2019年数字孪生白皮书

2.1 数字孪生历程：历经技术积累、概念提出、应用萌芽、快速发展四个阶段
21世纪之前 技术积累期
2000-2015年 概念提出期
2015-2020年 应用萌芽期
CAx软件为数字孪生的出现奠定了 美国军方机构开始提出数字孪生
Байду номын сангаас
技术基础
的相关概念
工业软件巨头纷纷布局数 字孪生业务
⚫ 1949年第一代CAM软件APT问世；
Hybrid Twin 混合孪生
资料来源:赵敏，走向智能研究院
1.3 数字孪生正成为主要国家数字化转型的新抓手
➢ 美国工业互联网联盟将数字孪生作为工业 互联网落地的核心和关键。
➢ 德国工业4.0参考架构将数字孪生作为重要内容。
业务层
组织和业务流程
⚫ 应用平台 ⚫ 数字孪生空间 ⚫ 模型平台 ⚫ 数据平台
……
数字孪生因建模仿真技术而起、因传感技术而兴，并将随着新一代信息技术群体突破和融合发展而发展壮大。
2.2 数字孪生定义
➢ 国外研究机构
⚫ 德勤：数字孪生是以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程进行动态呈现。 ⚫ 埃森哲：数字孪生是指物理产品在虚拟空间中的数字模型，包含了从产品构思到产品退市全生命周期的产品信息。 ⚫ 美国国防采办大学：数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、 多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。 ⚫ 密歇根大学：数字孪生是基于传感器所建立的某一物理实体的数字化模型，可模拟显示世界中的具体事物。
数字孪生白皮书（2019年）
中国电子信息产业发展研究院
目目录录
一、数字孪生发展态势 二、数字孪生定义内涵 三、数字孪生应用场景 四、数字孪生未来展望
数字孪生发展态势
1.1 数字孪生正成为全球信息技术发展的新焦点 1.2 数字孪生正成为跨国企业业务布局的新方向 1.3 数字孪生正成为主要国家数字化转型的新抓手
⚫ 1982年二维绘图标志性工具AutoCAD 问世。
⚫ 2012年NASA发布了包含数字孪生 的两份技术路线图。
⚫ 达索、GE、ESI等企业开始 宣传和使用数字孪生技术。
……
……
……
2020-未来 快速发展期 数字孪生技术和产业生 态都有望迎来爆发期
⚫ 数字孪生将加速与AI等 新兴技术融合发展进一步应 用。 ⚫ 数字孪生广泛应用于工 业互联网、车联网、智慧城 市等新型场景。
2.2 数字孪生定义：实现物理空间在赛博空间交互映射的通用使能技术
➢ 数字孪生是综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行
描述、
诊断、预测、决策，进而实现物理空间与赛博空间的交互映射。
⚫ 数据是基础
⚫ 模型是核心
⚫ 软件是载体
动态调整
物理对象
原理+数据
控制器
机理模型
模型
+
数据驱动模型
自我学习
信息 软件
模型算法化
算法代码化 代码软件化
描述
诊断 预测 决策
指令
2.3 数字孪生内涵：涵盖“12345”五大内容
一项通用技术 两大孪生空间
三大技术要素 四大功能等级
支撑经济社会数字化转型的通用使能技术
⚫ 2003年密歇根大学Michael Grieces
⚫ 西门子2017年正式发布了数
⚫ 1969年NASA推出了第一代CAE软件 教授首次提出数字孪生概念；
字孪生体应用模型；
COSMIC Nastran；
⚫ 2010年美国军方提出数字线程；
⚫ PTC2017年推出基于数字孪
⚫ 1973年第一代CAPP系统AuToPros问世； ⚫ 2011年洛克希德·马丁提出数字织锦； 生技术的物联网解决方案；
中国
国家
中国 美国田、本田等 西门子等
建设目标
虚拟新加坡 数字孪生巴黎 多伦多高科技社区 雄安新区数字城市 杭州城市大脑
车 联 网
数字孪生内涵理解
2.1 数字孪生历程 2.2 数字孪生定义 2.3 数字孪生内涵
2.4 数字孪生典型特征 2.5 数字孪生技术架构
➢ 国内行业专家
⚫宁振波：数字孪生是将物理对象以数字化方式在虚拟空间呈现，模拟其在现实环境中的行为特征。 ⚫赵敏：数字孪生是指在数字虚体空间中所构建的虚拟事物，与物理实体空间中的实体事物所对应的、在形态和举止上都 相像的虚实精确映射关系。 ⚫林诗万：数字孪生是实体或逻辑对象在数字空间的全生命周期的动态复制体，可基于丰富的历史和实时数据、先进的算 法模型实现对对象状态和行为高保真度的数字化表征、模拟试验和预测。 ⚫陶飞：数字孪生以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物 理实体在真实环境中的属性、行为、规则等。
西门子公司
Digital Twin 数字孪生
PTC公司
Digital Twin 数字孪生
达索公司
Virtual Twin 虚拟孪生
ESI公司
Physical-Based Virtual Twin 基于物理的虚拟孪生
数字孪生+
Digital Twin P/P/P 数字孪生 产品/生产/绩效
Digital Twin +K System 数字孪生+知识体系
1.1 数字孪生正成为全球信息技术发展的新焦点
➢ 2016-2018年，Gartner连续三年将数字孪生列为十大战略科技发展趋势。 ➢ 2019年，Gartner认为数字孪生处于期望膨胀期顶峰，将在未来5年将产生破坏性创新。
数字孪生技术
1.2 数字孪生正成为跨国企业业务布局的新方向
数字孪生
发展阶段 重点企业
图 以数字孪生体框架为核心的工业互联网Paas系统
数字世界
功能层 信息层
通信层
资产功能
数据、模型 （数字孪生实现）
网络、协议
数字孪 生空间
物理世界
集成层
传感器、驱动器
资产层
物（设备/机器/产品等）
德国工业4.0参考架构
1.3 数字孪生正成为主要国家数字化转型的新抓手
国家
智
新加坡
慧
法国
城
加拿大
市
中国
Product lifecycle Twin 产品全生命周期孪生
Date-Drived Virtual Twin 数据驱动的虚拟孪生
数字孪生++
Comprehensive Digital Twin 综合数字孪生
Digital Twin+AR 数字孪生+增强现实
3DEXPERIENCE Twin 3DEXPERIENCE孪生