数字孪生助力制造领域数字化转型发展

程艾文

单位省市：安徽省合肥市

单位邮编：230088

摘要：党的二十大报告提出“高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务”。建设现代化产业体系是加快构建新发展格局，着力推动高质量发展的重要任务之一。建设现代化产业体系要推进新型工业化，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。要贯彻和落实党的二十大关于“完整、准确、全面贯彻新发展理念”的要求和部署，就要坚持不懈地发展数字经济、推进数字化转型、坚持智能制造，全面建设现代化产业体系，促进高质量发展。数字孪生作为数字经济的最高阶段形式，是智能制造、数字化转型发展的重要趋势。“十四五”期间，数字孪生将成为重点技术方向。

关键词：制造领域；数字孪生技术；数字化转型

1. 数字孪生技术概述

数字孪生定义比较复杂，简单地说，就是把现实世界映射到虚拟世界，通过感知、计算等实现虚实融合、认知预判。也就是说，数字孪生是在虚拟环境中构建现实场景，模拟生活生产中的运营逻辑。而按照《白皮书》给出的定义，数字孪生是对物理实体的数字化表达，以历史数据、实时数据为基础，融合几何、机理、数据驱动等多种数字模型，实现对物理对象的映射呈现、分析优化、诊断预测以及闭环控制。数字孪生技术在基础设施建设、产品制造、运维服务等领域具有广阔的应用前景，世界主要国家大力推进数字孪生技术在制造领域的应用和推广，并取得了重大突破。

数字孪生有两大关键点：一是物理实体和虚拟模型之间的双向连接；二是双向连接必须基于实时数据，物联网技术被认为是数字孪生必不可缺的使能技术。早期的数字孪生普遍是单体的数字孪生，需要的仅仅是物联网技术，对于工业互联网平台并非强需求。当前的数字孪生应用已经呈现出网络化的特征，应用对象从单个系统演变为系统之系统，在网络化的背景下，工业互联网平台的作用开始被逐渐放大，以下四个方面的能力成为构建数字孪生的必备能力。第一是协议兼容性问题。第二是建模难度问题。第三是实时性问题。第四是计算规模问题。

2. 制造企业智能制造创新与数字化转型的背景

2010年以来，信息化、网络化、数字化技术在全球范围内掀起了汹涌浪潮，以智能制造、大数据、云计算、物联网、人工智能和5G等新一代信息技术为核心的新一轮科技革命和产业革命正在加速发展，数字化转型成为大势所趋。各个国家在智能制造与数字化转型中做出多重战略和大胆变革。新一届欧盟委员会提出“适应数字化时代”，通过量子技术、人工智能、区块链等数字化技术，推进数字化转型，并随着数字化转型影响，欧盟增加首席数字官、数据科学家等新职位。法国在数字化转型过程中独具特色，从开始进入数字化时代之初慎之又慎，到后来大胆拥抱数字化，并做出很多重要举措。德国通过“工业4.0”全球推广数字化技术，以西门子产品三维设计与数字化管理技术为核心，为数字化转型打开应用局面。美国的先进制造、日本的精益生产无不说明智能制造与数字化转型已经成为不可阻挡的全球化趋势。

制造企业在新技术的冲击下，肩负着高质量发展的使命，迫切需要通过智能制造创新与数字化转型打造高质量可持续发展优势。然而，离散型制造企业具有产品多品种、小批量、流程多变、技术跨专业、工艺跨组织等特点，其原有的生产组织活动中存在很多问题，较为突出的是离散型装备制造企业大都是科研与批产混线，生产组织、生产计划复杂多变，没有数字化生产管控技术应用就无法做到产品的实时透明、精准管控。在企业原有的生产管控体系下，物料需求与生产计划协调性不强、备料不准确，导致生产不顺畅。由于信息不及时、信息不准确造成产品质量问题多、生产过程各项风险预测能力弱等问题，迫切需求装备制造企业能够快速适应新技术、新局势的发展，企业必须通过智能制造创新方法来迅速反应与快速变革，打造制造企业快速、高质量发展的可持续竞争优势。

3. 机械制造数字化转型中的关键技术分析

3.1工厂的数字孪生

工厂的数字孪生，基于设计、厂房和基础设施创建，主要用于测试、模拟和试运行。生产类资产或设备的数字孪生，用于设计、模拟启动和持续运转，设定和优化基础参数，模拟和运作生产类资产及设备，旨在预防性维护和增强现实应用。产品的数字孪生是对产品数字化的具体呈现，将工厂设计和生命周期管理结合，推广到工厂运营中，这是研发的主要组成内容，推进产品的模拟和测试，促使产品开发利用。

3.2互联工厂

工厂集成各种互联技术，将资源、设施、工具及产品等高效连接，强调和突出控制及优化流程，运用ERP系统，致力于综合规划。

3.3模块化生产类资产及设备

围绕生产类资产及设备，创建灵活化、模块化、区块化的方式，与传统的生产线有机结合，运用人工智能、互联网、区块链、云计算、物联网、大数据等技术体系，根据生产流程及步骤，注重储存设备、固定装置等的优化整合。

3.4流程可视化、自动化

使用3D打印等柔性生产流程，根据各类移动应用软件（如App等），结合数字化虚拟技术，改进人际协作和设计用户接口；在大数据分析下，利用传感器和远程监控设备，实现预防性维护和维修，进而优化资源配置及有效利用率。

3.5生产参数转移及跟踪

大数据驱动的流程实施中，持续改进质量体系，降低能源及资源消耗，结合实际供需情况，将生产参数短时间内快捷高效地转移到其他厂区，利用数字化工厂，节省运营成本，强化危险品和远程生产设施；利用传感器、MES、EPR系统等，实时跟踪产品和原材料，以及各个零部件，使整个生产流程公开透明化。

4. 数字孪生技术助力制造行业数字化转型的方向

4.1促进产品制造智能化发展

数字孪生的出现和发展将对产品制造过程的智能化和产品本身的智能化有着巨大的推动作用。通过数字孪生技术构建出产品的数字模型，借助其与外界的数据交互，模拟出产品在各种现实环境下的状态和功能，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，就能为产品在全寿命周期的各个环节提供最佳方案，从而为产品的使用、维护人员提供实时可靠的信息支持。应加强系统工程建设，强化技术转化机制，加速数字孪生的产业化进程，以推动产品制造的智能化发展。

4.2数字孪生技术将推动先进仿真技术的发展

仿真是数字孪生的基础，数字孪生依赖于多样的仿真手段而实现，代表了最新的仿真技术。数字孪生在产品制造领域的应用将进一步推动仿真技术的发展。美、俄、欧等主要国家和地区前期在仿真技术领域进行了大量的探索，部分项目成果已应用于装备研发制造。为应对新环境下的发展需求，应不断强化数字孪生基础技术的研发和集成工作，加快关键技术攻关，支撑相关项目的立项和实施，加速数字孪生技术的推广应用，对加速制造业信息化转型和支撑国防建设具有重要意义。

结 语：

数字化转型给制造企业带来了机遇和挑战，应从实际情况出发，应进一步加强整体规划布局，突破关键技术，推进数字孪生技术的深入应用。以新一代信息技术与先进制造技术深度融合为主线，深入实施智能制造工程，着力提升创新能力、供给能力、支撑能力和应用水平，加快构建智能制造发展生态，持续推进制造业数字化转型、网络化协同、智能化变革，为促进制造业高质量发展、加快制造强国建设、发展数字经济、构筑国际竞争新优势提供有力支撑。

参考文献：

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