數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合應用場景與路徑研究

張昌福 嚴蕓 楊靈運 楊文峰

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的重要基礎和關鍵技術(shù)支撐，其發(fā)展促使新的生產(chǎn)制造模式。數(shù)字孿生以物理實體的基本狀態(tài)為基礎，應用IT技術(shù)動態(tài)實時地描述、分析、預測其行為，實現(xiàn)物理空間和賽博空間交互映射。目前，13%已建設物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)和組織正在應用數(shù)字孿生，打算或準備應用數(shù)字孿生的企業(yè)和組織也達到了62%。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用推廣，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不僅奠定了數(shù)字孿生技術(shù)應用落地的基礎，是數(shù)字孿生迭代優(yōu)化實現(xiàn)的重要途徑，還擴展了數(shù)字孿生的技術(shù)應用價值，延伸了數(shù)字孿生應用的生命周期，凸顯了數(shù)字孿生基于模型、數(shù)據(jù)等方面的優(yōu)勢和能力，為數(shù)字孿生賦予新的生命力。

隨著工業(yè)數(shù)字化、智能化應用的落地與推進，工業(yè)制造成為了數(shù)字孿生的主要戰(zhàn)場，數(shù)字孿生在工業(yè)領域的深入應用展現(xiàn)了無限的潛力，其具備的互操作性、可擴展性、實時性、保真性、閉環(huán)性等特征，給工業(yè)企業(yè)帶來了顯而意見的效率提升和成本下降，推動著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)脫“虛”向“實”。

（一） 數(shù)字孿生助力IT與OT深度融合

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，OT和IT系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)量不斷增加，這些數(shù)據(jù)存在結(jié)構(gòu)多源、種類多樣、異地分散存儲等特征，導致企業(yè)數(shù)據(jù)互通困難，出現(xiàn)信息孤島問題，數(shù)據(jù)價值沒有得到真正有效的應用。數(shù)字孿生技術(shù)剛好為IT和OT的融合發(fā)展提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)的接口，基于物理世界的實體狀態(tài)，在數(shù)字世界中構(gòu)建一個“完整分身”，實時動態(tài)地與物理實體保持互聯(lián)，通過建模、驗證、預測、控制物理實體，不斷將工業(yè)系統(tǒng)中的碎片化知識傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，通過集成接口提供給不同業(yè)務目標的應用，加快了IT和OT各要素融合步伐，打破企業(yè)存在的邊界，以數(shù)據(jù)助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

（二） 數(shù)字孿生推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)閉環(huán)發(fā)展

數(shù)字孿生貫穿在工業(yè)設備的整個生命周期中，提升設備從設計到報廢過程的智能化水平。同時數(shù)字孿生通過IT應用數(shù)據(jù)、OT實時和歷史數(shù)據(jù)，可構(gòu)建出設施、設備和產(chǎn)品等完整的高寫實虛擬模型，涵蓋產(chǎn)品的全生命周期過程，實現(xiàn)產(chǎn)品設計，制造和智能服務等閉環(huán)優(yōu)化，助力信息技術(shù)與制造業(yè)融合，推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，促進企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

（三） 數(shù)字孿生驅(qū)動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式創(chuàng)新

數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)與人工智能等新一代高新技術(shù)的發(fā)展，豐富了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術(shù)和應用場景，使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更好地為工業(yè)企業(yè)服務。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，利用數(shù)字孿生在設備維護、產(chǎn)品研發(fā)、計劃排產(chǎn)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量管理等業(yè)務環(huán)節(jié)進行模擬，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)各業(yè)務環(huán)節(jié)的驗證、預測、分析，促進企業(yè)智能生產(chǎn)；同時通過數(shù)據(jù)孿生技術(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)與機理模型的有效結(jié)合，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時交互，推動以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心的“數(shù)據(jù)+機理”新應用，帶動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的模式與應用創(chuàng)新。

（四） 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)延伸數(shù)字孿生生命周期

數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，模型的構(gòu)建需要專業(yè)的知識，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺通過匯聚不同領域、行業(yè)、區(qū)域的專業(yè)人員，利用平臺進行供需對接、資源整合，實現(xiàn)模型跨區(qū)域、跨領域設計與共享，促進工業(yè)知識的復用，解決因不具備專業(yè)知識帶來的應用數(shù)字孿生技術(shù)難題。數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)來自各種物理實體，物理實體的數(shù)據(jù)采集、傳輸、交換、存儲都要借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)企業(yè)從邊緣側(cè)、生產(chǎn)、管理、經(jīng)營等數(shù)據(jù)匯聚，企業(yè)可根據(jù)實際需求通過平臺構(gòu)建滿足需求的數(shù)字孿生體，使數(shù)字孿生在企業(yè)生產(chǎn)管理各業(yè)務環(huán)節(jié)中體現(xiàn)，延伸數(shù)字孿生生命周期。

數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關鍵DNA，有效解決工業(yè)APP碎片化問題，提升工業(yè)機理模型研發(fā)、應用，目前已在鋼鐵、工程機械、煙草等多個行業(yè)得到應用。

（一） 數(shù)字孿生推動接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設備運行管理

一是助力設備監(jiān)測：基于物理設備狀態(tài)、功能、歷史數(shù)據(jù)，在數(shù)字世界進行物理設備的完整復制，實現(xiàn)設備部件運行情況實時監(jiān)測；二是助力設備診斷：通過對設備運行數(shù)據(jù)進行采集，結(jié)合故障診斷模型、智能分析，可預測設備故障問題趨勢，幫助企業(yè)及時發(fā)現(xiàn)和排除設備故障，提升設備有效作業(yè)率；三是助力設備運維：通過分析數(shù)字孿生體內(nèi)性能參數(shù)，預判生產(chǎn)設備及零部件劣化點、劣化時間及劣化趨勢，并給予分析的結(jié)果，依據(jù)分析結(jié)果提前對設備提供維護服務，避免設備非計劃停機帶來損失。

（二） 數(shù)字孿生推動企業(yè)工業(yè)制造流程優(yōu)化

在產(chǎn)品研發(fā)設計階段，利用數(shù)字孿生可使工程師在虛擬空間中觀察產(chǎn)品在研發(fā)、測試、驗證過程中內(nèi)外部變化成為可能，提高了設計準確性，縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本；在產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段，通過數(shù)字孿生建立生產(chǎn)環(huán)境的高寫實模擬版本，構(gòu)建高可靠虛擬生產(chǎn)線，實現(xiàn)設備診斷、生產(chǎn)過程仿真、數(shù)字化產(chǎn)線、關鍵指標監(jiān)控和過程能力評估，找出最優(yōu)生產(chǎn)計劃和最優(yōu)生產(chǎn)方案，降低生產(chǎn)成本和提高交付速度。

（三） 數(shù)字孿生助力工業(yè)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展

一是推動網(wǎng)絡化協(xié)同制造發(fā)展。基于數(shù)字孿生技術(shù)模擬供應鏈業(yè)務及流程，通過實時動態(tài)的數(shù)據(jù)采集、智能分享、上下游聯(lián)動，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的供應鏈各環(huán)節(jié)優(yōu)化決策和控制支持。二是促進個性化定制。通過建立顧客、需求、產(chǎn)品研發(fā)設計、生產(chǎn)和銷售等產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字孿生體，基于各階段數(shù)字模型整合，實現(xiàn)基于用戶個性化的產(chǎn)品準確設計、快速生產(chǎn)、精準營銷，降低了定制成本，實現(xiàn)更敏捷和柔性的商業(yè)模式。三是創(chuàng)新服務化延伸。通過數(shù)字孿生技術(shù)可實現(xiàn)對物理實體的模擬、分析和預測，并利用從物理實體獲取的數(shù)據(jù)創(chuàng)新應用，催生基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的運營、咨詢、互聯(lián)網(wǎng)金融等新的商業(yè)模式。

（四） 數(shù)字孿生保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全

一是實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡數(shù)字孿生體和攻擊驗證方法，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)對網(wǎng)絡安全性進行反復的測試、驗證，指導企業(yè)調(diào)整網(wǎng)絡架構(gòu)和部署，建立起全局性、按需化的安全防御體系；二是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全態(tài)勢智能感知，基于數(shù)字孿生技術(shù)對物理實體的實時連接、實時監(jiān)控與控制，匯聚安全數(shù)據(jù)，實現(xiàn)安全態(tài)勢的智能預測及威脅分析；三是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主動防御，通過數(shù)字孿生技術(shù)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡安全攻擊欺騙高仿真模擬，構(gòu)建具有高交互能力攻擊欺騙網(wǎng)絡的主動防御能力。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是實現(xiàn)數(shù)字孿生的孵化載體，數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的關鍵核心技術(shù)及重要場景，通過打造服務資源池和API接口的方式可實現(xiàn)兩者快速融合。

促進基于工業(yè)APP的數(shù)字孿生資源共享。數(shù)字孿生體核心是基于知識經(jīng)驗沉淀的推理分析，內(nèi)嵌了機理或者決策模型。由于開發(fā)數(shù)字孿生體要求開發(fā)人員需具備較高的專業(yè)領域知識，導致開發(fā)難度大。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，根據(jù)研發(fā)條件可將工業(yè)知識分解為不同顆粒度的知識片段，重新組裝，將數(shù)字孿生體通過工業(yè)APP形成各種不同的組件或模塊，通過微服務對每個組件進行統(tǒng)一管理，企業(yè)可根據(jù)自身需求定制滿足實際的功能，實現(xiàn)數(shù)字孿生資源共享與使用。

形成數(shù)字孿生單一API接口，提供工業(yè)應用信息流暢保障。數(shù)字孿生模型位于Paas層，以API的形式供上層驗證、診斷與預測、優(yōu)化與決策、管理等工業(yè)應用APP直接調(diào)用，通過實時連通和獲取產(chǎn)品研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、維護管理等全生命周期數(shù)據(jù)信息，不斷優(yōu)化完善工業(yè)APP功能，不斷反饋，實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的工業(yè)應用信息良性循環(huán)應用。

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，雖然數(shù)字孿生技術(shù)還未成為主流，但其具有的高效決策、深度分析等特點，使之成為一項通用使能技術(shù)，已成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和落地的關鍵技術(shù)，有力推動數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進程。據(jù)統(tǒng)計，13%已建設物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)和組織正在應用數(shù)字孿生， 62%打算或準備應用數(shù)字孿生。主要是制造業(yè)、汽車業(yè)、建筑業(yè)、智慧城市和醫(yī)療保健等行業(yè)。預計到2022年，通過使用數(shù)字孿生技術(shù)進行管理、控制的物聯(lián)網(wǎng)平臺將達到85%。數(shù)字孿生借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使工業(yè)知識得到充分應用，隨著我國“新基建”戰(zhàn)略的落地和發(fā)展，將加快數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合的步伐，加深數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用，擴展數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用發(fā)展的路徑。

作者單位：貴州航天云網(wǎng)科技有限公司