數字孿生技術的工業應用思考

王奇鋒 仵浩

1991年，耶魯大學計算機科學教授David Gelernter首次提出了數字孿生的概念。從那時起，這種旨在通過數字虛擬模型準確反映物理對象的技術就在各行各業中不斷發展。隨著元宇宙概念逐步興起，數字孿生技術日益獲得社會的重視，各類數字技術有不斷融合的趨勢。

數字技術是構建現代化產業體系的關鍵技術體系，作為其重要組成部分的數字孿生技術，將在中國工業體系發展中，承擔越來越重要的任務。

近年來，各地各業都在數字孿生上不斷探索，在數字導覽、數字呈現等方面取得了不小的成績，但也存在一些問題，從而引發了關于數字孿生技術的討論。

一、數字孿生的價值之爭

對數字孿生技術的質疑，始自數字孿生技術誕生之日。在數字孿生技術和項目現場，常聽到“數字孿生到底解決了什么問題”和“沒有數字孿生，又會如何”之類的質疑。很多案例也多把重點放在視覺呈現方面，對企業的生產輔助效用有限，這是數字孿生技術價值之爭的表象。沒有將數字孿生技術與工業實際應用做深度結合，數字孿生技術沒有有效的服務于工業生產過程，既有數字孿生技術在工業領域的滲透仍處于初級階段的原因，也有對數字孿生技術自身特點與工業應用特點理解不深入的原因。

數字孿生技術在任何領域任何場景之中的應用，其首要價值在于提升效率。更準確地說，是提升參與這個領域、作用于這個場景的人的行為效率。

因為人生活在客觀的三維世界，這就決定了人對三維世界的理解能力和理解效率最高。盡管人已經習慣于通過降維的方式去理解和重構世界，例如通過書籍和各種屏幕，但這一過程的代價是人的大腦需要經過相當長的時間來適應這種重構。對工業系統而言，這就意味著低下的效率和利潤的喪失。

二、當前數字孿生的應用領域

數字孿生技術自首次被提出至今已有40余年的歷史，在一些特定領域發揮了重要的作用，獲得了用戶的認可。其中，導航、設計、地形匹配等領域的應用都可圈可點，可以從對這些方向的應用獲得啟發。

（一）電子地圖導航

電子地圖導航是數字孿生在民用領域最成功的應用，即使長期生活在熟悉的城市，也很少有人能夠完全脫離電子地圖導航的幫助。

嚴格地說，大部分電子地圖導航不算是3D數字孿生，多采用2D界面呈現。絕大部分電子地圖都使用“基于現實地理特征重構的2D模型”作為導航的基礎平臺，而不默認采用衛星照片的方式。

漫畫般簡單線條對道路的處理，大大加速了人們對所行駛道路位置和方向的快速理解，特別是岔口選擇、車道選擇和違章規避等方面，采用2D數字孿生的方式，理解起來要比衛星實景地圖容易得多。

（二）設計

這里所說的設計，指逐步覆蓋市場的工裝和家裝設計。無論是企業用戶還是住戶，都不必僅根據幾張外型圖來擘畫工作和居住場所的未來圖景。通過孿生技術，設計師可以以任一角度和比例將他們感興趣的建筑物呈現在面前，例如在確定家裝方案時，住戶可以很容易看出家具的尺寸和顏色與整體的協調程度，從而做出修改。

設計師在做數字孿生設計的時候要花大量的時間進行數字建模，但后期跟用戶的溝通和修改變得簡單多了，由此產生的糾紛會減少，交易速率會顯著提升。因為用戶借由數字孿生技術對設計師的設計有了更直觀、更清晰和更快速的理解。

（三）地形匹配

在軍用領域中，地形匹配是巡航類武器常用的制導方式。巡航導彈由于突防需要，以低空和高亞音速飛行，慣性制導和衛星制導都有難以克服的障礙。在靠近目標區域附近建立的3D數字地圖，就成為巡航導彈定位和定向的關鍵。高精度的數字孿生地圖甚至可以使巡航導彈的打擊精度控制在10米的數量級。把極端復雜的地形地貌抽象為具有顯著地理特征的數字孿生地圖，使得巡航導彈攜帶的測控傳感器有了大用場。本質上，這是在提升設備的“使用效率”。

三、工業領域的實際需求

各類3D軟件在工業領域的應用由來已久，在涉及機械設計和加工的相關產業，沒有3D軟件的支持經營幾乎寸步難行。然而，各種CAD/CAE等3D軟件只是工業數字孿生技術應用的一個方向，工業數字孿生技術旨在建立一個基于工業生產全過程的數字生態，并在這個生態上開展動態運營。

（一）設計

這里的設計不僅是指產品設計，更重要的是包含工廠設計。流程工業中最常使用的3D配管設計就類似于工廠數字孿生所需要的場景。基于企業自身進行數字孿生設計的好處是在新建工廠或改造前，能夠提前從工藝、土建、動力等各專業角度進行分析，運營人員也能夠提前對建設項目進行評估和認知。

設計人員的總圖評審和交付即以數字孿生的形式進行，各專業都以統一的空間位形基準來討論和修改現有的設計方案，有助于快速發現問題和達成一致意見。洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）公司是最早參與AFRL機身數字孿生體項目的公司之一，長達10年的數字孿生體設計轉型，使洛馬在F-35戰斗機的協同開發上收獲頗多。

（二）施工

工程項目在進入施工階段后，由于工程變更，會產生大量圖紙、文件和注釋等紙質文檔，完工后維護和查找這些文檔既耗時又費力。數字孿生應用于工程施工后，數字孿生體就成為一個有別于傳統意義的孿生數據庫，通過它可以動態、實時地記錄數據，添加和修改施工信息。數字孿生可以作為樞紐整合海量異構源數據，因為數字孿生體自身具有極強的邏輯性和索引性。

在施工階段，通過數字孿生技術，能夠將施工場內的平面元素立體直觀化，以利于優化各階段場地的布置。無論在設計交底、施工排程、工期監理還是專業部門的工程驗收上，工程中應用數字孿生技術都有助于提前發現問題，從而提升整體作業效率并且顯著降低工程損失。

（三）運維培訓

現代工業人員流轉率遠超改革開放初期，人員流轉對工業企業，特別是先進制造業和流程工業是非常頭疼的事。新員工培訓的成本不僅表現在培訓期的人力成本和培訓費用上，企業也會因新手的不穩定操作和非優化點操作而造成生產成本的提升。

使用數字孿生技術構建工廠模型后，可以根據不同崗位的需要，對設備或裝置設置模擬操作流程。新員工在熟悉廠區和設備后，可以按照操作規程的要求在工廠模型中逐步體驗和理解生產過程，并允許進行試錯。例如在精餾模擬操作中，新員工如果錯誤調節了再沸器的蒸汽流量，就可能導致精餾塔液泛，進而引起控制系統一系列復雜的連鎖反應；再例如精益生產中如果新員工希望通過快速提升AGV的運行速率來達到提升產能的目的，就可能造成AGV排隊或死鎖。新手員工在模擬操作過程中看到了誤操作的后果，有助于他們迅速理解看似麻煩的操作規程中隱含的道理。

（四）安環

安全和環保在工業生產中既重要又復雜，任何企業都不希望在生產過程中出現安全責任事故和環保責任事故。專設的安全員和環保員必須對企業的生產流程、裝置布局和運行特點非常熟悉。這就意味著，這些非直接生產崗位需要能力和經驗都比較豐富的工程師才能勝任。

數字孿生與DCS或SCADA系統相結合，可以方便地將安全和環保系統的全貌盡收眼底，對于具有安環工程基本理論的工程師，可以相當快速的學習和適應企業的相關崗位，在法律法規允許的情況下，可以實現一人聯崗，從而降低企業的非直接生產性人員成本投入。

四、數字孿生技術在工業領域應用的發展方向思考

以生產和經營“效率提升”為目的，是數字孿生技術在工業系統中應用的本質需求。數字孿生絕不應給業界留下花里胡哨和華而不實的印象。數字孿生技術應充分基于工業生產全生命周期的特點和痛點，有針對性的提煉出屬于工業系統的數字孿生功能，而非停留在觀感和導航的基礎功能上。為此，可以從幾個方向去開拓。

（一）按照企業的功能區分“圖層”

現有數字孿生技術，對類似CAD中“圖層”概念的應用還比較模糊，構建一個均質化的工業數字場景已屬不易。然而由于工業部門的生產組織是高度分工和專業化的，這就要求數字孿生在工業的應用中，必須以工業生產部門的“功能”為系統，清晰地區分出若干“邏輯圖層”。

例如生產部門的監控對象就是工藝裝置，道路設施廠房框架就可虛化、簡化或隱匿；例如儀表控制部門就是儀表位置和線路路由；再例如管道管束部門，管廊管架和管道溝井的具體位置和走向需要凸顯，建筑和道路可虛化。

總之，一個企業各個部門，都在一個數字孿生的總體架構上，分門別類的體現各業務重點，而不是開發出若干套毫無關聯的系統。以工業業務功能為出發點，開發的工業數字孿生系統，能有效提升各部門的作業效率。尤其在部門間存在交叉協作任務時，運維人員的理解和認知效率的提升更為顯著，這樣的數字孿生系統無疑是工業企業更需要的。

（二）數字孿生與真實場景的數據融合

實踐表明，經過試點后，企業對數字孿生系統的特點和優點普遍認可，但大多數都提出了數字孿生應與真實場景相融合的需求。也就是“問題發現+問題確認”的模式。

數字孿生建立了關于生產裝置或生產線的全過程圖景，生產過程中出現的問題能夠被迅速地捕捉、定位、呈現。然而運維人員希望實時觀察設備的細節，甚至快速回溯故障和事故發生的全過程。這就需要數字孿生系統與現場影像系統相結合，在出現異常時，不僅提示異常的位置、種類、工藝參數和電控儀表的連鎖動作，也同步切出現場視頻供運維人員分析判斷。甚至針對異常狀態下可能出現的次生效應，也應有范圍、位置的預判和示警。

（三）數字孿生系統中“體與體”的作用

數字孿生技術在工業中的應用不能止步于3D呈現，只將現實體與虛擬體進行“同型”和“同態”，還要進一步延伸為“同理”。也就是“體與體”的“作用”遵從相同的自然法則。

簡單的“同理”，比如在數字孿生技術搭建的虛擬工廠中，產線物流的在制品運輸擁塞，則系統根據規則自動判定產線降低運行節拍甚至停車。復雜的“同理”，比如某高溫高壓儲罐出現超溫超壓后會自動開啟泄壓閥并將罐內物流切換至火炬系統中進行緊急排空；又比如在某處發生了火災，則其臨近的設備設施在一定時間后會面臨損毀并引發次生災害的數值模擬。

“體與體”的作用是數字孿生系統更高層級的功能，它要求數字孿生系統將工業生產裝置的部件（“體”）邊界化和具體化，而不僅僅只是看起來像真實場景。同時，也要將各種物理和化學效應引入這些“體”中，使“體和體”的作用更加符合實際，以及具有前瞻性。

五、結語

再現、同步、模擬和優化，是數字孿生技術在工業應用的四個不同的發展階段。數字孿生技術從一開始就以真實物理世界的場景再現為出發點。目前與物聯網的結合，使同步的功能逐步得到充實。接下來，以被孿生的物理系統為模型，按照客觀物理規律進行運行并獲得效果，就是模擬階段的重要工作，這跨出了數字孿生最重要的一步。在模擬的基礎上，通過各種方法獲得優化當然是使用數字孿生技術的一個初衷。

數字孿生技術有其自身發展的歷程，工業應用也有其自身的特點。抓住數字孿生技術是以“促進工業系統運行效率提升為宗旨”的目標，就有望將數字孿生技術與工業系統應用相結合的工作，做得更有效率，更有深度，從而獲得更廣泛的應用。

作者單位：江西冠英智能科技股份有限公司