國內基于數字孿生技術的檢驗檢測認證數字化應用及研究進展

摘 要：檢驗檢測認證行業的數字化轉型既是實現行業自身發展的重要途徑，也是促進質量變革、實現經濟社會高質量發展的必由之路。數字孿生技術因其保真性、實時性、易操作和易拓展等特征，成為檢驗檢測認證行業數字化轉型的重要技術。本文從檢驗檢測、認證、計量檢定等三個領域，展現國內數字孿生技術應用現狀及研究進展，并對數字孿生技術在檢驗檢測認證行業的深度運用和發展進行展望，以期為檢驗檢測認證數字化發展探索更多思路。

關鍵詞：數字孿生，檢驗檢測認證，數字化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.20.026

0 引 言

檢驗檢測、認證認可、標準、計量共同組成了國際公認的國家質量基礎設施（NQI），其中檢驗檢測認證控制質量并建立質量信任，是服務經濟社會高質量發展的重要抓手。檢驗檢測認證（TIC）服務兼顧市場化和國際化的特點，一方面，其服務涵蓋產品設計、研發、生產、制造、銷售、消費、回收等全生命周期的各個環節，是保障產品質量的重要技術支撐；另一方面檢驗檢測認證在國際貿易中傳遞質量信任，因此檢驗檢測認證也被稱為是質量管理的“體檢證”、市場經濟的“信用證”、國際貿易的“通行證”[1]。檢驗檢測認證行業服務范圍已涵蓋國民經濟各個行業，隨著行業政策不斷開放及高質量發展背景下市場需求的擴大，我國檢驗檢測認證行業規模持續增長。2023年，我國檢驗檢測認證服務業市場規模達到4929.06億元，機構數量突破5.3萬家。

“十四五”規劃綱要中將“加快數字化發展 建設數字中國”單篇列出，對經濟社會的數字化轉型做出了頂層設計，綱要指出要“深入推進服務業數字化轉型”。檢驗檢測認證行業是以數據生產為主要內容的服務業，檢驗檢測認證行業的數字化、網絡化、智能化變革既是實現行業自身發展的重要途徑，也是促進質量變革、實現經濟社會高質量發展的必由之路。檢驗檢測認證行業要充分結合行業特點，搶抓數字化轉型機遇，從而實現跨越式發展。

數字孿生（Digital Twin）是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體，借助歷史數據，實時數據以及算法模型，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段[2]。數字孿生技術具有數據融合、精確映射、分析智慧等特點。隨著云計算、物聯網、大數據等新一代信息技術和人工智能技術的發展，數字孿生技術開始探索運用于工程建設、產品設計、工藝優化、生產管理、質量管理等生產全生命周期的各階段、各領域。其中，基于數字孿bbdfoBlgNG5N+BOo3Nfq+Q==生技術的檢驗檢測認證數字化，是推動實現檢驗檢測認證行業數字化轉型、促進檢驗檢測認證數字化發展的重要抓手。本文將從檢驗檢測、認證、計量檢定三個領域，展現其應用現狀及研究進展，以期為檢驗檢測認證數字化發展探索更多思路。

1 檢驗檢測領域的數字孿生應用

發展高效高質量、高精度高可靠、低能耗低消耗的檢驗檢測技術一直都是工業界和學術界的研究熱點。數字孿生驅動的檢驗檢測模式是在虛擬空間中構建高保真度的測試系統，借助測試數據實時傳輸、測試指令傳輸執行技術，在歷史數據和實時數據的驅動下，實現物理被測對象和虛擬被測對象的高逼真度仿真與交互，從而準確、直觀、全面地反映被測對象的質量狀態。

1.1 市政安全監測

市政領域公路、橋梁、管網安全隱患管理與人民群眾的生產生活密切相關。公路、橋梁及管網的安全監測占用大量人力，效率較低。傳統的監測方式對數據的應用也較弱，維護的指導性滯后。近年來隨著新一代信息技術發展，數字孿生技術在市政安全監測領域得到了廣泛應用。孟楠等[3]圍繞城市管網運行維護及升級改造需求，通過數字孿生技術匯聚時空和業務數據，模擬仿真管網巡查養護和建設管理。崔鑫等[4]基于視頻融合的數字孿生技術對橋梁裂縫進行監控從而對橋梁的結構狀態進行綜合評估。陳利紅等[5]基于數字孿生技術構建公路橋梁智慧運營平臺，賦能公路橋梁的管養建設。張超[6]等提出了一種進接工程的數字孿生試驗方法克服了傳統技術保真性的問題。

1.2 特種設備檢測

特種設備是涉及生命安全、危險性較大的設備和設施，特種設備一般進行周期性的檢測檢定，檢定間隔周期較長，不規范的使用或操作可能造成畸形的設備損傷，存在一定的安全風險。應用數字孿生技術構建持續的監測平臺對特種設備進行仿真分析、檢測和預測，可以及時掌握設備狀態，保障特種設備的安全使用。張越宏等[7]搭建電梯安全評估數字孿生實驗平臺，可為電梯安全評估提供理論依據、技術路線及數據支持。韓鵬飛等[8]、徐威等[9]應用數字孿生技術對壓力容器進行智慧管理。毛雨晗等[10]探索了數字孿生在起重機械監督檢驗管理大大提升了全生命周期的監管效能。

1.3 檢驗檢測實驗室管理

檢驗檢測實驗室的運行和管理應遵循良好的規范。實驗室的管理涵蓋人機料法環等多個要素，通過智能化、信息化手段可有效提升檢測能力水平和質量管理水平，實現實驗室的高效運行。某航天研究所試驗檢測中心圍繞實驗室儀器設備為開發對象，運用數字孿生技術開發管理系統，實現數字孿生的雙向數據交互，有效改善了實驗室的人機交互性能[11]。潘壽虎等[12]模擬開發數字化計量檢定系統，有利于增強計量檢定工作的測量能力，加強了數據保存和溯源，提升檢定效率和準確率，為后續數字孿生系統開發奠定了一定基礎。

1.4 生產過程中在線質量控制與管理

智慧工廠是現代工廠信息化、數字化發展的新階段，可以實現生產過程優化和智能化管理，提升生產效率和產品質量。其中，在生產線上部署各類檢測傳感器實現在線檢測對于保持產品質量、減少返工起到重要作用。利用數字孿生技術，對生產過程中各環節建立模型，有效整合生產線上的各類設備和傳感器，實現數據及時響應和互通，提升生產過程的質量控制和管理。金壽松等[13]提出一種基于數字孿生的產品質量管理方法并構建了產品質量數字孿生模型，提升了產品質量管理的智能化、實時化和可視化水平。

2 認證領域的數字孿生應用

《“十四五”認證認可檢驗檢測發展規劃》中提出創新數字化認證模式及其關鍵技術的研究與應用，建立健全質量認證領域數字化評價規則和技術規范，推廣數字證書。數字孿生技術可以實現產品生產及管理服務的全流程數字化復制，為認證服務提供可靠的、全面的數據支撐，特別是針對綜合性、復雜性的認證工作，數字孿生技術可以帶來較高的工作效率和全周期持續性的認證服務。

2.1 碳中和認證

在中國提出“3060雙碳”戰略目標背景下，檢驗檢測認證行業立足行業背景和市場資源，探索實施了一系列的“雙碳”技術服務。在中國國際進口博覽會上，TüV萊茵發布了行業內首個“碳排放智能仿真運算模型”，利用數字孿生等數字化技術開展碳中和認證。該模型從研發階段就介入產品設計，通過數據運算、建模分析企業生產過程中的碳排放，及時調整修正實現產品的高效研發，提高產品出口海外市場的效率。“碳排放智能仿真運算模型”可以實現現實與虛擬世界的碳排放數據互通，有助于企業快速地獲得“碳中和”的相關認證。目前，該技術已在汽車、化工、光伏、電子電氣、地產、電池、建材等行業提供整個生命周期的耗能和碳排放數據收集、建模量化指標以及評估服務[14]。

2.2 高品質畜牧產品認證

消費升級加速了畜牧業品牌化發展。2021年，中國質量認證中心與中國畜牧業協會聯合啟動了“基于數字化技術的高品質畜產品認證”的相關研究[15]。該研究聚焦高品質畜產品生產，采用全產業鏈數字化技術，形成全鏈條的高品質畜產品養殖、生產信息追溯，對于確保畜產品食品安全以及品牌提升起到重要的促進作用。通過數字化技術搭建全流程的畜產品、農產品的可追溯質量管理平臺，利用數字孿生技術與真實世界一一對應，加速高品質畜產品、農產品的品牌化認證，可有效地促進畜產品、農產品的高質量發展。

3 計量檢定領域的數字孿生應用

“十四五”規劃綱要中指出要加快構建國家現代先進測量體系，為引領科學技術進步、促進經濟社會高質量發展提供強有力的計量基礎支撐和保障。運用數字孿生技術，數字化模擬設備計量，可預測、優化設備狀態，提高生產能力，從而提升企業的效率和競爭力。

3.1 三維掃描測量

計量檢定領域應用數字孿生技術最早、最典型的是三維掃描測量技術。待測物體通過三維掃描系統的成像、測量、處理步驟得到數字孿生的數據模型。對于投入使用的產品也可以通過生成的數字孿生模型，對產品運行狀態進行比對和追蹤，為后續設計創新和工藝優化提供數據支撐[16]。趙浩然等[17]應用數字孿生完善優化三維掃描測量技術，數字化模擬測量研究提供了有益經驗。

3.2 電力計量檢定

國家電網系統中，省級計量中心在電能計量器具檢定中發揮重要作用。省級計量中心的核心是建設計量設備的自動化檢定系統以及智能化倉儲系統（簡稱“四線一庫”）。針對電力計量“四線一庫”檢定流水線故障處理時間長、巡檢工作量大的問題，王浩等[18]利用數字孿生技術與設備狀態預測技術相結合，實現“四線一庫”電力計量檢定流水線全自動無人值守與精益化運維，有效降低了巡檢及處理故障時間，提升了計量檢定流水線的工作效率。

3.3 天然氣計量檢定

國家石油天然氣管網在全國設立多個計量檢定點，產生大量的計量檢定數據。天然氣計量檢定過程中，對于檢定環境條件以及操作人員水平要求較高，存在精準控制難度大、耗時長、易誤操作等問題。鄭宏偉等[19]將物聯網、數字孿生、人工智能等技術引入天然氣計量檢定，研發了適用于多氣源工況條件下的計量檢定系統，實現了多系統數據與指令互聯、實時交互。

4 建 議

受限于數字孿生技術的發展階段，目前，該技術在檢驗檢測認證領域的應用還多處于探索期和淺層應用。如何推進數字孿生技術與檢驗檢測認證服務的融合應用，加快檢驗檢測認證行業的數字化轉型，提出以下幾點建議。

4.1 加強數字化基礎設施建設

檢驗檢測認證行業是基于數據的生產性服務行業，它的產品就是基于數據而生成的報告，檢驗檢測認證行業與數字孿生技術的融合應用具有顯著的優勢。作為支撐數字孿生技術的基石，物聯網、云計算、大數據等數字基礎設施建設尤為重要。目前，政府以及行業企業建立了大量的信息數字化平臺和研發中心，但檢驗檢測認證領域的數字基礎設施建設有待完善，應堅持集中統籌以及適用漸進提升的原則，結合行業特點進行開發和建設，為檢驗檢測認證行業數字化發展提供創新支撐。在增強基礎建設同時，還應加強做好數據安全、隱私保護等工作。

4.2 推進數字孿生技術標準化發展

數字孿生技術在檢驗檢測認證領域進行了場景應用，推動了檢驗檢測認證行業的數字化進步。數字孿生軟件或平臺作為產品出現時，對其標準制定、檢驗檢測和認證工作應逐步加強。一方面規范化的檢測認證保障數字孿生產品的質量；另一方面一致性的評價體系數字孿生產品全生命周期及同一鏈條下不同類的數字孿生產品實現交互，實現數字孿生產品的統一開發和應用。北京中建協認證中心進行了建筑工程數字孿生產品認證標準和方法的研究，填補了國內空白[20]。

4.3 降低數字孿生技術應用成本

數字孿生技術需要使用大量的傳感器來獲取數據，需要精密的算法處理分析數據，在檢驗檢測使用場景中，還需要對現有的檢測檢測設備進行定向改造以滿足數字孿生的技術需要，這些都造成技術應用的成本較高，阻礙了技術的廣泛應用。一方面通過技術革新，運用AI技術、大模型等技術手段，降低數字孿生軟產品的開發成本；另一方面推進數字孿生硬件的通用性、模塊化、小型化設計和生產，降低硬件投入成本，使數字孿生技術能夠應用到檢驗檢測認證服務的更多領域。

4.4 加強融合性技術人才教育培養

檢驗檢測認證行業數字化轉型發展是時代和產業發展的必然，數字孿生技術應用到檢驗檢測認證行業，在數字孿生產品開發和應用中，都需要數字化人才和檢驗檢測認證行業人才的緊密配合，特別是應用階段，大量數據的產生、收集、整理和分析需要專業技術人才。目前，檢驗檢測認證行業內從業人員對數字化技術的應用多停留在lims系統的流程管理、數據錄入和報告生成層次，能夠熟練應用數字孿生技術的人才有限，極大阻礙了技術的深度應用。數字孿生產品生產企業、檢驗檢測認證行業協會學會等應加強數字孿生技術的應用教育和培訓，培養融合性、創新性、應用性技術人才，推進數字孿生技術在檢驗檢測認證行業領域縱深應用和發展。

4.5 推進數字孿生技術在實時檢測領域的應用和發展

數字孿生技術以數據為驅動，實現數字模型與物理世界的實時交互。數字孿生實時交互的特點應用于檢驗檢測領域，最突出、最有價值的是生產過程中的在線產品檢驗檢測以及生產設備的在線計量，同時檢驗檢測和計量也是制造業數字孿生技術應用的重要工具和重要環節，在線計量設備實現生產過程的無人數字測量，保障儀器設備運性的準確性；在線檢驗檢測技術能夠實現產品在全生產過程中的質量數據匯集整理，并應用于實際生產工況分析，保證和驗證實物產品的質量。通過開發在線視覺檢測、無損探測及三維測量等在線檢驗檢測設備，整合設備儀表數字模型、檢定校準數據及實時生產檢測數據，實現在線高效檢測及設備運行狀態維護。

5 結 語

數字孿生作為推動檢驗檢測認證行業數字化轉型的重要技術之一，在檢驗檢測、認證、計量檢定等領域進行了一定的應用和研究，較好地提升檢驗檢測認證服務效率和水平。同時可以看到技術應用還多處于探索期和淺層應用，且因技術成本較高，應用領域多集中于大型工程項目。未來數字孿生技術與檢驗檢測認證服務的融合應用充滿機遇和挑戰，通過數字化基礎設施建設、標準化賦能、降低技術應用成本及推進技術在實時檢測領域的應用等措施，數字孿生技術有望進一步在檢驗檢測認證行業得到廣泛應用，推動行業的數字化轉型和高質量發展。

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作者簡介

郭坤，通信作者，碩士研究生，工程師，研究方向為食品安全，檢驗檢測和質量管理。

（責任編輯：袁文靜）