5G时代的数字孪生发展报告

5G孪时代的一数字孪生发展报告摘要：数字孪生是一种多维动态的数字映射，可大幅提高效能。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成对现实体的复制（映射）从而反映物理实体的全生命周期过程。数字孪生以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，进而模拟其在现实环境中的行为；通过搭建和整合制造流程的虚拟生产系统，实现从产品设计、生产计划至I制造执行的生产全过程数字化，将产品创新能力、制造效率和有效性水平提升到全新高度。数字孪生应用场景庞大，彰显独特价值数字孪生应用非常丰富。将数字孪生应用于生产流程则能够事半功倍，是前预见问题并帮助解决；将数字孪生技术应用到智慧城市管理上，会让城市更安全，包括街道、社区、娱乐、商业，甚至是电力线、变电站、污水系统、供水排水系统等，都会有数字孪生体，从而更轻松便捷地监控管理城市的每个地方；将数字孪生技术用在大脑研究上，还可以帮助治疗脑部疾病患者。在数字时代的未来，数字孪生将完全改变我们发现、认知和改造世界的方式未来世界大有可为。数字孪生，5G应用落地强风口。数字孪生是5G赋能产业链上的重要一环。数字孪生作为5G衍生应用，加速了物联网的成型和物联网设备数字化，这与5G三大场景之一的万物互联需求强耦合。此外，数字孪生还是5G推动工业互联网发展过程中的助燃剂，5G时代数字孪生不可或缺。目录1. 揭秘数字孪生，不仅仅是复制31.1. 数字孪生，数字形式的双胞胎31.2. 数字孪生下，物理世界与数字世界的交互31.3. 数字孪生技术优势明显41.3.1. 使生产更便捷，创新速度更快，生产周期更短41.3.2. 更全面的测量、分析和预测能力51.3.3. 数字孪生帮助经验数字化62. 数字纽带为数字孪生体提供访问、整合和转换能力63. 信息物理系统为数字孪生保驾护航83.1. 信息物理系统是工业4.0的核心83.2. 数字孪生是信息物理系统的核心关键技术94. 数字孪生，5G应用落地强风口95. 数字孪生其他应用场景丰富115.1. 数字孪生帮助制造业效能大幅提升115.1.1. 预见设计质量和制造过程115.1.2. 推进设计和制造高效协同115.1.3. 确保设计和制造准确执行115.1.4. 数字孪生助力数字孪生车间示例125.2. 数字孪生技术应用场景畅想136. 小结：不可或缺的数字孪生151. 揭秘数字孪生，不仅仅是复制1.1.数字孪生，数字形式的双胞胎孪生，即双胞胎；数字孪生，顾名思义，就是数字形式的双胞胎。在“数字孪生”中，一个是存在于现实世界的实体，它小到一个零件，大到一个工厂、城市，简单如一个螺丝，复杂如人体的结构；而另一个是虚拟的、数字化的，是利用数字化技术营造的与现实世界对称的数字化镜像。这个数字孪生体，不仅是对现实实体的虚拟再现，还可以模拟对象在现实环境中的行为。如果以家用电脑为例,Word文档和打印出来的文稿就是数字孪生”。以导航软件为例，城市中的实体道路和软件中的虚拟道路也是“数字孪图1:数字孪生技术产生的汽车3D模型数据来源：“数字孪生城市”白皮书1.2.数字孪生下，物理世界与数字世界的交互数字孪生是将物理对象以数字化方式在虚拟空间呈现，模拟其在现实环境中的行为特征。由于二者形成了一个闭环的互动，现实与虚拟之间的鸿沟不再。在物理世界与数字世界的交互过程中，有五大支持和驱动要素，分别是物理世界的传感器和促动器、集成、数据和分析，以及持续更新的数字孪生应用程序。图2:生产流程数字孪生模型数据来源：德勤大学出版社图2中呈现了在数字孪生中从物理世界到数字世界再回到物理世界的过程。这一过程涉及到传感器、促动器、数据、集成、分析这些要素。其中,传感器负责发出信号，数字孪生通过这些信号获取与实际流程相关的运营和环境数据；数字孪生涉及到达数据除了传感器信号提供的数据，还包括企业数据（如物料清单、企业系统、设计规范）工程图纸、外部数据源连接以及客户投诉记录等；集成是指传感器借助集成技术（如边缘计算、通信接口和安全）达成物理世界与数字世界之间的数据传输；分析是指数字孪生利用分析技术开展算法模拟和可视化程序，进而分析数据，提供洞见；促动器的作用是开展实际行动和推进实际流程的开展当分析结果确定应当采取实际行动，数字孪生将在人工干预的情况下开启促动器。1.3. 数字孪生技术优势明显自数字孪生概念提出以来，该技术在不断的快速演化，无论是对产品的设计、制造还是服务，都产生了巨大的推动作用。1.3.1. 使生产更便捷，创新速度更快，生产周期更短数字孪生通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，这极大的加速了操作人员对物理实体的了解，可以让很多原来由于物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而无法完成的操作，如模拟仿真、批量复制、虚拟装配等，成为触手可及的工具，更能激发人们去探索新的途径来优化设计、制造和服务。我们举个例子来说，所有的产品概念都产生于人的大脑，最早只是大脑里的一个抽象的，模糊的概念。要把这样一个概念变成真真切切的产品是，非常困难的。在没有数字化模型帮助的情况下，要制造出一件产品必，然会经历很多次迭代设计。仅仅为了验证产品的每一个尺寸，部件之间的装配关系，就不得不制造出很多个中间产品（被称为打样，）从而耗费大量的时间和金钱。采用了数字化模型的设计技术，就可以在虚拟的三维数字空间里从无到有地创造出每一个部件乃至产品本身。在虚拟的三维空间里，可以轻松地修改部件和产品的每一处尺寸和装配关系，这使得几何结构的验证工作和装配可行性的验证工作大为简单，因此可以大幅度减少迭代过程中的物理样机的制造次数，时间，成本。1.3.2. 更全面的测量、分析和预测能力数字孪生技术，可以借助于物联网和大数据技术，通过采集有限的物理传感器指标的直接数据，并借助大样本库，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。例如我们可以利用润滑油温度、绕组温度、转子扭矩等一系列指标的历史数据，通过机器学习来构建不同的故障特征模型，间接推测出发电机系统的健康指标。现有的产品生命周期管理，很少能够实现精准的预测因，此往往无法对隐藏在表象下的问题提前进行预判。而数字孪生可以结合物联网的数据采集、大数据的处理和人工智能的建模分析，实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。1.3.3.数字孪生帮助经验数字化在传统的工业设计、制造和服务领域，经验往往是一种模糊而很难把握的形态，很难将其作为精准判决的依据。而数字孪生的一大关键进步，是可以通过数字化的手段，将原先无法保存的专家经验进行数字化，并提供了保存、复制、修改和转移的能力。例如，针对大型设备运行过程中出现的各种故障特征，可以将传感器的历史数据通过机器学习训练出针对不同故障现象的数字化特征模型，并结合专家处理的记录，将其形成未来对设备故障状态进行精准判决的依据，并可针对不同的新形态的故障进行特征库的丰富和更新，最终形成自治化的智能诊断和判决。2. 数字纽带为数字孪生体提供访问、整合和转换能力数字纽带是一种可扩展、可配置的企业级分析框架。在整个系统的生命周期中，通过提供访问、整合以及将不同/分散数据转换为可操作信息的能力来通知决策制定者。产品数字孪生体包含4个主要特征。1）是产品物理实体在信息空间中集成的仿真模型和全生命周期的数字2）是通过与产品物理实体之间不断进行数据和信息交互而完善；3）最终表现形式是产品物理实体的完整、精确数字化描述；4）可用来模拟、监控、诊断、预测和控制产品物理实体在现实物理境环中的形成过程和状态。数字纽带和数字孪生体两者之间的关系：数字纽带为产品数字孪生体提供访问、整合和转换能力，其目标是贯通产品生命周期和价值链，实现全面追溯、双向共享/交互信息、价值链协同。由此可见，产品数字孪生体是对象、模型和数据，而数字纽带是方法、通道、链接和接口。通过数字纽带交换、处理产品数字孪生体的相关信息。图3：数字纽带为产品数字孪生体提供访问、整合和转换能力数据来源：数字孪生智能技术产业协会我们以产品的设计和制造过程为例，来说明数字孪生体和数字纽带在实际应用中的关系。如下图4所示，仿真分析模型的参数可以传递到产品定义的全三维模型，再传递到数字化生产线加/工装配成真实的物理产品，继而通过在线的数字化检验/测量系统反映到产品定义模型中，进而又反馈到仿真分析模型中。通过数字纽带实现了产品生命周期阶段间的模型和关键数据双向交互，使得产品生命周期各阶段的模型保持一致，最终实现了闭环的产品全生命周期数据管理和模型管理。图4:数字孪生体和数字纽带的应用示例二O数据来源：数字孪生智能技术产业协会3. 信息物理系统为数字孪生保驾护航3.1.信息物理系统是工业4.0的核心信息物理系统，简称CPS,是工业4.0的核心。在这个系统中，信息指软件，物理指硬件，软件的信息化硬件的自动俗信息物理系统的智能化。信息物理系统（CPS）综合了计算、通信、控制、网络和物理环境以大数据、网络与海量计算为依托，运器C技术，把人、机、物互联，实体与虚拟对象双向连接。CPS内涵中的虚实双向动态连接，有两个步骤1）虚拟的实体化，如设计一件产品，先进行模拟、仿真，然后再制造出来2）实体的虚拟化，实体在制造、使用、运行的过程中，把状态反映到虚拟端去，通过虚拟方式进行监控、判断、分析、预测和优化。数据来源：中国数字孪生高峰论坛，国泰君安证券研究3.2. 数字孪生是信息物理系统的核心关键技术CPS通过构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够实现信息虚体与物理实体之间的交互联动。数字孪生体的出现为实现PS提供了清晰的思路、方法及实施途径。以物理实体建模产生的静态模型为基通过实时数据采集、数据集成和监控，动态跟踪物理实体的工作状态和工作进展（如采集测量结果、追溯信息等）将物理空间中的物理实体在信息空间进行全要素重建，形成具有感知、分析、决策、执行能力的数字孪生体。因此，从这个角度看，数字孪生是CPS的核心关键技术。图6:数字孪生是CPS的核心关键技术数字攀生体（虛姒空间）怕真分折产晶;定肛權型j星所有数舞蛇婪鄒能磐弱向沟谨.m戈物理严品僭杭鋼u參魏将通过当笹隧生产薪続黑融匚p$向数字化数据来源：中国数字孪生高峰论坛，国泰君安证券研究4.字孪生，5G应用落地强风口数字孪生是5G物联网时代的一个重要场景应用。5G网络的场景应用包括：eMBB（高带宽1mMTC（大联接1URLLC（高可靠&低延迟。海量的应用场景和模式都是在这三者的基础上衍生出来的。eMBB全面提升网络速度，增强网络体验;mMTC链接更多的智能终端，实现万物互联；URLLC因其高可靠性和低延时，应用于自动驾驶、移动医疗等精度要求高的行业。数字孪生便是上述应用场景的衍生之一。图7:5G衍生赋能产业链1爲带灵、高辰嗟提高视S3休軽5G衍生賦能产业锻全解AR”VR.100G*POM解网设ftJST+ti“，书釣円给卿y二.固钠力创WR箋现零冲毎曇饋电踽与旱銀瓯的樹I彌硝奂担边躲计M网昭切片ffPSlTw*4KfiiN数据来源：数字孪生城市白皮书，国泰君安证券研究2019年3月16日，中国移动携手华为公司助力中国人民解放军总医院，成功完成了全国首例基于5G的远程人体手术帕金森病脑起搏器植入手术。该例手术的成功，是数字孪生概念落地的起点。相对于这种与生命相关的应用场景，目前数字孪生技术多用于工业制造领域，尤其是汽车、电子制造领域。这就涉及到一个新的名工业互联网。工业互联网是全球工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网连接融合的结果，通过智能机器间的连接并最终将人机连接，结合软件和大数据分析，重构全球工业、激发生产力，让世界更美好、更快速、更安全、更清洁且更经济。催动工业互联网走向完善的关键技术很多，然而最能体现工业互联网助燃剂5G拉动作用的就是数字孪生。未来工业物联网最核心的应用基础是数据，无论是在生产线上的工业设备，还是城市里的垃圾箱、电灯杆，都需要采集出来并映射到数字世界，数字孪生因此不可或缺。5.字孪生其他应用场景丰富5.1.数字孪生帮助制造业效能大幅提升5.1.1.预见设计质量和制造过程运用DT技术，建立包含所有制造过程细节的数字孪生模型，在虚拟环境中验证制造过程，发现问题后及时在模型中进行修正。这种明显区别于传统流程验证的高效方法，在产品设计阶段即可预见其性能并加以改进，在制造流程初期就能掌握准确信息并预见制造过程，保证所有细节都准确无误，帮助企业更快的向市场推出优质的产品，抢占先机。5.1.2.推进设计和制造高效协同在数字孪生模型中，所需要制造的产品、制造的方式、资源以及地点等各个方面可以进行系统的规划，将各方面关联起来，实现设计人员和制造人员的协同。一旦发生设计变更，可以在数字孪生模型中方便地更新制造过程，将完成各项任务所需的时间以及所有不同的工序整合在一起，进行分析和规划，直到产生满意制造过程方案。借助数字孪生模型可以设计出包含所有细节信息的生产布局，包括机械、自动化设备、工具、资源甚至是操作人员等各种详细信息，并将之与产品设计进行无缝关联。设计人员和制造人员实现协同，设计方案和生产布局实现同步，这些都大大提高了制造业务的敏捷度和效率，帮助企业面对更加复杂的产品制造挑战。5.1.3.确保设计和制造准确执行在数字孪生模型中对不同的生产策略进行模拟仿真和评估，结合大数据分析和统计学技术，快速找出有空档时间的工序。调整策略后再模拟仿真整个生产系统的绩效，进一步优化实现所有资源利用率的最大化，确保所有工序上的所有人都尽其所能，实现盈利能力的最大化。此外，还可以使用大数据技术，直接从生产设备中收集实时的质量数据将，这些信息覆盖在数字孪生模型上，对设计和实际制造结果进行比对检，查二者是否存在差异，找出存在差异的原因和解决方法，确保生产能完全按照规划来执行。5.1.4.数字孪生助力数字孪生车间示例随着新一代信息技术与制造的融合和落地应用，世界各国相继提出了各自国家层面的制造发展战略，代表性的如工业4.0、工业互联网、基于CPS的制造等。这些战略虽提出的背景不同，但其共同目标之一是实现制造的物理世界和信息世界的互联互通和智能化操作，而其共同瓶颈之一是如何实现制造的物理世界和信息世界之间的交互与共融车间是制造活动的执行基础，数字孪生车间是数字孪生技术在制造业的典型应用，也是突破制造的物理世界和信息世界之间的交互与共融瓶颈的典型实例。数字孪生车间主要由物理车间PhysicalWorkshop)虚拟车间(CyberWorkshop)车间服务系统(WorkshopServiceSystem:WSS)车间孪生数据(WorkshopDigitalTwinData)四部分组成。其中，物理车间是车间客观存在的实体集合，主要负责接i|WSS下达的生产任务，并严格按照虚拟车间仿真优化后的预定义的生产指令，执行生产活动并完成生产任务。虚拟车间是物理车间的忠实的、完全数字化镜像，主要负责对生产计划活动进行仿真、评估及优化，并对生产过程进行实时监测、预测与调控等oWSS是数据驱动的各类服务系统功能的集合或总称，主要负责在车间孪生数据驱动下对车间智能化管控提供系统支持和服务，如对生产要素、生产计活动、生产过程等的管控与优化服务等。车间孪生数据是物理车间、虚拟车间和WSS相关的数据，以及三者数据融合后产生的衍生数据的集合，是物理车间、虚拟车间和WSS运行及交互的驱动。图8:数字孪生车间场景应用4HM4-虚披车间主产it科jM耶Mi園|1期山盛iMt物理车间箱出If产品；5押桐*T1)/#氧务倉電I)生产生产过程最优生产计划优生产要*配董优厂车间浮生数数据来源：数字孪生城市研究报告5.2. 数字孪生技术应用场景畅想数字孪生技术的应用场景非常庞大，在未来，它会在多个方面改变我们的工作和生活，应用场景涉及各个方面。1) 智慧城市管理：把数字孪生技术应用到智慧城市管理上，会让城市更安全。街道、社区、娱乐、商业，甚至是电力线、变电站、污水系统、供水排水系统等，都会有数字孪生体，从而可以更轻松便捷地监控管理城市的每个地方。2) 工业设备监控：工厂中的设备都可以通过数字孪生技术复制出来。我们可以利用数字孪生设备了解设备内部的运行机制。数字模型和实体设备一起使用，我们可以知道设备的运行数据，提高故障预判和维修效率。图9：智慧城市管理图10：工业设备监控数据来源：“数字孪生城市”白皮书数据来源：“数字孪生城市”白皮书3) 健康管理：个人的数字孪生体可以通过医疗检测、扫描仪器、可穿戴设备来复制。比智能手环更智能的是，我们可以得到数字孪生体每一部位的运动变化数据，更加有效地管理个人健康。4) 大脑活动的监控与管理：人脑非常复杂，大脑的活动更加不容易追踪研究。大脑的思考方式、运动感知功能都是科研人员研究的重难点。将数字孪生技术用在大脑研究上，以后可以帮助治疗脑部疾病患者。图11：健康管理图12：大脑活动的监控与管理数据来源：“数字孪生城市”白皮书数据来源：“数字孪生城市”白皮书6.小结：不可或缺的数字孪生总体来看，数字孪生技术还处在早期阶段，要实现成熟应用，还需要克服很多困难。但可以肯定的是，在数字时代的未来，数字孪生将完全改变我们发现、认知和改造世界的方式，未来世界大有可为。数字孪生是5G赋能产业链上的重要一环。数字孪生作为G衍生应用，加速了物联网的成型和物联网设备数字化，这与5G三大场景之一的万物互联需求强耦合。此外，数字孪生还是5G推动工业互联网发展过程中的助燃剂，5G时代数字孪生不可或缺。全文完