【愚公系列】《工业数字孪生与企业应用实践》010-国内外工业数字孪生发展情况

🚀前言

随着数字化转型的不断深入，工业数字孪生技术作为推动智能制造的重要驱动力，正受到越来越多国家和企业的高度重视。数字孪生技术通过将物理实体与其虚拟模型紧密结合，实现数据的实时采集、分析与反馈，从而优化生产流程、提升产品质量和降低运营成本。在全球范围内，工业数字孪生的应用已逐渐从初期的探索阶段迈向了深入实施的阶段，各国在技术研发、应用场景以及标准制定等方面不断取得新的进展。

🚀一、国内外工业数字孪生发展情况

🦋0.1 “政产研”合力推动数字孪生上升为国家战略

数字孪生的概念由美国密歇根大学教授Grieves于2002年提出，美国航空航天局（NASA）于2010年将其列为太空技术路线图中的重要技术，并进行了系统性论述。此后，美国国防部、美国海军等部门加大了对数字孪生技术的资金投入。具体来说，美国海军计划在未来十年投入210亿美元用于数字孪生的发展。

此外，工业龙头企业也将数字孪生作为重点技术发展方向。例如，洛克希德·马丁（Lockheed Martin）于2018年将数字孪生列为当年顶尖技术之一。

在2020年5月，ANSYS、微软、戴尔等公司联合组建了数字孪生联盟，旨在开展技术合作，推动数字孪生在航空航天、自然资源等行业的应用，并在体系架构、安全性和互操作性等方面达成一致性，以加速该技术的普及和发展。

🦋0.2 依托航空航天基础优势，探索形成了成熟的应用路径

数字孪生技术的应用经过了三个主要发展阶段：

• 第一阶段：系统级离线仿真分析与资产运维决策undefined早期的数字孪生应用主要集中在系统级仿真分析，用于支持资产的运维决策。例如，1970年阿波罗13号宇宙飞船发生氧气罐爆炸时，NASA通过系统仿真进行了模拟诊断，迅速制定了处理方案，确保宇航员安全返回地球。
• 第二阶段：基于模型的系统工程（MBSE）undefined在第一阶段仿真基础上，工程规范和路径得到了完善，推动了复杂产品的设计效率提升。一个典型案例是洛克希德·马丁（Lockheed Martin）采用MBSE统一架构模型，将其延伸到机械、电子设备和软件的设计与分析，提高了产品设计的效率和精准性。
• 第三阶段：全生命周期管理的数字孪生应用undefined在第二阶段的基础上，数字孪生技术逐渐扩展到产品的全生命周期管理。2023年，SpaceX成功发射载人龙飞船，并通过数字孪生实现了飞船从研发、生产到运维、报废的全生命周期管理。此举大大降低了下一代飞船的生产成本，并首次实现了飞船报废回收。

🦋0.3 供给侧企业加快技术创新，利用新一代信息技术优化数字孪生应用

• “IoT+仿真”方面的创新undefinedANSYS与PTC合作，基于泵数字孪生体，实现了实时数据驱动的仿真诊断。与传统离线仿真相比，这种实时仿真大大提高了诊断的及时性和准确性。
• “AI+仿真”方面的创新undefinedMathWorks将数据分析工具MATLAB和仿真产品Simulink进行了整合，结合AI技术将训练数据输入Simulink进行仿真分析，从而优化仿真结果，提升了模型的预测精度。

🦋0.4 美国在数字孪生技术方面的综合优势

美国在数字孪生的技术布局中具有三大核心优势：

1. 基于模型的系统工程方法论undefined美国通过统一的语义和语法标准、明确的系统集成路径，为数字孪生技术的应用提供了理论指导。这些方法论有助于在不同系统之间实现信息互通与协同工作。
2. 强大的仿真产业支持undefinedANSYS、MathWorks、Altair等公司提供了高效、强大的建模和仿真工具，成为数字孪生技术得以快速发展的基础。这些企业不仅提供了必需的建模工具，还在仿真分析、优化等方面发挥了重要作用。
3. 丰富的应用数据和模型undefined在实际应用过程中，空客、洛克希德·马丁、特斯拉等企业积累了大量的机理模型，并持续优化数字孪生的精度。企业积累的海量数据使得数字孪生的应用更加精准和高效，推动了产品设计、制造、运维等环节的优化。

🔎1.数字孪生发展分析

🦋1.1 政策层面

从政策层面来看，数字孪生技术成为我国推进经济社会数字化进程的重要抓手。具体政策支持可以从以下几个方面进行分析：

1. 政策法规层面undefined我国政府发布了一系列政策文件，鼓励制造业企业加速数字化转型，积极开展工业数字孪生技术的应用研究与推广。例如，《中国制造2025》和《工业互联网发展行动计划(2018-2020年)》中都明确提出了对工业数字孪生的支持，为其发展提供了政策保障。
2. 资金扶持层面undefined政府大力推动数字化转型和智能制造，支持数字孪生技术的研发与应用。例如，国家发展改革委曾发布产业政策，提出要支持数字孪生技术在制造企业中的推广，并提供相关技术支持和资金扶持。
3. 产业联盟层面undefined政府推动建立了一系列工业数字孪生联盟，以促进产业数字化转型。通过产业联盟，政府促进制造业企业、技术服务商和行业领军企业之间的交流合作，支持数字孪生技术领域的合作创新与共享。政策力度的不断增强为工业数字孪生技术的发展提供了坚实的政策支撑，推动了我国制造业的数字化转型和智能化生产。

🦋1.2 行业应用层面

从行业应用角度看，数字孪生已成为各垂直行业数字化转型的重要推动力。其加速与最新技术的融合，逐渐发展成一种基础性、普适性、综合性的理论与技术体系，应用渗透率不断提升。具体行业应用包括：

1. 工业领域undefined在石化、冶金等流程制造业中，数字孪生技术聚焦工艺流程管控和重大设备管理，助力生产过程优化；在装备制造和汽车制造等离散制造业中，聚焦产品数字化设计和智能运维，支持产品全生命周期管理。
2. 智慧城市undefined数字孪生在智慧城市中应用广泛，涉及城市规划、建设、治理和优化等环节，实现城市全要素数字化、全状态可视化、管理决策智能化。
3. 交通领域undefined包括自动驾驶站场规划、车队管理、智慧地铁等领域的应用，助力交通系统的数字化管理。
4. 建筑领域undefined在基于BIM的建筑智能设计与性能评估、智慧工地管理、智能运营维护、安全应急协同等方面，数字孪生技术也发挥了重要作用。
5. 农业领域undefined数字孪生在农业中的应用涵盖了农作物监测、智慧农机、智慧农场等，帮助提升农业管理效率。
6. 健康医疗领域undefined数字孪生在虚拟人、身体机能监测、智慧医院、手术模拟等方面的应用逐渐深入，推动了健康医疗行业的数字化转型。

🦋1.3 市场层面

从市场前景来看，数字孪生是目前最热门的数字化技术之一，具有巨大的发展潜力。根据Gartner的报告，数字孪生技术连续三年（2017-2019）被列为十大战略性技术趋势之一，并预计在未来五年将产生颠覆性创新。到2024年，超过25%的新数字孪生将作为IoT原生业务应用的绑定功能被采纳。根据Markets and Markets的预测，数字孪生的市场规模将从2020年的31亿美元增长至2026年的482亿美元，年复合增长率为58%。

🦋1.4 企业主体层面

从企业主体来看，数字孪生已经成为多个科技企业的战略重点，成为数字技术和市场竞争的主航道。企业布局方面，微软与仿真巨头ANSYS合作，在Azure物联网平台上扩展数字孪生功能，并将现有主流产品和系统纳入其中；ANSYS利用数字孪生技术对复杂产品全生命周期建模，结合仿真分析，打通从产品设计研发到生产的数据流。阿里巴巴通过聚合城市多维数据，构建“城市大脑”智能孪生平台，提供智慧园区一体化方案，并已在杭州萧山区落地；华为发布沃土数字孪生平台，借助5G和AI技术赋能城市场景，推动业务数字化创新。

🦋1.5 标准化层面

从标准化层面来看，数字孪生的标准体系逐步建立，关键领域的标准制订和修订已进入快车道。国际标准化组织如ISO、IEC、IEEE和ITU等推动了数字孪生相关技术委员会和工作组的成立，致力于推进标准建设并启动测试床等验证项目。例如：

1. ISO/TC184/SC4 WG15undefined推动了《面向制造的数字孪生系统框架》系列标准的研制和验证工作。
2. ISO/IECJTC1 SC41undefined更名为物联网和数字孪生分技术委员会，并成立了数字孪生工作组，统筹推进国际标准化工作。
3. 美国工业互联网联盟（IIC）undefined成立“数字孪生体互操作性”任务组，探讨数字孪生体的互操作性及解决方案，并重构与德国工业4.0合作任务组，探讨数字孪生体与管理壳之间的异同。
4. ISO/TC184 和 IEC/TC65undefined联合成立了“智能制造参考模型”工作组，推动数字孪生与智能制造的标准化。
5. ISO/IECJTC1 AG11undefined在新德里举行了首次面对面会议，重点讨论数字孪生体技术趋势和国际标准化的可行性。

这些国际标准化工作为数字孪生技术的全球发展提供了重要支持，推动了行业标准的不断完善与发展。