0.前奏

    数字孪生概念已经被提及多年，但很多人对于数字孪生的认知往往只限制于好看和展示，没用、鸡肋、核心价值不明晰，已经成为许多客户对于数字孪生产业初始印象，特别是经济下行阶段，更多的企业比较务实，他们更愿意将更多的资金投入到实际生产中去，ROI分析成为项目是否成功立项的重要分析因素，换个角度来看如果您是企业的决策者，手里有一笔资金，到底是投入到创新领域还是实际生产中去，这不是一个简单的问题。数字孪生技术真的是这么无用吗？我们应该如何正确看待数字孪生技术？它在实际应用中具体给我们解决了什么问题？带来了什么价值？他的应用场景是什么样的？数字孪生产业在发展过程中具体遇到了什么样的问题？如何看待数字孪生产业未来的发展和趋势？这篇文章，我将会从数字孪生产业状况、概念、价值分析、应用场景、问题、趋势分析等方面进一步带大家更细致的了解数字孪生产业和技术，文中我会尽量以第一视角，用通俗易懂的语言来帮助大家更好的理解这个行业。

1.关于数字孪生 

1.1 数字孪生发展历史-从物理孪生到数字孪生

1.1.1阶段一:源起, 物理孪生的应用

    在提到数字孪生概念之前，我们不得不先提及孪生这个概念，“孪生”的技术最早起源于20世纪60年代美国宇航局的“阿波罗计划”。即构建两个相同的航天飞行器，其中一个发射到太空执行任务，另一个1:1被复刻出来的物理实体则被留在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态，从而辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件，保证宇航员的生命安全。那么是如何做到的呢？
    单纯靠物理实体1:1复刻建模本身并不能算是一个完整的孪生系统。能让阿波罗13号任务如此与众不同，并被视为是世界上第一例孪生应用的原因在于，NASA使用了当时最先进的通信技术与阿波罗13号航天器中的各种设备及宇航员们持续保持联系，而这些通信数据则被地面控制人员用于迅速地修改、调整模拟器环境参数，以使其匹配现实中受损航天器的实际情况，这样他们就能和宇航员共同探讨、筛选并完善出把宇航员们成功带回地球的最终方案。
    因此，在阿波罗计划中，这些高保真度的模拟器及其相关的计算机系统，再加上与航空器持续保持通畅联系的通讯系统和获取到的通信数据流才构成了一套完整的阿波罗13号孪生系统。
扩展理解:大家可以看一看电影火星救援中，地空联动修复火星车的桥段。

1.1.2阶段二:概念发展期
 2003年PLM概念的提出:启蒙阶段
    2003 年前后，关于数字孪生（Digital Twin）的设想首次出现于(迈克尔·格里弗斯)Grieves 教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上。但是，当时“Digital Twin”一词还没有被正式提出，Grieves 将这一设想称为“Conceptual Ideal for PLM（Product Lifecycle Management）”，如图 所示。尽管如此，在该设想中数字孪生的基本思想已经有所体现，即在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射，忠实地描述物理实体全生命周期的运行轨迹。数字孪生可以分为三个部分：物理产品、虚拟产品和连接两者的信息流。

2010年~2013年:概念形成-空天应用期
    在2010年，美国国家航空航天局（NASA）在《建模、仿真、信息技术和处理》和《材料、结构、机械系统和制造》两份技术路线图中正式开始使用数字孪生（Digital Twin）这一名称。并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。
    2011 年，美国空军探索了数字孪生在飞行器健康管理中的应用，并详细探讨了实施数字孪生的技术挑战。
    2012 年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生的论文，指出数字孪生是驱动未来飞行器发展的关键技术之一。在接下来的几年中，越来越多的研究将数字孪生应用于航空航天领域，包括机身设计与维修，飞行器能力评估，飞行器故障预测等。

    eg.波音公司的777客机也是利用数字孪生技术的初期技术开发设计的典型实例。波音777客机的整个研发过程没有使用过任何的图纸模型，所涉及的300多万个零部件完全依靠数字孪生技术进行模拟、实验。据报道，该技术帮助波音公司减少了50%的返工量，有效缩短了40%的研发周期。根据有关信息研究机构分析，未来1-2年之内，全世界超过50%的大型工厂将会使用数字孪生技术，并提高近10%的生产效率。

1.1.3阶段三:2013年~今:行业拓展期-工业互联网
    2008年，美国通用电气公司（GE）开始将数字孪生技术应用于风力发电机组，并在2012年正式推出了基于云平台的数字孪生解决方案Predix。GE利用数字孪生技术收集和分析风力发电机组的运行数据，实现了对风力发电机组的远程监控、故障诊断和性能优化。此后，GE将数字孪生技术扩展到了航空发动机、燃气轮机、医疗设备等领域，并取得了显著的效益。
    2016年,德国西门子公司（Siemens）推出了基于数字孪生技术的工业软件MindSphere，并将其应用于汽车、船舶、化工等行业。西门子利用数字孪生技术建立了一个完整的工业互联网平台，实现了从设计到制造再到运维的全过程数字化管理。西门子还利用数字孪生技术开发了一种智能控制系统Sinalytics，可以根据实时数据自动调整设备参数，提高设备性能和可靠性。
    2017年,国际标准化组织（ISO）发布了《工业自动化系统和集成——数字孪生框架及其要素》（ISO 23247-1:2020），这是第一个关于数字孪生的国际标准。该标准定义了数字孪生的基本概念、框架和要素，并提出了一些应用案例和指导原则。该标准旨在促进数字孪生技术在不同领域和不同层次的协同和互操作。
    2016-2019年,从2016年起，Gartner持续看好数字孪生在未来的发展前景。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表示数字孪生处于期望膨胀期顶峰，在未来五年将产生破坏性创新。

    目前，国外数字孪生相关理论、技术、产品不断完善，众多国际厂商GE、PTC、ANSYS、达索系统、西门子、SAP等工业软件巨头都推出了自己擅长领域的数字孪生解决方案，深入应用到各细分行业领域，助力实现高效低成本的数字化转型。

1.2什么是数字孪生？-数字孪生的本质就是克隆

    简单来说，数字孪生就像是真实物体的“数字影子”，它可以帮助我们更好地展示、理解、管理、控制和预测真实物体的状态、推演未来运行规律和趋势，协助政府、企业进行科学决策，积累高质量数据，形成产业价值。数字孪生本质上是一种克隆的行为，只要是物理世界存在的事物，理论上是都可以被孪生出来，小到一颗螺丝、一台设备，中到一条生产线，一个园区；大到一座城市甚至是地球。当然仅仅做到简单的物理模型复刻远远是不够的，数字孪生不是单独一项技术，更是一系列技术体系，其核心技术包括，数字建模(物理模型、数据模型、机理模型)、物联网、人工智能、大数据、XR终端设备等。与数字孪生相连的系统，可能包括IIoT设备、计算机辅助设计（CAD）软件、产品生命周期管理（PLM）软件、制造执行系统（MES）和企业资源规划（ERP）系统、OA系统、财务等系统。
    综上可知，数字挛生系统是以具体应用需求为目标，基于实体数字建模、物联网、大数据、人工智能等多融合技术，通过构建物理空间与数字空间之间的闭环数据交换通道，实现数字空间和物理空间的虚实客观映射，在数字空间对物理设备的实时状态进行呈现，并对历史状态进行记录。基于其状态的映射和记录，面向具体应用需求，对物理空间的活动进行描述、诊断、预测、决策等支持，并支持设备实体与数字李生系统的双向迭代优化。其包括实现以上目标的物理设备、传感系统、计算系统、实体数字模型、数据模型、算法模型以及相应的应用软件。

1.3 数字孪生的价值？

1.3.1 数字孪生行业价值分析

    数字孪生本质价值更应该从数字和客户所在的行业去做分析。所以在做数字孪生价值分析时，建议不要全行业视角来看数字孪生，如果你是做智慧城市的，就说城市数字孪生；你做交通的，你就评论道路交通数字孪生；做工业的，主要也就说工业数字孪生。因为不同的细分领域下，数字孪生有可能根本不是一回事。所以数字孪生要做好我认为有以下几个条件:1.选定重点行业，中国工业有41个工业大类、207个中类、666个小类，数字孪生公司不可能把所有的门类都覆盖，所以找有钱的、有政策支持的、且对新型技术保持探索欲望的行业尤为重要。2.了解客户的行业痛点更重要，行业Know-how从来都是一个学习的过程，油气行业从勘探-钻探-生产-管道-炼化-销售、电力行业发输变配用，每个环节都有可能用到孪生，但如果我们不了解客户的业务也根本无法去为客户提供价值。3.积累更多的案例。客户更喜欢听到同行业的客户做了什么，所以针对这点，要时刻注意行业案例积累，保证有的放矢。4.多跑，多跟客户、行业专家聊，边干边学。

这里举几个简单的例子:
a.比如你客户是煤矿开采，那么他关心的点会在安全和效率上，那么孪生对于该客户价值在于
(1)提高掘进工作面安全性。实现掘进机、后配套破碎站等掘进设备健康状态、位姿监测、规程兑现等内容的实时监测,为掘进过程提供技术支撑，提高掘进工作面安全性，
(2)提高梁煤作业效事。实现采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机等采煤设备健康状态、作业信息等内容的实时监测,为采煤过程提供技术支撑，提高采煤作业效率。
(3)保隆人员和设备安全。借助智能传感,实现煤矿开采过程及采煤装备状态的实时感知，结合AI机器视觉电子围栏，进行应急模拟与作业培训，保障煤矿开采过程中的人员安全和设备安全。
(4)减少作业人员数量。围绕采掘管理、人员巡检等业务，提供在线监管服务,提升煤矿管理水平,降低人身伤害等事故的概率。
(5)提升辅助决策水平。整合煤矿来掘过程中的设备数据、环境数据、地理等供辅助决策依据。位置等信息，为煤矿掘进、采挖、通风、排水等供辅助决策依据。

b.水泥行业:
    基于数字李生的水泥回转窑炉解决方案有效提升产线自控率及平稳率、实现产品质量卡边操作、降低能源消耗及碳排放、延长设备检修周期等维度,为用户带来了直观、可观、可量化的经济效益回报。
(1)吨熟料煤耗降低1.5%;
(2)吨熟料电耗降低1%;
(3)氨水用量降低5%至10%;
(4)产线大修周期由7个月延长至11个月。
(5)单条产线年经济效益回报约为200万元。

c.风电机组数字孪生:
    基于数字孪生技术与大数据分析技术,通过数字仿真,风电机组全生命周期管理水平得以提升,主要体现在以下方面:
(1)有效降低机组载荷,延长机组寿命,增加发电量,提高风电运营效益,提高风电机组的市场竞争力。
(2)优化运维策略,实现风电机组预防性维修,降低故障率,降低重大故障发生率
(3)缩短维护时间20%,降低维护成本约10%,提高风电机组运行的经济性,
(4)提高风电机组对电网的适应和支撑作用,保障电网稳定,减少对电网的冲击。

再多就不写了，需要资料的可以最后加我微信，大家一起探讨交流。

##1.3.2 数字孪生通用价值分析##
    前面讲了很多行业价值，那也有朋友会问，那我真的不了解客户行业，我要向上call high怎么办？那这里给大家总结一些数字孪生通用的价值。

1.好看本身就是一种价值，（画面美观、信息传达价值高）
    数字孪生系统可以提供更专业化和收敛化的数据：计算机发展从Dos系统发展到windows系统的发展，而windows系统发布初期很多使用Dos系统的工程师和程序员都感觉意义不大，但windows的好看和易用性更好的惠及了广大普通使用者，这也推动了windows的普及。类比到工业、电力的数字孪生系统，工厂基层操作者和中层像熟悉Dos系统操作员，提供一个三维可视化系统意义不大（不能提高工作效率）；但对于高层管理者来说就非常有意义，领导很少关心生产细节，而会从宏观层面把控企业全面的运营，比如:采、供、销、存。结构化的数据也就更有利于生产决策。

2.多模态数据接入-解决多系统运行数据孤岛问题：
    企业运行业务域太多，包括营销、采购、生产、安环、质量、仓储物流、工程、资产设备、人力资源、财务等等，而目前很多企业的做法基本上就是1个模块1套系统，这就造成数据孤岛的问题，数据展示不直观，系统间风险控制、运行数据不能产生联动。采用数字孪生+数据中台技术不仅可以让数据变的更直观，也能让不同系统之间数据产生碰撞互动，提高数据质量，最终帮助企业形成本行业的数字大脑。

3. 3维数据展示更直观
    3D数字孪生可以展示更丰富的数据维度，比如人、机、料、法、环等，同事也可以更好的展示地理位置信息，可以让巡检人员更精准和快速的了解到现场环境、设备故障情况，从而采取更快速的方法；数字孪生其实是一种变相的虚拟仿真平台，可以将不容易、难模拟的现象，以更直观的形式展示出来。 

4. 决策支撑:
    易智时代数字孪生2.0提供客户业态决策的机理模型，易智时代拥有强大的科研团队，客户业态机理的研究院所。满足客户多领域，多业态的发展形式。客户可以通过利用各领域机理模型对不同业务域的数据做综合分析，让客户从自我决策到辅助决策再到最后的跟随决策真正做到，业务数据化-数据决策化-数据业务化。避免决策失误带来的损失
5.模式输出、标杆效应。

1.4 数字孪生能力成熟度模型

    在数字孪生理论研究和工程应用过程中，存在以下疑惑和问题：
    1.如何判断是不是数字孪生？
    2.如何评判现有数字孪生能否满足应用需求？
    3.若不满足应用需求如何优化提升？
    为解决上述问题，通用将数字孪生成熟度分为
“以虚仿实（L0）、以虚映实（L1）、以虚控实（L2）、以虚预实（L3）、以 虚优实（L4）、虚实共生（L5）”六个等级

1.4.1 以虚仿实(L0) -人工交互，离线仿真
    以虚仿实:是利用数字孪生对物理实体描述和刻画，使得在虚拟世界中对物理设备进行仿真，人们就像拥有“穿越”和“透视”技能，可以来观察这些3D模型和动画，并了解它们的构造和工作原理，揭示物体、设备内部结构和运行原理。
    以虚仿实主要应用于复杂设备拆解、操作，危险场景模拟，职业类院校实训教育等场景，他可以更好的将设备、产线、危险场景等难以在现实中实现的场景模拟出来，从而可以更好的解决现实场景中时空问题，通过交互模拟，更能充分调动被培训人员学习的主观能动性，提升学习效率，同时，通过配合实训考核平台的学、练、考、评、测等多种能力，实现培训业务闭环。

    经过多年项目探索，对于以虚仿实场景我们高度抽象了客户"三高四难"的痛点，从而更好的去帮客户阐释虚拟仿真技术的价值和意义。

1.4.2 以虚映实(L1) -单项映射，动态可视化
    以虚映实指利用数字孪生模型实时复现物理实体的实时状态和变化过程，具有该能力的数字孪生处于其成熟度等级的第一等级（L1）。在该等级，数字孪生模型由真实且具有时效性的物理实体相关数据驱动运行，同步直观呈现与物理实体相同的运行状态和过程，输出与物理实体运行相同的结果，从而在一定程 度上突破时间、空间和环境约束对于物理实体监测过程的限制，但对于物理实 体的操作和管控依旧依赖现场人员的直接介入，仍无法实现物理实体的远程可视化操控。

某数字孪生变电站

1.4.3 以虚控实(L2) -双向交互，闭环迭代
    以虚控实指利用数字孪生模型间接控制物理实体的运行过程，具有该能力的数 字孪生处于其成熟度等级的第二等级（L2）。在该等级，信息空间中的数字孪生模型已具有相对完整的运动和控制逻辑，能够接受输入指令在信息空间中实 现较为复杂的运行过程。同时，在以虚映实的基础上，增量建设由数字孪生模型到物理实体的数据传输通道，实现虚实实时双向闭环交互，从而赋予物理实体远程可视化操控的能力，进一步突破空间和环境约束对于物理实体操控的限 制，并大幅提高物理实体的管控效率。 类似于楼宇的动环系统、安防系统、能耗管理系统、门禁系统再规则的允许下基本都可以做到以虚控实。当然值得注意的是以虚控时还要考虑信息控制的实时性和设备操作的合规性。

园区智能机器人管控

1.4.4 以虚预实(L3) -时效分析，孪生预演
    以虚预实是指利用数字孪生和AI预测物理实体未来一段时间的运行过程和状态，并通过合理利用数字孪生模型所描述的显性机理和数字孪生数据所蕴含的隐性规律，实现对物理实体未来运行过程的在线预演和对运行结果的推测，从而在一定程度上将未知转化为预知，将突发和偶发问题转变为常规问题。

某机场基坑数字孪生可视化系统

1.4.5 以虚优实(L4) -决策优化，智能管控
    以虚优实是利用数字孪生和AI对物理实体进行优化，不仅能够基于数字孪生模型实时反映物理实体的运行状态，结合数字孪生数据预测物理实体的未来发展，还能够在此基础上，利用策略、算法和前期积累沉淀的知识，实现具有时效性的智能决策和优化，并基于实时交互机制实现对物理实体的智能管控。

AI优化

1.4.6 以虚优实(L5) -动态重构，自主孪生
    虚实共生作为数字孪生的理想目标，是指物理实体和数字孪生模型在长时间的同步运行过程中，甚至是在全生命周期中通过动态重构实现自主孪生，从而保证包括可视化、预测、决策和优化等诸多功能服务的有效性，实现低成本、高质量和可持续的数字孪生。

1.5 数字孪生技术的应用场景？

    近年来，数字孪生得到越来越广泛的传播。同时，得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生的实施已逐渐成为可能。现阶段，除了航空航天领域，数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等行业，如图所示。特别是在智能制造领域，数字孪生被认为是一种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段。许多著名企业（如空客、洛克希德马丁、西门子等）与组织（如 Gartner、德勤、中国科协智能制造协会）对数字孪生给予了高度重视，并且开始探索基于数字孪生的智能生产新模式。

1.6 应用案例

    不多介绍了，更多案例，后面也会在简书里持续梳理，也有一些行业白皮书资料，有需要的加微信可以联系到我。

参考素材

1.https://m.gmw.cn/baijia/2022-03/11/35580989.html

2.https://zhuanlan.zhihu.com/p/371741927 阿波罗计划

3.https://www.akila3d.cn/blogs/five-dimensions-digital-twins-cn 数字孪生介绍

4.https://maimai.cn/article/detail?fid=1737479100&efid=63xqGYV_Oqqfw6bO_idrVw
硬科技之智能制造-这里面有一些历史信息和市场信息

5.数字孪生能力成熟度模型-http://www.360doc.com/content/24/0114/20/62738899_1111064964.shtml#google_vignette

6.数字孪生L0-L5分级:https://www.jianshu.com/p/4003a4721300

7.数字孪生模型精度:https://www.jianshu.com/p/4003a4721300

8.a.地方数字孪生技术有没有真正的实用价值？ - 彭彭的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/429883633/answer/2664788030
b.数字孪生技术有没有真正的实用价值？ - miao君的回答 - 知乎https://www.zhihu.com/question/429883633/answer/3504061190