【愚公系列】《工业数字孪生与企业应用实践》004-面向智能制造的工业数字孪生

🚀前言

在全球制造业转型升级的浪潮中，智能制造正成为推动工业发展的重要动力。而工业数字化则是实现智能制造的基石，作为连接物理世界与数字世界的桥梁，工业数字化为企业提供了前所未有的洞察力和灵活性。通过数字技术的广泛应用，企业能够实时获取生产数据，优化资源配置，提高生产效率，进而实现全面的智能化转型。

在这一背景下，工业数字化不仅仅是技术的更新换代，更是思维方式和管理模式的深刻变革。它涵盖了从智能设备的互联互通到数据的智能分析，再到整个生产流程的数字化重构，为企业带来了新的商业模式和竞争优势。同时，工业数字化还助力企业实现精准制造和个性化定制，更好地满足市场日益变化的需求。

🚀一、面向智能制造的工业数字李生

🔎1.制造业数字孪生应用背景

制造业是全球经济的重要支撑，各国纷纷制定国家级发展战略，推动制造业高质量发展。中国通过《中国制造2025》《互联网+》《工业互联网》等战略，推动制造业与新型信息与通信技术（ICT）融合，促进制造业的数字化、智能化转型。在这一浪潮中，数字孪生成为关键技术之一。

数字孪生作为连接物理世界和信息世界的闭环优化技术，已成为推动制造业数字化转型的重要工具。它通过数据和模型驱动，实现业务和管理层面数据流的打通，实时映射、分析、反馈物理世界行为，优化工业全要素、全产业链和全价值链。它有助于提升资源优化配置、加快制造工艺数字化、生产系统模型化和服务能力生态化。

🔎2.数字孪生技术的广泛应用

随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新型ICT技术的普及，数字孪生在多个行业领域得到广泛应用，包括航空航天、电力、船舶、离散制造、能源等。应用场景涵盖研发设计、生产制造、营销服务、运营管理和规划决策等各个环节。

在智能制造领域，数字孪生被视为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，制造业可以实现产品在设计、生产、维护及维修等环节的变革。

🔎3.数字孪生在制造业中的核心地位

数字孪生技术基于模型、数据和服务优势，正成为制造业数字化转型的核心驱动力。它推动了全业务流程闭环优化，整合了从产品设计到生产、维护、维修的各个环节。

🔎4.数字孪生的基础与技术挑战

作为一项集成技术，数字孪生涉及多学科知识的应用，核心要素是模型和数据。然而，在制造业领域，由于行业间的差异，如原料、工艺、机理和流程等，模型的通用性较差。数字孪生面临以下技术挑战：

• 多源异构数据采集与集成：不同来源、格式和属性的数据难以协调与融合。
• 跨领域、多学科模型建设与融合：制造业涉及多个领域，模型难以统一与协同工作。
• 跨平台应用软件集成问题：不同平台间的软件整合困难。

为了应对这些挑战，数字孪生的关键支撑技术包括：

• 高效数据采集与传输：确保数据从物理世界到数字世界的顺畅流动。
• 多领域、多尺度融合建模：不同领域和尺度的模型能够互相融合。
• 数据与物理模型融合：将基于物理原理的模型与数据驱动的模型结合。
• 实时动态连接与交互：确保物理实体与数字模型的实时互动。
• 人机交互技术：通过数字孪生界面与用户进行高效互动。

这些技术的应用能促进制造业中跨企业、跨领域、跨产业的广泛互联互通，实现生产资源和服务资源的高效、精准优化。

🔎5.数字孪生技术的未来发展

随着企业数字化转型需求的增长，数字孪生技术将在制造业中发挥更加重要的作用。未来，数字孪生将在各个领域形成更深层次的应用场景，并通过跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的全面互联互通，推动制造业的全面转型。

🔎6.数字孪生功能架构

数字孪生的功能架构可以分为以下三层：

1. 连接层：具备数据采集感知和反馈控制功能，是数字孪生闭环优化的起点和终点。通过高效的感知机制获取物理对象数据，并通过反馈控制实现物理对象的执行。
2. 映射层：具备数据互联、信息互通和模型互操作功能。通过数据互联整合全生命周期数据，信息互通通过统一信息模型描述物理对象信息，模型互操作则融合多种模型（几何模型、仿真模型、业务模型、数据模型等）进行关联与集成。
3. 决策层：在连接层和映射层的基础上，通过综合决策进行描述、诊断、预测、处置等深度应用，最终将决策指令反馈给物理对象，支撑闭环控制。

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🔎7.数字孪生的三大典型特征

1. 全生命周期实时映射：通过实时数据修正孪生模型，实现物理对象和数字模型在整个生命周期中的实时映射。
2. 综合决策：通过数据、信息和模型的集成，实现智能分析和决策支持。
3. 闭环优化：数字孪生通过数据采集、决策分析、反馈控制等全过程的闭环应用，促进物理对象的优化与智能化。