数字孪生应用白皮书

数字孪生应用白皮书2020版主编单位：中国电子技术标准化研究院　树根互联技术有限公司2020年11月1前言.....................................................................................................................1一、数字孪生概述.............................................................................................1（一）数字孪生发展背景..........................................................................1（二）数字孪生的定义及典型特征..........................................................3（三）数字孪生与其他技术的区别..........................................................5二、数字孪生相关概念及内涵.........................................................................8（一）相关术语..........................................................................................8（二）相关概念........................................................................................13三、数字孪生应用发展综述...........................................................................16（一）应用需求方向................................................................................16（二）数字孪生产业图谱........................................................................26（三）应用发展现状................................................................................37（四）数字孪生技术体系........................................................................73（五）推动条件........................................................................................92四、数字孪生标准化当前工作、现状及需求...............................................99（一）标准化工作概述............................................................................99（二）智能制造领域数字孪生标准化现状及需求..............................105目录数字孪生应用白皮书2（三）智慧城市领域数字孪生标准化现状及需求...............................110（四）智慧交通领域数字孪生标准化现状及需求...............................112（五）智慧健康领域数字孪生标准化现状及需求...............................113五、存在的挑战..............................................................................................115（一）数据相关的挑战...........................................................................115（二）基础知识库相关的挑战...............................................................117（三）安全相关的挑战...........................................................................119（四）商业模式相关的挑战..................................................................120（五）人才相关的挑战..........................................................................122（六）多系统融合的挑战......................................................................123（七）互联互通互操作的挑战..............................................................124六、典型应用案例.........................................................................................126（一）智能制造领域..............................................................................126（二）智慧城市领域..............................................................................208（三）智慧交通领域..............................................................................241（四）智慧能源领域..............................................................................266（五）智慧建筑领域..............................................................................278（六）智慧健康领域..............................................................................292七、结论与展望.............................................................................................300（一）趋势的展望..................................................................................300（二）支持与监管政策相关建议..........................................................301（三）技术开发与应用相关建议..........................................................3031数字化转型是我国经济社会未来发展的必由之路。习近平总书记指出，世界经济数字化转型是大势所趋。当前，世界正处于百年未有之大变局，数字经济已成为全球经济发展的热点，美、英、欧盟等纷纷提出数字经济战略。数字孪生等新技术与国民经济各产业融合不断深化，有力推动着各产业数字化、网络化、智能化发展进程，成为我国经济社会发展变革的强大动力。未来，所有的企业都将成为数字化的公司，这不只是要求企业开发出具备数字化特征的产品，更指的是通过数字化手段改变整个产品的设计、开发、制造和服务过程，并通过数字化的手段连接企业的内部和外部环境。数字孪生技术作为推动实现企业数字化转型、促进数字经济发展的重要抓手，已建立了普遍适应的理论技术体系，并在产品设计制造、工程建设和其他学科分析等领域有较为深入的应用。在当前我国各产业领域强调技术自主和数字安全的发展阶段，数字孪生技术本身具有的高效决策、深度分析等特点，将有力推动数字产业化和产业数字化进程，加快实现数字经济的国家战略。本白皮书力求以较为浅显易懂的方式对数字孪生相关定义、特征进行阐述，并针对当前数字孪生的技术热点、应用领域、产业情况和标准化工作进展进行了分析。白皮书涵盖了6个领域共计31个数字孪生应用案例。本白皮书通过梳理数字孪生技术和产业应用发展情况，分析数字孪前言数字孪生应用白皮书2生技术热点、行业动态和未来趋势，提出相关的标准化工作需求，希望可以作为数字孪生技术领域、产业发展和标准化之间的初始连接纽带，加快推动数字孪生发展应用。1一、数字孪生概述（一）数字孪生发展背景“孪生”的概念起源于美国国家航空航天局的“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。当然，这里的两个航天器都是真实存在的物理实体。2003年前后，关于数字孪生（DigitalTwin）的设想首次出现于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“DigitalTwin”一词还没有被正式提出，Grieves将这一设想称为“ConceptualIdealforPLM（ProductLifecycleManagement）”，如图1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。DataInformationVS1VS2VSnRealSpaceVirtualSpaceProcessConceptualIdealforPLM图1　PLM中的概念设想数字孪生应用白皮书2直到2010年，“DigitalTwin”一词在NASA的技术报告中被正式提出，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。图2　数字孪生行业应用数字孪生应用其它行业石油天然气汽车电力航空航天健康医疗船舶航运环境保护建筑铁路运输制造业城市管理•农业：农作物与牲畜监测管理•文化：物质文化遗产数字化建设•教育：物理设备与场景模拟•信息安全：私有数据保护•……•设备故障预测•设备维修规划•设备设计验证•设备状态远程监测•数据可视化与集成•汽车研发环节验证•汽车运行状态监测•故障诊断与维护维修•不同环境行驶过程模拟•电厂三维可视化管理•电厂运行优化•电力设备健康管理•通用电网模型构建•电网设计及运维•飞行器故障预测•飞行器维护维修•机