背景

2021年10月15日，国家工业信息安全发展研究中心在第二届两化融合暨数字化转型大会上发布《工业设备数字孪生白皮书》。白皮书由国家工信安全中心和山东大学主编，中国船级社、中车四方股份等33家单位参编完成。白皮书系统地介绍了数字孪生的起源、发展和工业应用现状，从实施要素维度提出工业设备数字孪生的总体框架模型，并针对工业设备数字孪生实施中面临的痛点问题，研究提出工业设备数字孪生系统实施成熟度评估模型，为评估工业设备数字孪生系统的实施准备和实施成效提供了方法论，并围绕数字孪生在不同行业应用场景提供了风电设备、工程装备、数控机床等11类设备、32个数字孪生典型案例。

1.数字孪生技术起源与发展

孪生，即双胞胎；数字孪生，顾名思义，就是数字形式的双胞胎。数字孪生不仅是对现实实体的虚拟再现，还可以模拟对象在现实环境中的行为，并对其未来发展状态和趋势进行预测，通过对数字孪生体的改变来实现对现实世界中实体的提前预测和干预。

数字孪生起源于工业生产制造，是在基于模型的定义基础深入发展起来的，企业在实施基于模型的系统工程的过程中产生了大量物理的、数学的模型，这些模型为数字孪生的发展奠定了基础，其发展如图所示。

数字孪生近年的迅猛发展得益于物联网、大数据、云/边缘计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生的本质是新一代信息技术与不同领域技术的融合发展到一定阶段的产物，也正是因为以上技术的发展和应用的不断深化，数字孪生进入了新发展阶段，正在成为业界创新应用的重点。

2.工业数字孪生应用现状

数字孪生作为驱动数字化转型与创新的技术，已经开始助力生产力的变革和升级，改变人们的生产和生活方式。随着科学技术的进步发展，数字孪生的应用领域由最初的航空航天正逐步扩展至工业生产、建筑建设、医疗健康、城市管理、环境保护、安全急救、智慧农业、船舶航运、油气开采、电力输送等更加广阔的领域。随着对数字孪生技术的理论技术体系的深入探索，并以行业应用为导向，通过与具体领域知识深度融合，数字孪生逐渐融入各行各业，特别是在工业领域发挥越来越重要的作用。

在工业领域，数字孪生技术的应用专注于为智能设备、智能生产线和智能工厂构建数字孪生，其中，面向工业设备、生产线的数字孪生发展更加迅速、应用更加广泛，而数字孪生在智能工厂的发展和应用则相对缓慢。工业数字孪生应用现状如图所示。

3.工业设备数字孪生系统概念

分析企业、机构和研究者对数字孪生的定义，可以发现他们对数字孪生的定义是泛化的，没有涉及具体的概念，仅是一个框架，有明确的抽象概念但没有一定的形象概念。针对本书关注的工业设备而言，有其特殊性又不失一般性。

工业设备数字孪生系统是以具体应用需求为目标，基于实体数字建模、物联网、大数据、人工智能等多融合技术，通过构建物理空间与数字空间之间的闭环数据交换通道，实现数字空间和工业设备的虚实客观映射，在数字空间对物理设备的实时状态进行呈现，并对历史状态进行记录。基于其状态的映射和记录，面向具体应用需求，对物理空间的活动进行分析决策支持或闭环控制，并支持设备实体与数字孪生系统的双向迭代优化。其包括实现以上目标的物理设备、传感系统、计算系统、实体数字模型、数据模型、算法模型以及相应的应用软件。

4.工业设备数字孪生系统框架

基于工业设备数字孪生系统的定义，我们提出了一种面向工程应用的工业设备数字孪生系统总体框架。完整的工业设备数字孪生系统包含了物理空间、虚实交互、数字空间三个模块。在工业数字孪生系统中，依托虚实交互模块的感知与反馈控制通路，根据工业生产活动的真实数据和智能应用的反馈控制指令实现物理实体与虚拟实体的精准映射、交互融合和智能反馈控制，服务于研发设计、生产制造、智能运维、运行优化、智能决策等工业生产全过程。同时，物理空间和数字空间的功能又可在生产运行中进行持续改进迭代升级。如图所示。

5.工业设备数字孪生系统实施要素

根据上图所示的工业设备数字孪生系统框架，工业设备数字孪生系统的实施要素可分为物理空间、虚实交互、孪生数据、机理模型、分析/仿真/决策算法和智能应用六部分，不同实施要素之间相互交互支撑数字孪生系统的构建，如图所示。 

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