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數字孿生產業技術白皮書(2022版)(一)

發布于 2022年07月09日

十三屆全國人大四次會議表決通過了關于國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要的決議。綱要共分19章。其中第五章和第十五章明確提出“加快數字化發展,發展數字經濟”。“迎接數字時代,激活數據要素潛能,推進網絡強國建設,加快建設數字經濟、數字社會、數字政府,以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革”。“充分發揮海量數據和豐富應用場景優勢,促進數字技術與實體經濟深度融合,賦能傳統產業轉型升級,催生新產業新業態新模式,壯大經濟發展新引擎”。

 

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“十四五”規劃中強調“數字經濟”是未來推動經濟發展的重要手段。對中國現有經濟全面進行“數字化”轉型,將能夠使得傳統生產關系和生產元素按照最優原則(社會需求、經濟現狀、發展規劃)重新進行排列組合,進而得到最大化的合理利用,讓現有生產關系和生產元素能夠產生更高效的生產力價值,構筑起中國經濟未來高速發展的堅定基石。而企業作為市場經濟的微觀主體,其數字化建設情況的好壞將直接決定“數字經濟”的發展情況。

 

數字經濟是繼農業經濟、工業經濟之后的主要經濟形態,是以數據資源為關鍵要素,以現代信息網絡為主要載體,以信息通信技術融合應用、全要素數字化轉型為重要推動力,促進公平與效率更加統一的新經濟形態。數字經濟發展速度之快、輻射范圍之廣、影響程度之深前所未有,正推動生產方式、生活方式和治理方式深刻變革,成為重組全球要素資源、重塑全球經濟結構、改變全球競爭格局的關鍵力量。

 

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以下數字孿生產業技術白皮書(2022版)以較為淺顯易懂的方式對數字孿生的相關定義、特征進行闡述。并針對當前數字孿生的技術熱點、應用領域、產業情況等進行了分析,以下就其中要點摘錄如下:

 

一、概念

 

通俗來講,數字孿生是指針對物理世界中的物體,通過數字化的手段構建一個在數字世界中一模一樣的實體,借此來實現對物理實體的了解、分析和優化。從技術角度而言,數字孿生集成了建模與仿真、虛擬現實、物聯網、云邊協同以及人工智能等技術,通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態,通過指令來調控物理實體對象的行為,通過相關數字模型間的相互學習來進化自身,合理有效地調度資源或對相關設備進行維護。

 

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二.數字孿生關鍵技術

 

1.建模與仿真

 

建模,就是建立模型,就是為了理解事物而對事物作出的一種抽象,是對事物的一種無歧義的書面描述。建立系統模型的過程,又稱模型化。建模是研究系統的重要手段和前提。凡是用模型描述系統的因果關系或相互關系的過程都屬于建模。而數字孿生的目的或本質是通過數字化和模型化,用信息換能量,以更少的能量消除各種物理實體、特別是復雜系統的不確定性。所以建立物理實體的數字化模型或信息建模技術是創建數字孿生、實現數字孿生的源頭和核心技術,也是“數化”階段的核心。

 

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仿真是指利用模型復現實際系統中發生的本質過程,并通過對系統模型的實驗來研究已存在的或設計中的系統,又稱模擬。這里所指的模型包括物理的和數學的,靜態的和動態的,連續的和離散的各種模型。所指的系統也很廣泛,包括電氣、機械、化工、水利、熱力等系統,也包括社會、經濟、生態、管理等系統。只要模型正確,并擁有了完整的輸入信息和環境數據,就可以基本正確地反映物理世界的特性和參數。

 

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2.虛擬現實

 

虛擬現實(VirtualReality,簡稱VR)技術可以將系統的制造、運行、維修狀態呈現出超現實的形式,對復雜系統的各個子系統進行多領域、多尺度的狀態監測和評估,將智能監測和分析結果附加到系統的各個子系統、部件中,在完美復現實體系統的同時將數字分析結果以虛擬映射的方式疊加到所創造的孿生系統中,從視覺、聲覺、觸覺等各個方面提供沉浸式的虛擬現實體驗,實現實時且連續的人機互動。

 

VR 技術能夠幫助使用者通過數字李生系統迅速地了解和學習目標系統的原理、構造、特性、變化趨勢、健康狀態等各種信息,并能啟發其改進目標系統的設計和制造,為優化和創新提供靈感。通過簡單地點擊和觸摸,不同層級的系統結構和狀態會呈現在使用者面前,對于監控和指導復雜裝備的生產制造、安全運行及視情維修具有十分重要的意義,提供了比實物系統更加豐富的信息和選擇。目前很多互聯網企業都在不斷推出或升級數據呈現的空間或軟件包,工業數據分析可以在借鑒或借用這些數據呈現技術的基礎上,加強數據分析可視化的性能和效果。

 

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3.物聯網

 

物聯網(InternetofThings,簡稱IoT)是指通過信息傳感設備,按照約定的協議,把任何物品與互聯網連接起來,進行信息交換和通信,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。通俗地講,物聯網就是“物物相連的互聯網”,它包含兩層含義:第一,物聯網是互聯網的延伸和擴展,其核心和基礎仍然是互聯網。第二,物聯網的用戶端不僅包括人,還包括物品,物聯網實現了人與物品及物品之間信息的交換和通信。

 

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物聯網作為新一代信息技術的高度集成和綜合運用,具有滲透性強、帶動作用大、綜合效益好的特點,是繼計算機、互聯網、移動通信網之后信息產業發展的又一推動者。物聯網的應用和發展,有利于促進生產生活和社會管理方式向智能化、精細化、網絡化方向轉變,極大提高社會管理和公共服務水平,催生大量新技術、新產品、新應用、新模式,推動傳統產業升級和經濟發展方式轉變,并將成為未來經濟發展的增長點。

 

物聯網是數字孿生的載體,數字孿生是物聯網的底層邏輯。數字孿生和物聯網是相互成就的關系。一方面,物聯網為數字孿生的數據流和信息流提供參考架構。同時,數字孿生是物聯網發展應用的新階段。數字孿生之所以變得越來越受歡迎,是因為它能夠顯著降低物聯網生態系統復雜性并提高效率。

 

4.云邊協同計算

 

云計算(CloudComputing))是一種計算資源交付模型,集成了各種服務器、應用程序、數據和其他資源,并通過互聯網以服務的形式提供這些資源。通常對資源進行了虛擬化。邊緣計算(EdgeComputing)是一種分布式處理和存儲的體系結構,它更接近數據的源頭。例如,帶有視覺處理功能的攝像頭、通過藍牙向手機發送數據的可穿戴醫療設備等都利用到了邊緣計算。與云計算相比,邊緣計算更靠近終端,存在諸多優良特性,因此,邊緣計算和云計算的混合使用通常被認為是構建企業級物聯網解決方案的最佳實踐,這種方案便是云邊協同計算。

 

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對于邊緣計算來說,不同于把大量的資源整合的云計算平臺,邊緣云平臺更是一個分布式的平臺,因此云邊協同的特征是邊緣計算的主要特征之一,而云邊協同包含了各種協議和功能,涉及到了云計算的方方面面,因此在邊緣計算的發展過程中,云邊協同的功能實現情況成了影響邊緣計算的重要因素。

 

“共智”的目標是實現不同數字孿生智慧的交換和共享,其隱含的前提是單個數字孿生內部各構件的智慧首先是共享的。云邊協同計算則為數字孿生內部和之間進行智慧共享提供了可能。

 

5.大數據

 

大數據(Big Data)是指以容量大、類型多、存取速度快、應用價值高為主要特征的數據集合。目前正快速發展為對數量巨大、來源分散、格式多樣的數據進行采集、存儲和關聯分析,從中發現新知識、創造新價值、提升新能力的新一代信息技術和服務業態。大數據必須采用分布式架構,對海量數據進行分布式數據挖掘,因此必須依托云計算的分布式處理、分布式數據庫和云存儲、虛擬化技術。大數據的主要特征為:數據量巨大,數據類型多,數據流動快,數據潛在價值大。

 

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在數字孿生中,物聯網的一項重要作用就是收集來自物理世界的數據,這種數據往往具備大數據特征。數字孿生使用這些數據的一種模式就是通過機器學習技術,在物理機理不明確、輸入數據不完備的情況下對數字孿生的未來狀態和行為進行預測,盡管這種預測未必準確,特別在數字孿生的發育期,機器學習時間尚不充足。但相比一無所知,這種預測仍富有價值。而且隨著數字孿生的進化,這種預測會越來越逼近真實世界,使得數字孿生擁有“先覺”能力。

 

6.人工智能

 

人工智能(ArtificialIntelligence,簡稱AI)是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。人工智能的應用可能會出現在工業互聯網的各個環節,尤其是在數據應用的環節。利用機器學習和預測分析算法,工業大數據可以在預測、維護等用例場景中產生價值(如預測和預防制造機器、飛機、汽車、火車、風力渦輪機、輸油管道等出現的機器故障或組件故障),包括生產過程早期的產品質量預測和產品質量優化(如鋼鐵行業),連續生產過程中的關鍵情況預測、預防(如化學工業),產品壽命預測(如汽車發動機、風力渦輪機部件、電池等)以及能源需求預測、價格預測等。

 

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數字孿生正在與人工智能技術深度結合,促進信息空間與物理空間的實時交互與融合,以在信息化平臺內進行更加真實的數字化模擬,并實現更廣泛的應用。將數字彎生系統與機器學習框架學習結合,數字孿生系統可以根據多重的反饋源數據進行自我學習,從而幾乎實時地在數字世界里呈現物理實體的真實狀況,并能夠對即將發生的事件進行推測和預演。數字孿生系統的自我學習除了可以依賴于傳感器的反饋信息,也可以通過歷史數據,或者是集成網絡的數據學習,在不斷的自我學習與迭代中,模擬精度和速度將大幅提升。

 

7.區塊鏈

 

區塊鏈(Blockchain)技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算方式。區塊鏈的核心技術包括:(1)點對點分布式技術;(2)共識機制;(3)智能合約;(4)非對稱加密技術。

 

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區塊鏈本質上是一種解決信任問題、降低信任成本的信息技術方案。區塊鏈技術的應用,可以取締傳統的信任中介,顛覆傳統上存在了幾千年的中心化舊模式,在不需要中心化信任中介的情況下,解決陌生人的信任問題,大幅降低信任成本。數字孿生是典型的數字資產。在眾多數字孿生“共智”的過程中,必然存在數字資產的交易。區塊鏈提供的去中心化的交易機制能很好地支持分布、實時和精細化的數字資產交易,可以成為數字孿生最佳的資產交易媒介。同時它也能引入信任度,持續保持透明度,很好地支持數字資產交易生態系統的參與主體,包括數字資產的采集、存儲、交易、分發和服務各個流程的參與者。最后,去中心化數據交易網絡也需要在可擴展性,交易成本和交易速度方面有突破,才能加速推動數字資產的商用化。

 

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8.第五代移動通信技術

 

第五代移動通信技術(5th Generation Mobile CommunicationTechnology,簡稱5G)是具有高速率、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術,是實現人機物互聯的網絡基礎設施。5G 作為一種新型移動通信網絡,不僅要解決人與人通信,為用戶提供增強現實、虛擬現實、超高清視頻等更加身臨其境的極致業務體驗,更要解決人與物、物與物通信問題,滿足移動醫療、車聯網、智能家居、工業控制、環境監測等物聯網應用需求。最終,5G 將滲透到經濟社會的各行業各領域,成為支撐經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施。

 

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數字孿生是5G 物聯網時代的一個重要場景應用。5G網絡的場景應用包括:增強移動寬帶、海量機器類通信、高可靠&低時延通信。海量的應用場景和模式都是在這三者的基礎上衍生出來的。增強移動寬帶可以全面提升網絡速度,增強網絡體驗。海量機器類通信可以鏈接更多的智能終端,實現萬物互聯。高可靠&低時延通信將應用于自動駕駛、移動醫療等精度要求高的行業。數字孿生便是上述應用場景的衍生之一。

 

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數字孿生是 5G賦能產業鏈上的重要一環。數字孿生作為5G衍生應用,加速了物聯網的成型和物聯網設備數字化,這與5G三大場景之一的萬物互聯需求強耦合。此外,數字孿生還是5G推動工業互聯網發展過程中的助燃劑,5G時代數字孿生不可或缺。

另外,計算機仿真、信息物理系統、增強現實和混合現實、元宇宙都是數字孿生相近領域。

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