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三、數字孿生的關鍵技術

數字孿生的戰略意義

數字孿生對行業、企業、組織的戰略價值有以下五點：

第一是可控制。檢測以往工業過程中可能無法發現的異常情況，快速甄別、控制風險。

第二是可追溯。數字孿生技術可以保留組織結構中的大量信息，易于進行驗證和復盤。

第三是可優化。優化生產體系和管理運營體系，找到氣象、交通、醫療等領域的問題點，實現制造企業從產品思維到產業思維的轉變。

第四是預測性。通過歷史數據進行預測。

第五是跨界性。相同的數據模型可以跨界不同的地理空間，也可以在不同的行業間跨界。比如，氣象數據對人們的生產生活產生了愈發重要的影響，已經成為全球最大的風險來源，需要同其他數據進行連接和跨界。

數字孿生的關鍵技術

數字孿生的構建非常重要，目前主要有三種關鍵技術，分別是數據處理技術、高保真模型和基于模型的仿真，星號越多代表重要性等級越高。

第一類是數據處理技術。首先是數據采集，很多數據技術可以進行數據采集，數據的準確性、真實性、有效性、及時性、全面性非常重要。其次是數據映射，數據能夠真實地反映物理對象的特征。再次是數據處理，大數據、算力以及算法模型都是在進行數據處理。最后是數據轉換，數據與設備連接時如何轉換也是關鍵技術。

第二類是高保真模型。首先，要用物理模型的方式呈現它的特征。其次是語義模型，需要對數據構筑完整的知識圖譜，把關鍵要素全部提煉出來。最后要把模型進行集成，這一步需要專業人員的深度的配合才能完成。

第三類是基于模型的仿真，即要能夠還原傳統運行模式中的路徑，包括多維度、離散事件、有限事件等，還包括交換接口和雙向的交互。基于模型的仿真是最關鍵的一步，通過對獲取數據進行分析判斷確定最有效運行模式的方法，明晰問題出現點得出改善建議。該技術實現了物理空間和虛擬空間的連接與優化。

下面列舉了一些已有的學術出版物上采用的關于高保真模型和基于模型的仿真的技術和方法。

四、數字孿生的業務實踐

數字孿生與數字化轉型的關系

數字化轉型是一個演變的過程。設計、制造、服務是將價值鏈簡化的三個步驟，這個過程包含很多數字化轉型環節，比如企業資源計劃ERP、制造執行系統MES、生產自動化系統、綠色能源管理系統，每個系統下面還有很多子系統，包括設計系統和售后服務系統，企業的橫向價值鏈通過一步步的數字化轉型建成了數字孿生。

金融業是數字密集型企業，整個業務形態本身就是數字化的，因此它的數字化轉型過程相對容易。但對一些傳統產業，如醫療、制造、交通產業，復雜度和投資的強度會高很多。

數字孿生在制造業中的應用

數字孿生在制造業中的應用包括在設計、制造、服務三個環節的應用。在設計環節進行迭代優化、設計數據完整性、進行虛擬評價驗證。在制造環節，進行實時監控、產品控制、資產管理、生產計劃、工件績效預測、人機協作交互和過程評價優化。在服務環節，進行預測性維護、故障檢測、狀態監控、績效預測和虛擬測試。

數字孿生的映射范圍

數字孿生的映射范圍包括單元級、系統級、平臺級和智能級，依次反映了數字孿生從低到高的成熟度。

最初級數字孿生的映射范圍是單元級，如將某件工業設備打造為數字孿生系統。第二級是系統級，如企業建工廠的時候在系統中把設備的運行、物料的配置等整個流程進行設計。平臺級是更大規模的，如有產業鏈、供應鏈的企業將上下游企業客戶都集成在平臺上。智能級是指算力算法能否對實際運作和供應鏈給予指導。

因此，數字孿生的映射范圍是可大可小的，未來新質生產力的打造需要全方位數字孿生體系的構建。

企業實踐案例

目前我國已經有一些企業實踐案例。在單元級，如異常事件的監測和處理、運行監測與防范、關鍵產品的數字化孿生。在系統級，如對研發生產全過程進行數字化仿真，貫穿企業車間、產線、工位的整個生產體系。在平臺級，如進行協同制造、智能制造服務和云制造服務平臺。在智能級，如通過智能仿真算法提高工序的柔性和重構性。

數字孿生如何提升新質生產力

一些企業通過數字孿生提升新質生產力，如國家軍工系統運20。它的迭代速度非常快，連接了一百多家一級供應商和三千多家二級、三級供應商，供應商之間的協同難度非常大，在運行中出現了很多困難，如上游的設計不能及時準確地傳遞到下游、上下游數據不一致、設計和制造返工等等，管理的復雜性導致供應鏈出現了各種各樣的問題。

于是，該企業通過創新性研究，運用幾何樣機、功能樣機和性能樣機三層結構把所有樣機數字化，將信息共享給供應鏈中的關聯成員，在數字孿生中進行協作。要確保需求的一致性、可追溯、可關聯和可驗證，需要對管理流程和設計流程進行梳理。

構建數字孿生并不只是打造數據庫或者是數據中臺，要通過數字孿生提升數據重用，設計數字樣機并通過其共享重用提升整個供應鏈的協同效率，數據重用率達到80%，提高勞動生產率。該企業之所以能夠成功，就是它對數字源頭的統一性、一致性、通用性、可操作性進行了嚴格的、高質量的管控，包括審查規劃、審查對象、審查協調、審查定制，提高后期的知識重用的效率。

通過數字孿生打造閉環，通過數據需求、仿真分析、設計、制造、試驗試飛、外場問題、技術通報再到需求，形成螺旋式上升的閉環，實現虛擬和實體高效的融合交互，是非常成功的案例。通過復雜度供應鏈的數字孿生，打通了流程、確保數據的一致性、確保組織的互通性、確保信息的高度集成和全過程可控，品質得到高效的提升。

同時，在數字孿生的構建過程中，供應鏈的合作伙伴借助工業互聯網平臺，在廣域的環境形成了新的組織形態，組織也發生了變革，企業邊界也被打破了，不僅是產品的創新、技術的創新，更是組織的創新和管理的創新。

最后進行總結。數字孿生的構建過程就是數字化轉型的過程。在數字孿生的構建過程中，第一步要做體系架構的梳理，即解決需求一致性的問題，精益化是前提。第二步要以信息化為基礎，業務系統要不斷的有數字孿生去映射，不能出現空白點。第三步要以自動化為關鍵，像博宇這樣的企業就是數據整合、數據清洗、數據分析模型的構建過程。第四步是以智能化為目標，逐漸實現人機交互。這是一個投資大的、艱難的探索過程，且有失敗的風險，要堅持到底才能勝利。