从零开始了解数据采集（二十八）——制造业数字孪生

近年来，我国的工业领域正经历一场前所未有的数字化变革，从“双碳目标”到工业互联网平台的推广，国家政策和市场需求共同推动了制造业的升级。在这场变革中，数字孪生技术成为备受关注的关键工具，它不仅让企业“看见”设备，还让企业“预见”未来。今天，我们结合当前我国的工业热点，聊一聊数字孪生如何改变传统工业生产方式，带领行业迈向智能制造的新时代

什么是数字孪生？

数字孪生（Digital Twin）是指通过数字化的手段，在虚拟世界中构建与现实对象一致的虚拟模型。这个模型不仅能够映射物理实体的当前状态，还可以预测未来行为，为优化决策提供依据。

简单来说，数字孪生就是一个虚实结合的“数字镜像”，它由物理实体、数字模型和数据流组成。以下是其关键特点：

1. 实时性：通过传感器和物联网，数字孪生可以实时获取物理世界的数据，并在虚拟模型中反映出来。

2. 交互性：物理实体和虚拟模型之间是双向交互的，模型可以指导实体优化，而实体的变化也会反映到模型中。

3. 预测性：数字孪生能够模拟未来情景，预测可能的故障、趋势或结果，从而帮助决策者提前干预。

数字孪生的关键技术

要实现数字孪生，需要以下核心技术的支持：

1. 物联网（IoT）
   物联网是数字孪生的基础，它通过传感器、控制器等设备收集物理实体的实时数据，为虚拟模型提供数据支撑。

2. 大数据与数据分析
   数字孪生需要对收集到的海量数据进行存储、清洗和分析，以便生成有意义的洞察和预测。

3. 人工智能（AI）
   AI技术通过机器学习、图像识别等手段帮助数字孪生进行模式识别、优化算法和智能决策。

4. 计算机仿真技术
   数字孪生的虚拟模型依赖于精确的仿真技术，这包括流体动力学模拟、热力学分析等，用于模拟物理实体的复杂行为。

5. 云计算与边缘计算
   云计算提供了大规模数据处理和存储能力，而边缘计算可以在靠近物理设备的地方实现实时数据分析和低延迟响应。

6. 5G通信技术
   5G技术的高速、低延迟特性，为数字孪生的数据传输和实时交互提供了可靠保障。

数字孪生的体系架构

一个完整的数字孪生系统通常由以下几个层次构成：

1. 感知层
   包括各种传感器和数据采集设备，用于实时获取物理对象的状态和环境信息。

2. 数据层
   负责数据的存储、处理和管理。这里需要用到大数据平台、数据湖和数据库技术，确保数据的安全性和高效性。

3. 模型层
   构建物理对象的虚拟模型，包括几何模型、行为模型和功能模型等。这一层是数字孪生的核心。

4. 分析层
   通过数据挖掘、机器学习和仿真技术，对虚拟模型进行分析，生成优化方案和预测结果。

5. 交互层
   用户可以通过仪表盘、AR/VR技术等方式与数字孪生进行交互，实时监控系统运行状态或进行控制操作。

   

数字孪生的新机遇：中国制造2025的推进器

中国制造2025战略的核心，是让我国从“制造大国”迈向“制造强国”。数字孪生作为新一代信息技术的重要代表，与大数据、人工智能等技术结合，正在重塑工业生产流程：

1. “双碳”目标的助推器
   在“双碳”目标下，各行业都面临降低能耗与减少排放的双重压力。数字孪生技术可以通过模拟和优化，帮助工厂精确计算能耗分布，找到减少碳排放的最佳途径。例如，数字孪生可以在钢铁行业模拟不同炉温下的能源消耗，优化冶炼过程的碳排放路径。

2. 适应灵活制造的新需求
   随着消费市场对定制化产品的需求上升，传统的大规模流水线生产已经无法满足企业对灵活性的要求。数字孪生通过构建虚拟工厂，帮助企业快速调整生产方案。例如，某家电企业通过数字孪生技术优化生产线布局，将新产品从设计到量产的时间缩短了30%。

数字孪生如何助力重大项目落地？

2024年，我国启动了多个智能制造示范项目，涵盖了航空航天、新能源、医疗设备等关键领域。在这些高精尖行业中，数字孪生扮演着不可替代的角色。

1. 智能物流：数字孪生服务亚洲最大仓储中心
   浙江义乌的一座智能物流中心采用了数字孪生技术。每一个货物传输的路线、仓储机器人行进的轨迹，都能在数字孪生系统中实时映射。这不仅提升了仓储效率，还通过大数据分析优化了货物摆放策略，每年减少30%的无效移动。

   

2. 能源转型：支撑新能源基地建设
   青海省正在推进光伏发电和储能基地建设，数字孪生被用于监控光伏板的运行状态，预测设备故障并优化电网调度方案。例如，系统可以预测未来一周的光照强度和储能电量，从而减少供电波动对企业生产的影响。

   

3. 医疗设备的全生命周期管理
   国内一家高端医疗设备制造商利用数字孪生技术，为每台设备创建虚拟模型。通过实时监控设备运行参数，企业可以提供预测性维护服务，减少医院设备的停机时间。

数字孪生与我国特色场景的结合

数字孪生的应用并不局限于高端行业，它同样能为传统领域注入新活力。以下是几个贴近我国实际的案例：

1. 农业现代化：智慧农场的守护者
   在我国西北的干旱地区，数字孪生被用来模拟灌溉方案。农田中的传感器将土壤湿度、气温等数据上传到云端，通过虚拟农场预测作物在不同灌溉频率下的生长情况。最终，农场节约了20%的用水，同时提高了粮食产量。

   

2. 抗灾减灾：城市生命线的“数字护盾”
   在2023年的台风“杜苏芮”中，福建某城市利用数字孪生技术提前模拟了暴雨带来的积水影响，优化了排水系统和城市应急交通管理。事实证明，这套系统有效减少了城市主干道的积水面积，避免了大范围的交通瘫痪。

结语

作者曾经也有幸在一家数字孪生企业从事过，纵观国内市场的需求和项目，更多的还是属于智慧城市范围，制造业相关的需求目前更多的来自于高端制造行业。希望可以看到更多的政策补贴和示范推广，降低企业引入数字孪生的门槛，让更多中小制造企业享受数字化红利。