数字孪生:工业智能发展新趋势

摘要：数字孪生中结合了不同专业的内容并充分利用了物理模型、传感器更新及运行历史等，同时也将不同学科、物理量、多尺度及多概算进行集合完成仿真操作过程，可以在虚拟空间中进行映射，利用此来反应出装备整体生命周期过程。数字孪生可以利用数字化来表达物理产品，也就是可以通过数字化产品观察到物理产品可能发生的变化，与该项技术相关的技术还包括增强现实技术、虚拟现实技术。在工业生产中使用数字孪生可以充分体现出其优势，在工业行业中有一种说法，即工业领域1%的革命，也就是当全世界工业效率提升1%时整体生产成本可以降低300亿元。2019年Gartner发布的十大战略性技术中就包括数字孪生技术。IDC预测到2020年全世界会有600家企业使用数字孪生对所生产的产品进行创新，到2023年数字孪生市场可以产生157亿美元，其增长率也是非常高的，可见在未来数字孪生技术成为工业产业中的重点技术[1]。

关键词：数字孪生;工业智能;发展新趋势

中图分类号：F49    文献标识码：A         文章编号：1007-9416（2020）10-0000-00

1数字孪生概述

工业行业在发展的过程中充分利用了数字化技术，在使用数字化技术后可以有效提升生产效率并可以对产品品质进行优化，同时可使产品具有良好的性能。现阶段，在工业生产中已经广泛应用了数字生产流程、数字化设计。数字技术可以加快工业行业技术创新速度，对传统工业生产模式进行了最大限度的优化，使工业生产体系变得更加智慧化。现阶段，工业行业在互联网技术的通用下也逐渐形成了工业智能化，数字孪生就是工业智能化发展的关键。通过IBM研究报告可以看出，数字孪生技术可以应用到价值较高的领域，例如，火箭制造、石油及天然气开采系统等。此外，随着现代科技的不断发展数字孪生技术在未来5年至8年会变得更加成熟。随着5G时代的到来，工业互联网也得到了广泛的使用，这样全世界工业企业必将会关注并应用数字孪生技术。

数字孪生技术中的孪生，从生理学角度来看其可以与生物基因层相关联，同卵双生儿不仅外貌相像且生理内质也有着紧密的关联。因此在科学技术不断发展的过程中数字孪生技术也建立了物理产品转换到虚拟产品间的关联，数据是直接反应这些信息的要素。数字孪生技术应用后既可以得到良好的可视化效果同时可以将物理产品与数字产品间的内质进行联系[2]。

2数字孪生技术所面临的就与挑战

数字孪生技术可以帮助人们从数字驱动角度来构建全新视角，并对传统企业模式中的缺陷进行重新审视并对空间进行创新。尤其是在使用数字孪生技术后可以将原有的仿真技术与大数据技术、物联网技术、人工智能化技术等进行深度融合。将数字孪生技术应用到工业生产中可以对工业产品设计、生产流程、设备维护等进行革新。

3工业智能化现阶段发展趋势

3.1工业生产设备智能化

工业生产智能化在发展的过程中智能化技术被广泛应用到工业生产设备中，同时在工业生产系统中也得到了广泛的应用。在未来要想实现工业行业智能化发展首先应保证工业生产设备智能化，也就是生产工艺、生产流程自动化控制。工业设备智能化体现在生产控制系统智能化、数控技术创新应用、全套自动化生产线、传感器的使用及智能工业机器人的应用等。充分利用互联网技术在控制系统中构建实时数据库机制，利用数据库对数据进行实时分析并发出相应的执行指令，使生产线各操作步骤可以无缝衔接，最终实现生产控制系统智能化、自动化。

可以利用PLC技术完成生产设备逻辑编程，并利用计算机进行编程，将生产数据编辑成质量体系传输到生产系统中，有效降低生产过程中材料的使用量。在实际生产中应充分利用智能化系统及设备，实现设备操作自动化同时实现无人操作，通过自动化流水线完成生产工序。从我国智能设备十二五发展规划来看，到2020年我国智能设备销售量可以达到3万亿，真正实现工业生产设备智能化。此外，未来工业生产中智能化工厂已经成为主要发展方向。

3.2制造流程智能化

在工业领域发展的过程中数字技术、人工智能技术必将成为主要技术。未来工业企业生产方式将以人机合作的方式为主，智能工厂中应设置总控中心并通过此进行生产调度，工厂在进行生产的过程中，可以在生产线上配置专业技术人员及工业机器人完成生产工作。例如，我国某地新区作为示范基地已经开始使用此种模式，预计到2020年人工智能技术会进一步扩大产业规模，产业规模可以达到3千亿元。工业企业中质量检验是产品生产流程中的主要内容。从相关数据中可以看出，目前，我国各工业企业质量检验人员数量已经达到350万人，在进行质量检验时会耗费较大的精力、时间，影响工作效率，也无法保证产品质量。5G时代的到来AI质量检验技术的应用可以进一步提升产品质量检验水平，通过AI技术可以对产品质量缺陷进行扫描并通过智能生产线对有质量问题的产品进行分类，从而保证产品质量。目前，我国工业领域发展迅猛，但是也给环境带来污染，我国环境保护部门也开始对工业企业污染问题进行治理，但是治理效果并不是很理想，相关管理部门对工业企业污染问题进行强制要求，工业企业在生产过程中应严格执行噪音污染、粉尘污染、水污染等环境污染控制条例，在未来可以将智能环境质量检测设备安装到生产车间内，有效降低污染现象。

3.3实现产品智能化

工业生产中应用智能化技术可以实现产品智能化。以智能家居为例，其已经由传统的制造产品升级为智能产品。IT技术、自动控制技术被智能家居產品广分应用，智能家居产品也吸引了更多人的眼球，市场潜在价值是非常大的，发展空间也是非常大的。智能家居不只是使用智能产品而是构建智能住宅平台，充分结合了网络通信技术、自动化控制技术、物联网技术等。目前，房屋建筑、家居行业对智能化有了更高的要求，这样也调动了工业企业智能化生产的积极性。现阶段，我国智能家居使用量也随之增加，但是智能家居产业仍处于发展阶段，同时智能家居产品受到研发、设计、生产等方面的影响也给生产体系完整落实带来一定阻碍，这样也给智能家居产业的发展带来一定的影响，但是其整体产业发展是具有非常广阔的前景的[3]。

4数字孪生在工业智能中的发展趋势

从工业产品方面来看，传统的工业产品没有关注到机械设备的生理问题，即使是使用了仿生学但是在功能性方面也存在一些弊端。数字孪生技术的应用对仿生学理念进行了拓展，并将关注点放在机械设备生理问题方面。美国一些学者利用数字孪生理念构建起机械设备生理，并建立起数字产品、物理产品间的内部联系。这种关系既可以保证形态方面的一致性同时可以实现物理性能相符，可以將原有的机械属性进行优化，升级为机械生理属性，实现机械产品数字化。现阶段工业产品可以被激活成机械生理数字产品，这也标志着工业生产智能化时代的到来。

目前，数字孪生技术已经席卷全球各个国家，从国外一些数字孪生技术使用情况来看，现阶段更多的大企业已经相继使用，如西门子、通用电气等。以美国通用电气应用数字孪生技术为例，旗下应用天然气驱动电厂核心生产设备中的涡轮发电机，而涡轮发电机组成部件是非常多的，不同的部件会受到外界因素的影响，假如还使用平均故障间隔时间评估就无法实现对涡轮机的有效维护。因此电站管理人员在维护期间只能使用运行过程中的数据及以往经验，即使是定期维护也经常会出现涡轮机组部件失效现象，给整体电厂生产带来非常不利的影响。在应用孪生数字技术后可以对这些问题进行解决。在使用时可以将传感器安装到涡轮发电机组件上，运行过程中所产生的数据可以实时传输到数据库中，然后再使用数字技术构建起数字孪生体系，实现与物理组件的一致性。涡轮发电机组运行过程中所产生的数据可以为数字孪生体系提供更加丰富的信息资源并为数字模型构建应用场景，例如对运行系统负荷、温度及空气质量的控制等。在了解涡轮机组运行情况后构建起涡轮机组数字模型，利用统计工具对模型进行分析，操作人员在进行涡轮机维护时应提前预算好维护时间，从而减少因停机等产生的不必要成本，降低因停机维护所造成的风险。

数字孪生技术在工业化互联网中已经向生物理论进化，应对其进行更新及培育，提升整体系统的创新能力。在这个创新系统中充分融入了信息化、工业化技术，在工业领域中构建起集物理学、数据学及学习系统平台。可以说，应用孪生数字技术后，未来的工业企业就像是一个巨大的生物体，可以将生产所需要的原料全部“吞进”，最后变成所需要的产品。

5结语

可知，在未来将数字孪生技术将会应用到轻工业、重工业生产中并形成工业平台系统。数字孪生技术在应用后可以对原有的模式进行优化，同时可以给产品服务模式进行革新，充分满足消费者对数字孪生产品数据资源的需求，可以说，在未来数字孪生技术会纳入到智能生产中[4]。

参考文献

[1]陈继文，魏文胜，李鑫，等.基于数字孪生的工程机械产品健康检测方法研究[J].中国工程机械学报，2020，18（4）：371-376.

[2]王少平，康献民，余宏志，等.基于数字孪生技术的产线设计和迭代演化[J].机械工程师，2020（8）：28-30.

[3]梁才.数字孪生技术提升品质工程建设[J].中国建设信息化，2020（14）：38-41.

[4]刘义，刘晓冬，焦曼，等.基于数字孪生的智能车间管控[J].制造业自动化，2020，42（7）：148-152.

收稿日期：2020-09-07

作者简介：刘慧莉（1984—），女，安徽池州人，本科，中级工程师，研究方向：信息技术。

Digital Twin： the New Development Trend of Industrial Intelligence

LIU Hui-li

（Development Institute of Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.， Tianjin  300451）

Abstract：The digital twin combines different professional contents and makes full use of physical model， sensor update and operation history，At the same time， different disciplines， physical quantities， multi-scale and multi budget estimates are combined to complete the simulation operation process， which can be mapped in the virtual space to reflect the whole life cycle process of equipment.Digital twins can express physical products by digitization， that is to say， the possible changes of physical products can be observed through digital products. The technologies related to this technology include augmented reality technology and virtual reality technology.The use of digital twins in industrial production can fully reflect its advantages. There is a saying in the industrial industry， that is， the 1% revolution in the industrial field， that is， when the world's industrial efficiency is increased by 1%， the overall production cost can be reduced by 30 billion yuan.The top 10 strategic technologies released by Gartner in 2019 include digital twin technology. IDC predicts that by 2020， 600 enterprises in the world will use digital twin to innovate their products. By 2023， the digital twin market will generate 15.7 billion US dollars， and its growth rate is also very high. It can be seen that digital twin technology will become the key technology in the industrial industry in the future[1].

key word：digital twins;industrial intelligence;new development trend