什么是数字孪生技术?

2025-03-27 00:40:53

推荐回答（5个）

回答1：

数字孪生又称“数字双胞胎”，是将工业产品、制造系统、城市等复杂物理系统的结构、状态、行为、功能和性能映射到数字化的虚拟世界。

通过实时传感、连接映射、精确分析和沉浸交互来刻画、预测和控制物理系统，实现复杂系统虚实融合，使系统全要素、全过程、全价值链达到最大限度的闭环优化。

数字孪生的具体应用

近年来，随着5G、物联网、云计算、大数据、人工智能和混合现实等新一代信息技术的发展，数字孪生在理论层面和应用层面均取得了快速发展。数字孪生与产业技术的深度融合，有力推动了相关产业数字化、网络化和智能化的发展进程，正成为产业转型升级的强大推动力。

在工业产品研发领域，通过构建工业产品与装备的数字孪生，可以实现产品装备的服役监测和健康管理。例如，当航空飞行器在天上飞行的时候，地面的数字孪生系统就可以通过采集的飞行器实时传感数据。

精确模拟飞行器的运行状态，预测飞行器的未来性能和潜在故障等，甚至可以提前15~30天发现一些潜在的故障。数字孪生深刻改变了未来产品的形态，未来企业交付给客户的产品将不仅仅是物理实体，而是虚实共融的孪生形态。

回答2：

“数字孪生”这一概念最早是在1991年由David Gelernter出版的《镜像世界》中提出的。到2002年，Michael Grieves博士（当时在密歇根大学任教）首次将数字孪生的概念应用于制造业，并正式宣布了数字孪生软件概念。最终，NASA的John Vickers在2010年提出了一个新的术语--"数字孪生"。

其实，使用数字孪生体作为研究物理对象的手段的核心思想实际上可以在更早的时候被见证。事实上，可以正确地说，美国宇航局在20世纪60年代的太空探索任务中率先使用了数字孪生技术，当时每个航行的航天器都被精确地复制成一个地球上的版本，供美国宇航局的飞行人员用于研究和模拟。

数字孪生如何工作？

数字孪生是一个通过虚拟模型准确反映一个物理对象。例如，一个风力涡轮机，配备了与功能的重要领域相关的各种传感器。这些传感器产生关于机器性能各方面的数据，如能量输出、温度、天气条件等。这些数据会被转发到一个处理系统，并应用到数字副本中。

一旦获悉这些数据，虚拟模型就可以用来运行模拟，研究性能问题同时进行改进，产生有价值的见解，最终应用于原始实物。

数字孪生的类型

根据产品的放大程度，有各种类型的数字孪生，应用的领域各不相同。在这篇文章中，让我们通过数字孪生体的类型来了解它们的区别和应用方式。

1、组件孪生/部件孪生

组件孪生是数字孪生的基本单位，是一个运作中的组件。零件孪生大致上是同样的东西，但涉及的是重要性稍低的组件。

2、资产孪生

当两个或多个组件一起工作时，它们形成了所谓的资产。资产孪生让你研究这些组件的互动，创造大量的性能数据，这些数据可以被处理，然后转化为可操作的结论。

3、系统或单位孪生

下一层次的放大涉及到系统或单元孪生，它使你能够看到不同的资产是如何组合在一起形成一个完整的运作系统的。系统孪生提供了有关资产互动的可见性，并可能提出性能改进的建议。

4、流程孪生

流程孪生是宏观层面的放大，揭示了系统是如何协同工作来创建整个生产设施的。这些系统是否都同步以最高效率运行，或者一个系统的延迟会影响其他系统？过程孪生可以帮助确定最终影响整体效率的精确方案。

数字孪生应用

• 发电设备

大型发动机（包括喷气式发动机、机车发动机和发电涡轮机）从数字孪生的使用中获益匪浅，特别是建立了定期维护的时间框架。

• 架构极其系统

大型物理结构，如：大型建筑或海上钻井平台，可以通过数字孪生得到改善，特别是在设计期间。

• 制造操作

由于数字孪生是为了反映一个产品的整个生命周期，所以数字双胞胎在制造的所有阶段变得无处不在，指导产品从设计到成品，以及中间的所有步骤，这并不令人惊讶。

• 医疗保健服务

就像产品可以通过使用数字双胞胎进行分析一样，接受医疗服务的病人也可以。同样类型的传感器生成的数据系统可以用来跟踪各种健康指标并产生关键的洞察力。

总之，数字孪生的发展前途无限，这项技术在不断增加认知能力，不断学习新的技能和能力，这意味着他们可以继续产生所需的洞察力，使产品更好、流程更有效率。

回答3：

数字孪生工厂重在实现工业现场多维智能感知、基于人机协作的生产过程优化、装备与生产过程数字孪生、质量在线精密检测、生产过程精益管控、装备故障诊断与预测性维护、复杂环境动态生产计划与调度、生产全流程智能决策、供应链协同优化。

在工业生产领域，《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》《“十四五”智能制造发展规划》等规划文件指出，要推动智能制造、绿色制造示范工厂建设，构建面向工业生产全生命周期的数字孪生系统，探索形成数字孪生技术智能应用场景。

数字孪生工厂可围绕机械、汽车、航空、航天、船舶、兵器、电子、电力等重点装备领域，建设数字化车间和智能工厂，构建面向装备全生命周期的数字孪生系统，推进基于模型的系统工程（MBSE）规模应用，依托工业互联网平台实现装备的预测性维护与健康管理。

数字孪生对数据的完整性提出了事无巨细的要求，让企业工厂“自主掌握数据”成为一个基本要求。归根结底，一座数字孪生工厂，就是整个工厂的所有数据的集合。

那么什么是数字孪生工厂？看看这个你就懂了

高速生产的流水线中，每一个环节掉链子，都会打乱整个生产节奏。水泥的生产工艺可概括为“两磨一烧”，即生料制备(生料磨)、熟料煅烧(烧成)和水泥粉磨(水泥磨)。图扑软件可视化搭载传感器进行远程遥控，代替人工操作，实现实时采集现场数据，不断地根据生产工况调整控制参数，使产线稳定运行，并根据设定目标优化整个系统，最大限度地满足提产降耗和稳定质量的目标。

数据可视化形式能预测性维护主要针对故障发生频率低，一旦发生故障对生产有较大影响的设备，如水泥产线上的磨机、辊压机和提升机等都是重点关注对象。数字孪生水泥厂功能中包含但不限于：

数据概况 -- 展示全厂年月时间单位的各项数据概况
窑系统运行 -- 用窑工艺流程动画展示窑系统实时运行状态
系统运行情况 -- 用动画流程图展示整个系统运行情况
生料质量控制 -- 用图表和流程图展示各种生料的配比情况
熟料质量控制 -- 用动画流程图展示各种熟料的配比情况
煤粉质量控制 -- 用图表和流程图对煤粉质量进行监控
智能物流 -- 通过 3D 场景实时监控进出厂车辆，和各项原料运输情

确切的说，除了水泥行业，数字孪生工厂解决方案还适用于冶金、电力、石化、化工、消费品等行业。凭借全业务流程、全生产要素、全价值链路的一站式高度自主可控的解决方案，能够有效实现系统稳定、提质降耗、节能减排、降本增效等目标。

再以汽车工厂为例

要造最好的车，肯定要配最好的工艺和装备，这是汽车工业颠扑不破的真理。

汽车工业是一种典型的离散制造，产品的生产过程通常被分解为很多零件，在不同的工厂甚至不同的企业里生产，生产过程更为复杂多变。数字孪生工厂则实现了一屏掌管整个厂区流水线运作细节。而与之相对的则是流程制造，例如钢铁、水泥、服装等工厂，用一条生产线就将原料制成成品。

数字孪生工厂将现实工厂 3D 形态的完全模拟，与真实的生产环境1：1对应，大到整厂，小到车间每台设备和生产动作，都一一映射。人无需到车间，就能看到生产现场一举一动。“拖” “拉” “拽”等简单交互，管理人员轻轻松松查看每一个车间的工作情况细节。

回答4：

其实数字孪生并不算是完全的新技术，而是建模仿真技术在制造领域的新发展之一。与一般的建模仿真相比，数字孪生的模型是数字化、动态的，数字模型与其物理对象始终保持一致。

然而技术的发展历来逃不开一个重要命题，那就是能否创造实际价值。数字孪生作为对实体对象的动态仿真，其对于企业的价值创造也成为新近热点。

数字孪生创造的商业价值是非常明确的，包括持续提升产品绩效、加快设计周期、发掘新的潜在收入来源，以及优化保修成本管理。

控制产品质量：数字孪生可以提升整体质量，预测并快速发现质量缺陷趋势，控制质量漏洞，判断何时会出现质量问题；

优化保修成本及客户体验：数字孪生能够了解当前设备配置，优化服务效率，判断保修与索赔问题，以降低总体保修成本，并改善客户体验；

减少运营成本：数字孪生则可以改善产品设计，有效实施工程变更，提升生产设备性能，减少操作与流程变化；

数据可追踪：数字孪生能够帮助创建数字档案，记录零部件与原材料编号，从而更有效地管理召回产品与质保申请，并进行强制追踪；

控制时间和总体成本：数字孪生将缩短新产品上市时间，降低新产品总体生产成本，有效识别交付周期较长的部件及其对供应链的影响；

提高效率，降低成本：对于收入增长机会来说，数字孪生则能够识别有待升级的产品，提升效率，降低成本，优化产品。

回答5：

数字孪生（Digital Twin）是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为。

简单的说，数字孪生就是在云端搭建一个和实际场景一模一样的虚拟现实环境，把实际环境的变化映射到虚拟现实场景中；同时，在虚拟现实场景中的操作也同步影响现实世界中的设备运行。数字孪生的核心有两个，一个是物联网，一个是三维可视化仿真。

其实，用一句话简单概括：数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造了一个数字版的“克隆体”。就好比现实世界的你拥有了一个数字世界的 “孪生兄弟”，你俩完美同步，数字世界的他甚至会比你更快地看待未来世界，提前告诉你未来会发生什么，如何应对。

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