【数字孪生】02-数字孪生在各个领域的应用（1）

前期链接

• 【数字孪生】01-数字孪生基本概念（1）
• 【数字孪生】01-数字孪生基本概念（2）

---

一、数字孪生的应用领域

数字孪生概念起源于工业领域，工业产品制造也成为数字孪生应用较广的领域，主要表现在：产品设计、制造、调试、运行、智能维护 方面。

• 产品设计方面：通过制造系统的数字孪生体映射制造过程或模拟制造过程，改进设计方案，实现设计与制造融合；
  产品制造方面：通过构建设备生产过程的数字孪生模型，对生产、监测等关键环节实现智能监管；
  产品调试方面：借助设备与生产环境的实时映射仿真，实现对设备的虚拟化调试；
  运行决策方面：利用对生产环境、生产任务和设备状态的动态映射，制定和优化运行策略；
  智能维护方面：复现故障场景，提取故障特征，判定故障位置；建立设备关键零部件寿命衰减模型，分析剩余寿命，实现预测性维护。

数字孪生作广泛应用于工业制造、电力、医疗健康、城市管理、铁路运输、环境保护、汽车、建筑、教育等领域。
数字孪生的应用主要涉及：仿真、监控、评估、预测、优化、控制等6个大方面，这里不再赘述，详情见“【数字孪生】01-数字孪生基本概念（2）第五节 数字孪生的应用”

二、数字孪生的产品设计

2.1 数字孪生在产品全生命周期中的应用

2.2 数字孪生驱动的产品设计

功效：更快速、更有效、更明智的方式设计新产品

搭建产品设计与生产协同的桥梁

• 设计阶段：构建产品数字孪生系统，实现产品功能、性能的仿真与虚拟验证；
• 制造阶段：对该阶段的加工工艺进行虚拟仿真，从而实现产品设计与生产的协调。

2.3 数字孪生驱动的智能制造

应用于产品的生产制造过程，可以可视化和更新生产制造的实时状态，使生产过程更加可靠、灵活和可预测。

• 根据实际情况和仿真来促进生产操作的调整；
• 促进生产设施的数字化和范式转换；
• 促进生产过程优化
• 促进生产过程控制

2.4 数字孪生驱动的服务

大多数数字孪生相关的产品服务应用基本上都与故障预测与健康管理(PHM) 有关。

1. 传统方法过分依赖于经验数据，对不确定的响应较差；
2. 数字孪生与敏感材料结合可以克服传统方法的缺点；
3. 数字孪生使维修和更换的预测更为准确；

2.5 西门子的数字孪生实践

2017年，正式发布完整的数字孪生应用模型，其中包括：

1. 数字孪生产品，可以使用数字孪生进行有效的新产品设计；
2. 数字孪生生产，在制造和生产规划中使用数字孪生；
3. 数字孪生体绩效，使用数字孪生捕获、分析和践行操作数据

形成一个完整的解决方案体系，并把西门子现有产品及系统包揽其中，例如Teamcenter，PLM等。

---

西门子车辆数字孪生

---

基于Mindsphere平台的西门子数字孪生

2.6 ANSYS的数字孪生实践

ANSYS构建的泵数字孪生

该公司还将数字孪生应用于油气行业提供设备运维管理等服务。油气行业可以基于数字孪生进行管道的实时监测，并使用数字孪生模型来预测腐蚀、屈曲和疲劳将如何影响实际资产。此外，这些数据可用于优化未来设计、预测维护周期、防止泄露、减少停机时间并提高吞吐量。

2.7 达索的数字孪生实践

• “生命心脏项目（LHP）”以通过生物技术传感器和扫描技术为人类心脏建立数字孪生；
• 数字孪生城市应用探索，新加坡政府正在以3D形式构建城市的数字孪生，以供设计师、规划师和决策者探索未来。

2.8 PTC的数字孪生实践

• 将数字孪生应用于自行车上，以实时监控自行车的性能，当自行车骑行并且其组成部件移动时，虚拟空间的自行车孪生模型也会同步移动。
• 创建T-Systems数字孪生模型，在汽车行业中有效地设计和监控刹车片。在ThingWorx中收集和可视化现实数据，在Windchill PLM系统中，将这些实际数据链接到产品数据。T-Systems可以收集实时数据，并以有意义的方式反馈给客户。

2.9 微软的数字孪生实践

Azure Digital Twins作为一个IoT平台，通过构建数字孪生模型，达到驱动更好的产品生产、优化操作流程、减少成本费用与提高客户体验等目的，它具有如下功能：

1. 使用开放式语言构建数字孪生模型；
2. 保障数字孪生体对其实体的实时表示；
3. 丰富的数据来源；
4. 完整的数据存储与处理服务提供

2.10 空客的数字孪生实践

空中客车公司在飞机组装过程中使用数字孪生技术以提高自动化程度并减少交货时间。

2.11 洛克希德马丁的数字孪生实践

F-35作为该公司的第五代战斗机在开发与生产过程中，分4个阶段应用数字线程技术：

1. 基于工程学生成、使用与重要精确的3D工程模型和2D工程图；
2. 将数字线程所构建的工程数据与多种自动化技术相组合，以支持工厂的自动化；
3. 将数字线程直接提供给现场工作人员；
4. 对已制造的产品进行验证

2.12 GE公司的数字孪生实践

GE公司近年来推出全球第一个专为工业数据分析和开发的云服务平台Predix。该平台可连接工业设备，获得设备全生命周期数据，同时将设备机理模型与数据挖掘分析相结合，提供实时服务支持。截止2018年，已经拥有120万个数字孪生体，可以处理30万种不同的设备资产问题。

2.13 MapleSoft公司的数字孪生实践

MapleSim创建数字孪生的流程图

数字孪生产品MapleSim可用于辅助产品设计的所有阶段的虚拟调试与仿真，可以显著降低开发新产品的风险。

2.14 Bentely的数字孪生实践

将数字孪生体技术引入公司开发的软件工具和解决方案中。Bentley基础设施数字孪生模型可将工程数据、实景数据和物联网数据相结合，获得基础设施地上和地下的整体试图，可帮助用户更好地做出决策。
Bentley还提供了iTwin Design Review工具，提供了变革性的数字化解决方案。

2.15 WORLD的数字孪生实践

51WORLD以原创全要素场景(AES)为基础，融合物理模拟、工业仿真、人工智能、云计算等技术，建立数字孪生平台，实现多源时空数据融合、城市数字底座搭建、多元仿真模型模拟等应用价值。围绕基于数字孪生的城市及园区生活、规划及产品营销、设计及方案模拟验证、AI仿真训练及测试、模拟推演及预测等方面，已在城市、园区、交通、车辆、水务、港口、机场、地产等10多个行业路等领域进行了应用实践。

三、数字孪生的研究现状

3.1 发表论文时间分布统计分析

后续依据最新成果再更新

3.2 发表论文国家分布统计分析

3.3 文献类型及期刊分布统计分析

3.4 发表论文研究机构和学者统计分析

3.5 发表论文研究机构和学者统计分析

3.6 数字孪生标准发展现状

• ISO/EC、IEEE、国际电信联盟等已立项标准7项，并有1项ISO/TC标准正在审批阶段、1项ISO/TC标准正在征询意见阶段；
• 全国自动化系统与集成标准化技术委员会在起草国家标准1项；
• 中国电子装备技术开发协会、广东省机械工程学会、中国技术市场协会等公布团体标准9项;
• 博创智能装备股份有限公司、精航伟泰测控仪器(北京)有限公司磁石云(天津)数字科技有限公司、安徽巨一科技股份有限公司等公布企业标准5项。

3.7 数字孪生研究演进

数字孪生的研究进展可概括为：起于航空航天，兴于智能制造，未来将在更多领域探索、发展与应用

3.8 数字孪生与智能制造服务学术会议

数字孪生与智能制造服务学术会议由北京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学、武汉理工大学、华中科技大学、上海大学、广东工业大学、郑州轻工业学院、山东大学、东南大学、武汉科技大学等高校共同发起。

• 第一届：北航和北理工承办，2017年7月25—27日，北京；
• 第二届：郑州轻工业大学承办 ，2018年7月21—22日，郑州；
• 第三届：广东工业大学承办，2019年7月27—28日，广州；
• 第四届：西北工业大学承办， 2020年10月30日—11月1日，西安；
• 第五届：上海大学承办，2021年8月，上海。