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數字孿生產業技術白皮書(2022版)(二)

發布于 2022年07月16日

一、產業發展概述

數字孿生是近年來興起的非常前沿的新技術,或者說最近幾年才走入民用領域的一項技術。對數字孿生的簡單理解就是利用物理模型并使用傳感器獲取數據的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,以反映相對應的實體的全生命周期過程;數字孿生技術可以理解為通過傳感器或者其他形式的監測技術,將物理實體空間借助于計算機技術手段鏡像到虛擬世界的一項技術??梢哉f,在未來,物理世界中的各種事物都將可以使用數字孿生技術進行復制。

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在工業領域,通過數字孿生技術的使用,將大幅推動產品在設計、生產、維護及維修等環節的變革。在對數字彎生技術研究探索的基礎上,可以預見其即將在以下幾大領域中落地,并將推動這些產業更快、更有效地發展,如五維模型在衛星/空間通信網絡、船舶、車輛、發電廠、飛機、復雜機電裝備、立體倉庫、醫療、制造車間、智慧城市、智能家居、智能物流、建筑、遠程監測、人體健康管理領域中產生巨大影響與改變。

二、典型應用領域:數字孿生制造

1、數字孿生制造發展現狀

智能制造中對于物聯網技術的應用已經不言而喻,如今物聯網技術融入了數字孿生之后,便能夠更具體地為產品的全生命周期提供服務。例如一些復雜工業產品的制造過程中,需要有全局規劃。而設計人員與制造人員分屬不同環節,出發點也不同,容易導致設計信息的流失,制造人員很難準確理解設計人員的意圖,增加出錯的機率。利用數字彎生,對所需制造的產品、制造的方式、資源以及地點等各個方面進行系統規劃,實現設計人員和制造人員的協同。因此,數字孿生投資應由價值鏈驅動,以便于產品與資產相關方能夠以更加結構化的整體方式在其供應鏈中管理工業機械、設施、產品或資產。

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從趨勢及應用效果上來看,數字孿生無疑會影響到眾多物聯網應用行業。另一方面,數字孿生演化并累積了越來越多的歷史數據,面對擁有編程工具的廠商,數字孿生所有者將面臨著逐步受制于這些廠商的風險。需要提醒 IT架構師與數字孿生所有者為數據格式與數據存儲的長期演化做好規劃,以免在應用技術的同時陷入被動風險。

2、典型應用領域:數字孿生城市

1)數字孿生城市發展現狀

當前,城市數字孿生已經發展成為支撐智慧城市的重要技術手段。城市數字孿生通過在數字空間對城市物理空間和社會空間進行全要素表達、全過程呈現、全周期可溯,實現城市全面感知、虛實交互、智能決策、精準控制,推動城市智能化、智慧化發展。2021年3月,《中華人民共和國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》(簡稱 “十四五”規劃綱要)發布,明確指出“完善城市信息模型平臺和運行管理服務平臺,構建城市數據資源體系,推進城市數據大腦建設”“探索建設數字孿生城市”,為城市數字孿生營造了良好的發展環境。標準是促進技術和應用創新發展的重要抓手。2021年12 月,國家標準化管理委員會、網信辦、科技部、工信部等十部門聯合印發《“十四五”推動高質量發展的國家標準體系建設規劃》。該規劃明確指出“圍繞智慧城市分級分類建設、基礎設施智能化改造、城市數字資源利用、城市數據大腦、人工智能創新應用、城市數字孿生等方面完善標準體系建設”,明確將城市數字孿生納入智慧城市標準體系的重要組成部分。但是,城市數字孿生領域國際國內標準化工作仍處于起步階段,亟待整體規劃、加速推進。

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2)數字孿生城市典型應用場景

當前,城市數字孿生典型應用場景主要包括城市規劃、城市建設、城市治理、智慧園區、智慧交通、智慧能源等。分別描述如下:

a.城市規劃

在城市規劃領域,構建總規、控規、專規、城市設計、地下空間設計等全要素、全空間的城市規劃模型,依據規劃建設容量,以定量與定性方式,基于專題分析、模擬仿真、動態評估、深度學習等方法,對城市虛擬規劃和場景仿真模擬,實施動態性監管城市開發和城市生長更新的整體規劃實施情況。提出市域城鄉統籌發展戰略,保證規劃建筑、綠地、公路、橋梁、公共設施等每一寸土地時實現綜合效益的最優化,推動城市規劃有的放矢提前布局。

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b.城市建設

在城市建設領域,圍繞城市建設中“人員、安全、進度、協同、環境”幾個重要因素,構建數字孿生信息化應用系統,對建設過程中涉及的人、機、料、法、環等生產要素進行數字化,實現對項目施工信息、工程進度、重大事件實時更新,并通過系統同步配置用戶的組織結構、智能權限,結合各類子系統應用實現信息有效觸達、問題及時跟進、工地有序管理,為建設方、施工方、監理方、設計方及相關人員提供應用服務,有效解決城市以及新區建設過程中的復雜性和不確定性等行業痛點,打造安全可靠、綠色環保的城市建設。 

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c.城市治理

在城市治理領域,城市治理是推進國家治理體系和治理能力現代化的重要內容,通過城市數字孿生匯聚 GIS數據、影像數據、高程數據、OSGB、BIM、專題數據等多維時空數據,對接城市管理、生態治理、交通治理、市場監管、應急管理、公共安全等不同領域系統,以城市事件綜合管理、重大事件和特殊場景需求為驅動,將“自學習、白優化、白演進”功能融入城市治理過程之中,制定全域一體的閉環流程和處置預案,對癥下藥精準施策,更好地把影響城市生命體健康的風險隱患察覺于醞釀之中、發現在萌芽之時、化解于成災之前,實現引導城市規劃建設,達到精準化治理效果。

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d.智慧園區

園區作為城市的核心單元,智慧園區建設已成為當今城市規劃和社會發展的關注焦點,也是產業園區和社區發展的必然趨勢?;诔鞘袛底謱\生感知化、互聯化、平臺化、一體化的手段,實時接入園區 IoT 設備、資產、能源、設施及環境等數據,建立基于園區實時運行狀況的數字孿生場景,融合園區數字孿生、運用管理、業務管理為一體,實現對園區總體情況、設備運維、物業管理、安全管控、運營服務等全要素、全流程可查、可管、可控、可追溯,打造“安全、智慧、綠色”的園區,提升園區的社會和經濟價值,開創智慧園區的立體多維管理新模式,從而實現園區經濟可持續發展的目標。

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e.智慧交通

在智慧交通領域,通過融合多源異構數據,搭建包含基礎交通設施、動態車流、時空、地理等信息的交通數字孿生底座,并融入物聯網、云計算、大數據、移動互聯等前沿IT技術,匯集各類交通信息,提供實時交通數據下的交通信息服務。并利用AI圖像識別、仿真算法等數據處理技術,實現智慧交通系統性、實時性、信息交流的交互性以及服務的廣泛性,有效解決了交通感知難、出行難、治理難、維護難的行業痛點,進一步提升交通“規、建、管、運、服”能力,助力建成便捷順暢、經濟高效、綠色集約、智能先進、安全可靠的現代化高質量國家綜合立體交通網,實現“交通強國”目標。

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f.智慧能源

在智慧能源領域,統籌大數據、人工智能、物聯網等新一代信息技術,構建與物理城市能源相匹配的數字城市能源系統,挖掘真正的數據需求,建立科學的決策程序,用數據分析結果指導實踐,實現城市能源系統全要素數字化和虛擬化,全狀態實時化和可視化、運行管理協同化和智能化,實現物理城市和數字城市虛實交互。通過“智慧化”使能源轉化效率、能源傳輸效率、能源基礎設施利用效率、能源與經濟社會的結合效率顯著提升,最終實現能源系統更加高效、清潔、低碳。

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三、產業未來發展趨勢

1、技術發展趨勢

數字孿生主要技術包括信息建模、信息同步、信息強化、信息分析、智能決策、信息訪問界面、信息安全等七個方面,盡管目前已取得了很多成就,但仍在快速演進當中。模擬、新數據源、互操作性、可視化、儀器、平臺等多個方面的共同推動實現了數字孿生技術及相關系統的快速發展,隨著新一代信息技術、先進制造技術、新材料技術等系列新興技術的共同發展,上述要素還將持續得到優化,數字孿生技術發展將一邊探索和嘗試、一邊優化和完善。

2、標準化趨勢

隨著ISO、IEC、ISO/IECJTC1、IEEE、全國信息技術標準化技術委員會、國家智能制造標準化總體組等國內外標準化組織或機構對數字孿生標準化的關注與推動,《數字孿生概念與術語》(ISO/IECJTC1AWI5618)《數字孿生應用案例》(ISO/IECJTC1AWI5719)《智能制造虛擬工廠參考架構》(20182046-T-339)、《智能制造虛擬工廠信息模型》(20182047-T-339)等多項數字孿生相關國際、國家標準獲得立項或提出討論。未來,數字孿生領域基礎共性及關鍵技術標準將不斷涌現,依托正在研制的數字孿生概念框架等標準,通過聚焦核心標準化需求逐步建立基本的數字孿生標準體系并孵化典型行業中的數字孿生應用標準,形成國際標準、國家標準、行業標準和團體標準良性互動的局面。

3、應用趨勢

長期以來,使用虛擬的模型來優化流程、產品或服務的想法并不新鮮。但隨著具有復雜的仿真和建模能力、更好的互操作性和IoT傳感器以及電力系統可視化的數字化仿真平臺和工具的廣泛使用,使企業逐漸意識到創建更精細、更具動態感的數字化仿真模型成為可能。

目前,越來越多的企業,特別是從產品銷售向“產品+服務”轉變的企業,正在廣泛應用數字孿生技術。數字孿生的大規模應用場景還比較有限,涉及的行業也有待繼續拓展。仍然面臨企業內、行業內數據標準體系并孵化典型行業中的數字孿生應用標準,形成國際標準、國家標準、行業標準和團體標準良性互動的局面。采集能力參差不齊,底層關鍵數據無法得到有效感知等問題。此外,對于已采集的數據閑置度高,缺乏數據關聯和挖掘相關的深度集成應用,難以發揮數據潛藏價值。從長遠來看,要釋放數字孿生技術的全部潛力,有賴于從底層向上層數據的有效貫通,并需要整合整個生態系統中的所有系統與數據。

隨著數字孿生技術的發展趨勢在未來幾年加快,越來越多的企業開始使用數字孿生技術優化流程,實時作出數據庫決策,并開始尋找修訂新產品、服務和商業模式的機會。在制造業、公用事業、能源等資本密集型產業中,成為數字彎生技術應用的先驅。如果早期的實踐者在各個行業領域表現出先發優勢的話,其他企業也緊隨其后。

從長遠來看,要實現數字孿生技術的所有潛力,可能需要整合整個生態圈的系統和數據。建立完整的客戶生命周期或供應鏈數字模擬,提供有洞察力的宏觀運營觀點,包括一線供應商及其自身供應商,但仍需要將外部實體集成到內部數字生態系統中。今天,大多數公司仍然不滿意點對點連接以外的外部整合??朔@種猶豫也許是一個長期的挑戰,但最終所有的付出都是值得的。將來,企業希望利用塊鏈打破信息孤島,驗證信息并輸入數字孿生。這將釋放以前無法訪問的大量數據,使模擬更加詳細、動態化和潛在價值。

 

 

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