维人员的理解和认知效率的提升更为显著，这样的数字孪生系统无疑是工业企业更需要的。

（二）数字孪生与真实场景的数据融合

实践表明，经过试点后，企业对数字孪生系统的特点和优点普遍认可，但大多数都提出了数字孪生应与真实场景相融合的需求。也就是“问题发现+问题确认”的模式。

数字孪生建立了关于生产装置或生产线的全过程图景，生产过程中出现的问题能够被迅速地捕捉、定位、呈现。然而运维人员希望实时观察设备的细节，甚至快速回溯故障和事故发生的全过程。这就需要数字孪生系统与现场影像系统相结合，在出现异常时，不仅提示异常的位置、种类、工艺参数和电控仪表的连锁动作，也同步切出现场视频供运维人员分析判断。甚至针对异常状态下可能出现的次生效应，也应有范围、位置的预判和示警。

（三）数字孪生系统中“体与体”的作用

数字孪生技术在工业中的应用不能止步于3D呈现，只将现实体与虚拟体进行“同型”和“同态”，还要进一步延伸为“同理”。也就是“体与体”的“作用”遵从相同的自然法则。

简单的“同理”，比如在数字孪生技术搭建的虚拟工厂中，产线物流的在制品运输拥塞，则系统根据规则自动判定产线降低运行节拍甚至停车。复杂的“同理”，比如某高温高压储罐出现超温超压后会自动开启泄压阀并将罐内物流切换至火炬系统中进行紧急排空；又比如在某处发生了火灾，则其临近的设备设施在一定时间后会面临损毁并引发次生灾害的数值模拟。

“体与体”的作用是数字孪生系统更高层级的功能，它要求数字孪生系统将工业生产装置的部件（“体”）边界化和具体化，而不仅仅只是看起来像真实场景。同时，也要将各种物理和化学效应引入这些“体”中，使“体和体”的作用更加符合实际，以及具有前瞻性。

五、结语

再现、同步、模拟和优化，是数字孪生技术在工业应用的四个不同的发展阶段。数字孪生技术从一开始就以真实物理世界的场景再现为出发点。目前与物联网的结合，使同步的功能逐步得到充实。接下来，以被孪生的物理系统为模型，按照客观物理规律进行运行并获得效果，就是模拟阶段的重要工作，这跨出了数字孪生最重要的一步。在模拟的基础上，通过各种方法获得优化当然是使用数字孪生技术的一个初衷。

数字孪生技术有其自身发展的历程，工业应用也有其自身的特点。抓住数字孪生技术是以“促进工业系统运行效率提升为宗旨”的目标，就有望将数字孪生技术与工业系统应用相结合的工作，做得更有效率，更有深度，从而获得更广泛的应用。

作者单位：江西冠英智能科技股份有限公司