2021-11-25-国家工业信息安全发展研究中心-工业设备数字孪生白皮书_141页_45mb

工业设备数字孪生白皮书总结

核心内容

《工业设备数字孪生白皮书》系统分析了数字孪生技术在工业设备领域的应用现状、实施框架、价值模式、成熟度评估及实施路径，旨在帮助企业深入了解和实施数字孪生系统，推动制造业的数字化转型。白皮书由国家工业信息安全发展研究中心与山东大学联合编写，涉及多个参编单位和特别鸣谢的机构，共同探讨数字孪生在工业领域的应用前景和实施策略。

主要观点

• 数字孪生技术起源于21世纪初，通过物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的融合，逐步发展为推动制造业变革的重要技术。
• 数字孪生技术具备与物理实体的深度融合分析能力，能够实现对工业设备全生命周期的动态映射与智能分析。
• 数字孪生系统实施涉及六大核心要素：物理空间、虚实交互、孪生数据、机理模型、分析/仿真/决策算法和智能应用。
• 工业设备数字孪生技术的应用场景涵盖精益化设计、智能化制造、虚拟调试、智能运行决策、智能维护、绿色回收和新型营销等。
• 数字孪生的价值模式包括提质、降本、增效和创收，其应用可提升设备性能、优化生产流程、提高维护效率和增强市场竞争力。

关键信息

数字孪生技术发展

• 数字孪生技术由Michael Grieves教授提出，后被NASA和美国空军广泛应用。
• 数字孪生技术在制造业中被视为推动数字化转型的重要驱动力，被Gartner列为2019年十大战略技术趋势之一。

技术支撑体系

• 数字孪生系统依赖物联网、大数据、多领域参数化建模、人工智能和云/边缘协同计算等技术。
• 物联网实现虚实映射，大数据支撑系统动态运行，人工智能赋能智能分析和决策。

实施框架与要素

• 工业设备数字孪生系统分为物理空间、虚实交互、数字空间三个模块。
• 实施要素包括：物理空间、虚实交互、孪生数据、机理模型、分析/仿真/决策算法、智能应用。

应用场景与价值模式

• 数字孪生技术可应用于设备设计、制造、调试、运行、维护、回收和营销等阶段。
• 价值模式包括：提升质量、降低成本、提高效率、创造收益。

成熟度评估模型

• 本白皮书提出了工业设备数字孪生应用成熟度评估模型和实施条件成熟度评估模型。
• 成熟度分为五个等级：规划级、基本级、进阶级、智能级和自治级，分别对应不同实施深度和成效。
• 评估模型涵盖基础设施、技术实施、实施管理、应用成效等维度，用于指导企业评估自身条件和项目成效。

结构与内容

第一章：数字孪生技术概述

• 回顾数字孪生技术的起源与发展。
• 定义数字孪生概念，并分析其与建模仿真、CPS、数据建模等技术的区别与联系。
• 概述工业数字孪生技术的应用现状，包括在工厂、生产线和设备层面的应用情况。

第二章：工业设备数字孪生系统总体框架与实施要素

• 提出工业设备数字孪生系统总体框架模型。
• 分析六大实施要素：物理空间、虚实交互、孪生数据、机理模型、分析/仿真/决策算法、智能应用。

第三章：工业设备数字孪生技术应用场景和价值模式

• 探讨数字孪生在工业设备全生命周期的应用场景。
• 从价值本质和应用对象两个视角，总结数字孪生的价值创造模式。

第四章：工业设备数字孪生实施成熟度评估

• 提出数字孪生应用成熟度评估模型和实施条件成熟度评估模型。
• 评估模型涵盖基础设施、技术实施、实施管理、应用成效等维度。
• 评估等级分为五个级别，帮助企业明确实施路径。

第五章：工业设备数字孪生系统的实施

• 提出数字孪生系统的实施参考模型，包括云边协同模式和本地部署模式。
• 制定实施策略，涵盖实施准备、系统设计与实施、试运行、评估和优化改进等阶段。

参与单位与人员

• 编写委员会：赵岩（主编）、何小龙（副主编）、陶炜、肖琳琳。
• 编写组：国家工业信息安全发展研究中心（栾燕、段翔宇、孟祥曦、吴冬寒、刘众博、胡铂、张娟娟、李云志）；山东大学（胡天亮、董丽丽、魏永利、沈卫东、孟麒、王艳青、位世云、岳鹏军、王鑫）。
• 参编单位：包括中国船级社、中车青岛四方机车车辆股份有限公司、南方电网数字电网研究院有限公司等。
• 特别鸣谢：工业和信息化部信息技术发展司。
• 诚挚感谢：美国参数技术公司（PTC）、上海优也信息科技有限公司、安世亚太科技股份有限公司等。

结语

本白皮书为工业设备数字孪生的实施提供了理论框架、实施路径、价值模式和成熟度评估模型，助力企业推进数字化转型。尽管目前数字孪生技术仍存在技术、标准、机制和安全层面的挑战，但通过持续优化与创新，数字孪生将在未来发挥更大的作用。