隨著新一代信息技術與實體經(jīng)濟的加速融合，工業(yè)數(shù)字化、智能化演進趨勢日益明顯，催生了一批制造業(yè)數(shù)字化轉型新模式、新業(yè)態(tài)。數(shù)字孿生作為重要支撐技術，正在全球范圍內快速發(fā)展并得到廣泛應用。

在數(shù)字孿生加持的數(shù)字工廠內，生產(chǎn)過程的任一環(huán)節(jié)，都會實時呈現(xiàn)并存儲在數(shù)據(jù)里。工作人員在電腦屏幕前，就能對一輛車的生產(chǎn)實現(xiàn)全過程監(jiān)測；車輛生產(chǎn)出來便擁有自己的“電子身份證”，實現(xiàn)全生命周期質量的智能可控、可追溯……在這里，新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)走上高質量發(fā)展之路。

數(shù)字化轉型新基石

根據(jù)工信部中國電子技術標準化研究院發(fā)布的《數(shù)字孿生應用白皮書》，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。簡言之，數(shù)字孿生技術是一種通過創(chuàng)建物理實體的虛擬副本，實現(xiàn)虛擬與實際系統(tǒng)之間實時數(shù)據(jù)交互與反饋的技術。

數(shù)字孿生概念最早可追溯到20世紀60年代。當時，美國國家航空航天局和美國空軍研究實驗室在未來航天器的設計研發(fā)過程中，提出并充分運用數(shù)字孿生減少實體產(chǎn)品直接模擬產(chǎn)生的大量成本。我國對數(shù)字孿生的研究則相對起步較晚，近年來抓住數(shù)字技術加速發(fā)展的戰(zhàn)略機遇，陸續(xù)出臺了一系列相關文件：2020年，將數(shù)字孿生寫入“十四五”規(guī)劃，作為建設數(shù)字中國的重要發(fā)展方向；2021年，工信部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎設施建設三年行動計劃》，再次指出要加快數(shù)字孿生技術研發(fā)與應用，行業(yè)目前正處于快速上升期；工信部等九部門聯(lián)合印發(fā)的《原材料工業(yè)數(shù)字化轉型工作方案（2024—2026年）》提出，圍繞數(shù)字技術在提升產(chǎn)品合格率、資源綜合利用效率、全員勞動生產(chǎn)率和節(jié)能減排水平等方面的融合應用，打造一批“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合應用成效顯著、實現(xiàn)制造過程數(shù)字孿生的數(shù)字化轉型標桿工廠。

在發(fā)展初期，數(shù)字孿生的價值更多被認為是場景重現(xiàn)、展示和描述，而后逐漸占據(jù)數(shù)字化轉型浪潮中的重要地位。一方面，在政策密集引領下，數(shù)字孿生應用潛能加速迸發(fā)釋放；另一方面，隨著基礎設施數(shù)字化提速，企業(yè)數(shù)字化需求升級，數(shù)字孿生從可視化到可計算、可交互，逐步深入到產(chǎn)業(yè)智能化轉型發(fā)展的核心環(huán)節(jié)。通過智能感知、實時分析、科學決策和精準執(zhí)行等技術，實現(xiàn)設計過程、制造過程和制造裝備的智能化，從而達到縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質量、降低資源能源消耗等目標。而數(shù)字孿生技術正是支撐智能制造從理論走向應用的關鍵系統(tǒng)。

全生命周期閉環(huán)優(yōu)化

更高技術含量的勞動資料是新質生產(chǎn)力的動力源泉，數(shù)字孿生作為代表性數(shù)字技術之一，正深入工業(yè)領域引起廣泛變革。

數(shù)字孿生可以實現(xiàn)生產(chǎn)的數(shù)字化模擬和優(yōu)化，從而助推精準決策和高效運營。通過建立生產(chǎn)線的孿生場景，在虛擬環(huán)境中模擬真實的生產(chǎn)過程，準確預測生產(chǎn)中的瓶頸和問題，從而優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率，并不斷提升產(chǎn)品的質量和性能，滿足市場的多樣化需求。

數(shù)字孿生有助于推動工業(yè)生產(chǎn)的智能化和柔性化發(fā)展。企業(yè)可以根據(jù)市場需求和消費者偏好實現(xiàn)定制化生產(chǎn)和服務，預先構建個性化的孿生場景。這種智能化和柔性化生產(chǎn)能快速響應市場變化、滿足消費者需求，同時提高企業(yè)的競爭力和創(chuàng)新能力。

通過數(shù)字孿生系統(tǒng)，企業(yè)能夠實時獲取設備的運行狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，可及時發(fā)現(xiàn)潛在故障并進行預警。遠程監(jiān)控和預測性維護不僅能夠降低設備的停機時間和維修成本，還可以提高設備的可靠性與使用壽命，保障生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行。

此外，數(shù)字孿生會促進工業(yè)企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新。通過構建跨企業(yè)、跨行業(yè)的數(shù)字孿生平臺，不同企業(yè)和機構可以實現(xiàn)信息共享、資源互補和協(xié)同合作，打破行業(yè)壁壘，推動產(chǎn)業(yè)升級轉型，還能起到促進整個工業(yè)生態(tài)鏈健康發(fā)展的作用。

更重要的是，數(shù)字孿生在持續(xù)進化。數(shù)字孿生作為產(chǎn)業(yè)智能化轉型的基石之一，將為更加靈活和個性化的應用場景激活新質生產(chǎn)力。通過對生產(chǎn)過程、設備維護、產(chǎn)品研發(fā)、個性化定制和供應鏈等方面的優(yōu)化，數(shù)字孿生技術為我國制造業(yè)轉型升級提供了有力支持。

應用落地駛入快車道

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，數(shù)字孿生在應用場景落地探索方面初見成效，正推動工業(yè)制造的智能化升級和數(shù)字化“增效”。

今年是小浪底水利樞紐主體工程開工建設30周年。近年來，水利部深入貫徹落實網(wǎng)絡強國、數(shù)字中國國家戰(zhàn)略，精心擘畫數(shù)字孿生水利宏偉藍圖。作為首批試點，水利部小浪底水利樞紐管理中心全力以赴推動數(shù)字孿生小浪底建設。數(shù)字孿生小浪底平臺融合專業(yè)模型算法與人工智能技術，以數(shù)字孿生帶動物理實體，實現(xiàn)設備自動化、業(yè)務智能化、決策精準化，實現(xiàn)工程安全、防汛調度、庫區(qū)管理、發(fā)電運行等重點業(yè)務的“四預”功能和智慧決策，引領數(shù)字孿生水利工程技術發(fā)展，引領大型水利工程運營管理數(shù)字化轉型。

目前，中國數(shù)字孿生已進入大規(guī)模建設期，越來越多的企業(yè)開始利用數(shù)字孿生提升效率并開拓創(chuàng)新。國投集團旗下中國電子工程設計院股份有限公司為實現(xiàn)半導體產(chǎn)業(yè)的精益制造，首創(chuàng)PSIM數(shù)字孿生工廠解決方案，利用“工藝技術+數(shù)字化仿真技術” 打造精益智能綠色的高科技虛擬工廠。通過精細化設計、精準化分析、數(shù)字化優(yōu)化、智能化控制，最終實現(xiàn)建設投資降低、建設周期縮短、生產(chǎn)效率提升、運行成本下降的ITEC目標。

不僅如此，數(shù)字孿生在多個領域也顯示出巨大潛力。例如，在汽車制造業(yè)，數(shù)字孿生允許制造商在計算機上模擬生產(chǎn)線運作，實現(xiàn)精益生產(chǎn)；在能源行業(yè)，被用來監(jiān)測和分析風力發(fā)電機的性能，優(yōu)化維護和能源輸出；在智慧城市建設中，數(shù)字孿生能夠幫助規(guī)劃者可視化并有效管理城市運行的復雜系統(tǒng)。

盡管數(shù)字孿生技術具有廣闊的應用前景，但其發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，缺乏統(tǒng)一的定義和標準，使得不同領域的數(shù)字孿生技術發(fā)展參差不齊。其次，數(shù)據(jù)同化、模型更新和不確定性量化等關鍵技術尚不成熟，限制了數(shù)字孿生的準確性和可靠性。此外，人機交互和倫理問題也是數(shù)字孿生技術發(fā)展過程中需要重點關注的問題。

面向未來，數(shù)字孿生的技術底座正不斷夯實而應用日益拓寬，數(shù)字孿生的技術普及正改變著傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的面貌，塑造著制造業(yè)趨向智慧的未來。