隨著經濟社會數字化轉型的持續推進，數字孿生逐漸成為產業各界關注的熱點技術。數字孿生起源航天軍工領域，近年來持續向智能制造、智慧城市等垂直行業拓展，實現機理描述、異常診斷、風險預測、決策輔助等應用價值，已成為助力企業數字化轉型、促進數字經濟發展的重要抓手。本白皮書聚焦數字孿生關鍵技術和行業應用發展，梳理數字孿生整體發展情況，深入分析技術體系和典型垂直行業應用場景，旨在為產業界在規劃實施數字孿生相關應用時提供參考借鑒，助力數字孿生技術演進和產業發展。

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數字孿生內涵與發展歷程

    數字孿生是一種數字化理念和技術手段，它以數據與模型的集成融合為基礎與核心，通過在數字空間實時構建物理對象的精準數字化映射，基于數據整合與分析預測來模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程，最終形成智能決策的優化閉環。其中，面向的物理對象包括實物、行為、過程，構建孿生體涉及到的數據包括實時傳感數據和運行歷史數據，集成的模型涵蓋物理模型、機理模型和流程模型等。

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數字孿生發展現狀

    從政策層面來看，數字孿生成為各國推進經濟社會數字化進程的重要抓手。國外主要發達經濟體從國家層面制定相關政策、成立組織聯盟、合作開展研究，加速數字孿生發展，我國將數字孿生寫入《“十四五”規劃》，作為建設數字中國的重要發展方向。工業互聯網聯盟（AII）也增設數字孿生特設組，開展數字孿生技術產業研究，推進相關標準制定，加速行業應用推廣。

    從行業應用層面來看，數字孿生成為垂直行業數字化轉型的重要使能技術。數字孿生加速與DICT領域最新技術融合，逐漸成為一種基礎性、普適性、綜合性的理論和技術體系，在經濟社會各領域的滲透率不斷提升，行業應用持續走深向實。工業領域中，在石化、冶金等流程制造業中，數字孿生聚焦工藝流程管控和重大設備管理等場景，賦能生產過程優化；在裝備制造、汽車制造等離散制造業中，聚焦產品數字化設計和智能運維等場景，賦能產品全生命周期管理。

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數字孿生技術架構概述

    數字孿生技術通過構建物理對象的數字化鏡像，描述物理對象在現實世界中的變化，模擬物理對象在現實環境中行為和影響，以實現狀態監測、故障診斷、趨勢預測和綜合優化。為了構建數字化鏡像并實現上述目標，需要IOT、建模、仿真等基礎支撐技術通過平臺化的架構進行融合，搭建從物理世界到孿生空間的信息交互閉環。整體來看，一個完成的數字孿生系統應包含以下四個實體層級：一是數據采集與控制實體，主要涵蓋感知、控制、標識等技術，承擔孿生體與物理對象間上行感知數據的采集和下行控制指令的執行。二是核心實體，依托通用支撐技術，實現模型構建與融合、數據集成、仿真分析、系統擴展等功能，是生成孿生體并拓展應用的主要載體。三是用戶實體，主要以可視化技術和虛擬現實技術為主，承擔人機交互的職能。四是跨域實體，承擔各實體層級之間的數據互通和安全保障職能。

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數字孿生賦能智能制造

    一、需求背景

    制造業作為全球經濟發展重要支撐，世界各國紛紛制定國家級發展戰略，我國先后出臺了“中國制造2025”、“互聯網+”、“工業互聯網”等制造業國家發展實施戰略，把推動制造業高質量發展作為構建現代化經濟體系的重要一環，推動制造業與新型ICT技術融合，實現制造業數字化、智能化轉型。在智能制造浪潮下，數字孿生成為了最為關鍵和基礎性技術之一。數字孿生作為連接物理世界和信息世界虛實交互的閉環優化技術，已成為推動制造業數字化轉型，促進數字經濟發展的重要抓手，以數據和模型為驅動，打通業務和管理層面的數據流，實時、連接、映射、分析、反饋物理世界行為，使工業全要素、全產業鏈、全價值鏈達到最大限度閉環優化，助力企業提升資源優化配置，有助于加快制造工藝數字化、生產系統模型化、服務能力生態化。

二、發展現狀

    制造業數字孿生應用發展前景廣闊。隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等新型ICT基數席卷全球，數字孿生得到越來越廣泛應用，被應用于航空航天、電力、船舶、離散制造、能源等行業領域，應用場景如研發設計、生產制造、營銷服務、運營管理、規劃決策等環節。在智能制造領域，數字孿生被認為是一種實現制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段，通過數字孿生技術的使用，將大幅推動產品在設計、生產、維護及維修等環節的變革。基于模型、數據、服務方面的優勢，數字孿生正成為制造業數字化轉型的核心驅動力。

    三、核心價值

    1、實現生產流程可視化提高生產管控圍繞制造業數字化轉型，數字孿生技術應用幫助生產制造企業優化產品生產制造流程，通過滿足制造業企業的生產需求，制定全方位數字孿生服務，形成生產流程可視化、生產工藝可預測優化、遠程監控與故障診斷在生產管控中高度集成，提升企業生產質量，提高對生產制造的管控水平。

    2、建設企業數字業務化降本增效利用數字孿生技術，通過深化改革、技術改造和現代管理，實現企業數字業務化以數據流帶動技術流、資金流、人才流、物資流，實現降本增效。在設備方面數字孿生幫助企業提升設備管理運行效率、降低產品生產設備故障率、降低設備維護成本等以降低企業運營成本。

    3、打造高度協同生產制造價值鏈釋放價值數字孿生技術促進上下游企業間數據集成和端到端匯聚，打造高度協同的上下游企業間生產制造鏈條，優化資源配置，提高企業效率，協同研發制造，推動企業釋放更大的增值。

    4、構筑數字孿生運營模式賦能轉型升級數字孿生深入設計、生產、物流、服務等活動環節，貫穿產品的全生命周期，滲透到設備、車間、企業、產業鏈各個層級應用，創造以產業升級、業務創新、全數字化個性化定制為導向的新的運營模式，擺脫舊商業模式束縛，觸發新型生產模式和商業模式的演進，助力企業升級改造，為傳統制造轉型升級賦能。

    作為發展數字經濟的重要使能技術，數字孿生近年來備受業界關注，技術體系不斷發展，核心技術快速演進，產業生態持續完備，行業應用走深向實，成為促進工業、城市、交通、網絡等垂直行業實現數智化轉型的重要抓手。但同時我們也注意到，數字孿生作為一項新興技術理念，尚處于發展初期，仍存在許多短板問題亟待破解。需要進一步對信息模型、數據集成、平臺等數字孿生核心要素和垂直行業應用模式進行規范統一，力求快速形成覆蓋數字孿生基礎共性、關鍵技術和行業應用的標準體系。