数字孪生工业软件白皮书-DigitalTwin_1__148页_18mb

数字孪生工业软件白皮书总结

核心内容

数字孪生工业软件是数字孪生从理论到工程实践的核心载体，其发展对于推动制造业的数字化转型具有重要意义。白皮书分析了数字孪生工业软件的国内外研究现状、定义、理论基础、参考架构及中国平台的发展情况，并展望了其未来发展趋势。

主要观点

• 研究现状：数字孪生相关学术论文数量呈现指数增长，但针对数字孪生工业软件系统的系统性研究仍显不足；专利壁垒逐渐形成，自主软件开发亟需加强；标准体系正在形成，但软件标准仍需填补；领域应用需求迫切，但通用软件平台严重缺位；科研投入持续增长，工业软件仍需突破；技术成果渐成体系，但软件生态尚未形成；世界各国争抢数字孪生技术高地，数字中国引领未来。

• 定义与需求：数字孪生工业软件是指专用于或主要用于工业领域，为提高企业研发、制造、生产管理水平和工业装备性能的软件。其需求从参与者维度和核心功能维度出发，包括模型创建与管理、数据处理与融合、算法配置与优化、物联连接与交互、可视化、服务化等。

• 理论技术基础：数字孪生五维模型（PE, VE, DD, CN, Ss）是数字孪生工业软件的基础架构，涵盖模型构建、数据管理、连接交互、应用服务、成熟度评估及标准体系。

• 参考架构：makeTwin参考架构由十大核心功能模块构成，包括模型创建、数据处理、算法构建、物联连接、虚实交互、仿真求解、可视化、基础库、场景模板和应用部署。各模块之间通过自定义API实现交互，可封装为SDK供调用。

• 中国平台介绍：国内多个企业及高校已开发数字孪生工业软件平台，包括卡奥斯D³OS、JIC DTP木星平台、GCAir、鲲恒嘉荣、雪浪OS、互时RZON®、李数Twinverse、飞渡DTS等，各平台在不同行业和场景中实现了数字孪生的应用与推广。

• 未来发展趋势：数字孪生工业软件将朝着规范化、智能化、平台化和生态化方向发展，以标准引领开放化模块化，以AI赋能快速开发与应用，以多场景适配服务化平台，以创新驱动数智生态融合。

关键信息

• 国内外发展现状：截至2022年，全球共发表数字孪生相关论文11308篇，其中中国占2115篇；相关专利共2810项，其中中国占80项；标准体系正在形成，但软件标准仍需填补。

• makeTwin参考架构：包含十大核心功能模块，涵盖模型创建、数据处理、算法构建、物联连接、虚实交互、仿真求解、可视化、基础库、场景模板和应用部署，各模块间可通过自定义API实现交互。

• 中国数字孪生工业软件平台：包括卡奥斯D³OS、JIC DTP木星平台、GCAir、鲲恒嘉荣、雪浪OS、互时RZON®、李数Twinverse、飞渡DTS等，覆盖多个行业和应用场景，如家电、汽配、矿山等。

• 数字孪生成熟度等级：分为L0（以虚仿实）至L5（虚实共生），每个等级代表不同的虚实交互能力和应用深度。

• 数字孪生标准体系：包括基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准、安全标准和行业应用标准，旨在规范数字孪生的实施和应用。

结构清晰

1. 数字孪生工业软件国内外研究发展现状

• 论文数量指数增长，但软件系统研究不足
• 专利壁垒逐渐形成，自主软件亟需关注
• 标准体系正在形成，软件标准有待填补
• 领域应用需求迫切，通用软件严重缺位
• 科研投入持续增长，工业软件亟需突破
• 技术成果渐成体系，软件生态尚未形成
• 世界各国争抢高地，数字中国引领未来

2. 数字孪生工业软件定义与需求分析

• 定义：数字孪生工业软件是数字孪生在工业领域研发和应用活动的载体，是工业系统流程管理、状态监测和运行控制等工业活动代码化的结果。
• 需求分析：从参与者维度和核心功能维度分析，包括模型创建与管理、数据处理与融合、算法配置与优化、物联连接与交互、可视化、服务化等。

3. 数字孪生工业软件理论技术基础

• 五维模型：PE（物理实体）、VE（虚拟实体）、DD（孪生数据）、CN（连接交互）、Ss（应用服务）
• 模型构建：包括建、组、融、验、校、管六个步骤，支持多维度、多时空尺度和多领域描述与刻画
• 数据管理：涵盖数据获取、存储、交互、关联、融合、演化和服务化等
• 连接交互：通过感知、通信、映射、联动和融合实现虚实空间的高效交互
• 应用服务：包括驱动服务、增强服务和即服务，满足不同应用场景的多样化需求
• 成熟度等级：从L0到L5，代表数字孪生从仿真实体到虚实共生的逐步发展
• 标准体系：包括基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准、安全标准和行业应用标准

4. makeTwin参考架构

• 平台架构：为研究者、开发者和企业用户分别提供仿真、测试、研究、低代码开发和应用管理平台
• 十大功能模块：twinModelBuilder、twinDataProcessor、twinAlgBuilder、twinIoTConnector、twinInteractor、twinSimulator、twinVisualization、twinLibrary、twinSceneTemplate、twinAppDeployer
• 交互机制：各模块间存在强耦合关系，通过自定义API实现数据和功能的交互
• 工作流程：分为基于场景模板和自定义组件两种开发模式，包括项目创建、场景配置、仿真求解、可视化、应用部署等步骤

5. 中国数字孪生工业软件平台介绍

• 卡奥斯D³OS平台：提供“产品+服务”端到端解决方案，支持全域数据整合、实时数据处理、快速场景搭建、孪生仿真、智能决策等
• JIC DTP木星平台：提供数字孪生相关服务，支持多场景应用
• GCAir平台：提供系统仿真测试验证一体化服务
• 鲲恒嘉荣平台：提供数字元生态服务
• 雪浪OS平台：作为智能制造数字底座系统，支持多维度、多层级可视化
• 互时RZON®平台：提供工业数字孪生服务
• 李数Twinverse平台：提供数字孪生相关服务
• 飞渡DTS平台：提供数字孪生PaaS平台服务

6. 数字孪生工业软件未来发展趋势

• 规范化：标准引领的开放化和模块化
• 智能化：AI赋能的快速开发与应用
• 平台化：多场景适配的服务化平台
• 生态化：创新驱动的数智生态融合

附录：主要参编单位

• 北京航空航天大学
• 山东大学
• 东南大学
• 西安交通大学
• 武汉科技大学
• 东华大学
• 中国机械总院北自所
• 腾讯云计算
• 海尔集团卡奥斯物联科技
• 深圳华龙讯达
• 北京世冠金洋
• 海克斯康数字智能
• 北京天玛智控
• 中国兵器工业信息中心
• 三一重工
• e-works
• 邀博智能
• 北京数码大方
• 国家电网
• 上海宝信软件
• 中航西安飞机工业集团
• 京东方
• 金航数码
• 和利时科技
• 航天五院
• 上海智能制造功能平台
• 北京中祥英科技
• 航天一院
• 航天五院卫星制造厂
• 多氟多新材料
• 无锡雪浪数制
• 深圳优艾智合
• 北京互时科技
• 上海孪数科技
• 北京飞渡科技
• 上海航天设备制造总厂
• 扬子江药业
• 中国航空规划设计研究院
• 中国核电工程
• 中国电子科技集团第十研究所
• 中核集团计算机应用研究所
• 北京空间飞行器总体设计部
• 安世亚太
• 沈阳尚源智慧科技
• 山东捷瑞数字科技
• 唐山百川智能机器
• 招商局重工
• 武汉理工大学
• 西北工业大学
• 重庆大学
• 上海交通大学
• 华中科技大学
• 广东工业大学
• 郑州轻工业大学
• 上海大学
• 暨南大学
• 北京理工大学
• 浙江大学
• 大连理工大学
• 智能采矿装备技术全国重点实验室
• 中国船舶柴油机重工
• 中国石油大学
• 郑州大学
• 江苏科技大学
• 太原理工大学
• 山西科达自控
• 黄陵矿业集团
• 神东煤炭集团
• 河南赞丰机器人
• 河南新华五岳抽水蓄能发电
• 河南中烟南阳卷烟厂
• 国家石油天然气管网集团
• 吉兰丁智能科技
• 重庆工业大数据创新中心
• 武汉创景可视技术
• 北京国信动力源
• 陕西小保当矿业

参考文献

• 国内外学者对数字孪生模型、数据管理、连接交互、应用服务、成熟度评估和标准体系进行了广泛研究
• 相关论文、专利和标准信息均来源于Scopus、PATENTSCOPE、ISO、全国标准信息公共服务平台等数据库
• 本书编写组在国家重点研发计划“基于数字孪生的智能生产过程精确建模理论与方法”项目支持下完成研究

总结

数字孪生工业软件是推动智能制造、工业4.0及数字经济发展的关键技术。当前，国内外研究和应用已取得一定进展，但仍存在通用性不足、标准缺失、生态未形成等问题。makeTwin参考架构为数字孪生工业软件的开发和应用提供了系统性指导，中国数字孪生平台正逐步发展，涵盖多个行业和场景。未来，数字孪生工业软件将朝着规范化、智能化、平台化和生态化方向发展，为制造业带来更高效、更智能的解决方案。