工业设备数字孪生白皮书

工业设备数字李生白皮书WhitePaperDigital TwinforIndustrial EquipmentCic山东大孚 编写委员会主缤赵岩副主编：何小龙成员：炜肖珠球编写组主编单位及人员国家工业信息安全发展研究中心变蒸段翔宇孟祥曦吴冬寒胡铂张娟妈笔车山东大学胡天亮蛋丽丽魏永利沈卫东孟三艳青位世云岳鹅军王鑫参编单位及人员中国船级社马吉林樊娟娟赵岩口车青岛四六机车车辆股分有限公司张二存美喜民中国南方电网有限责任公司艾灵孟商方电网数字电网研究院有限公司黄文琦曾群生国家能源集团联合动力技术有限公司赵冰山广核研究院有限公司张守杰张义中国质量认证中心李常西安科技大学张旭辉王岩深圳华龙讯达信总技术股务有限公司淘丽娟陈曦北京东方国信科技股份有限公司翼志斌陈天饺华自科技股分有限公司芭洪围唐凯深圳市精实机电科技有限公司张福兴周俊杰湖南三岳数维科技有限公司同琛俞立峰昆金数智科技有限责任公司罗兰新卫乾北京奔驰汽车有限公司郭东栋杜文博王朴广州明路装备股份有限公司贺毅左志军 孟洁杨上海锅护厂有限公司胡焦龙洋北京天泽智云科技有限公司刘展上海仪电（集团）有限公司陆智俊上海三一重机股份有限公司艾国付齐北京博华信智科技股份有限公司赵大力董松伟流机，（上海）智能系统研发没计有限公司营云座陈阁口海石油（中国）有限公司深圳分公司高爽张勇上海全应科技有限公司穴注田青舟赛善克有限元科技发展有限公司戴昆廖佩诗西安电子科技大学杭州研究院孙建国船重工信息科技有限公司张宇非北京影恩帝数控技术有限公司路云天网络安全研究院孔要北京理工大学蒙忌翰山推工程机械股份有限公司张摄媛上海电气集团数字科技有限公司瀚云科技有限公司何渝邬明罡特别鸣谢二业和信息化部信息技术发展司诚挚感谢美巨参数技术公司（PTC公司）郎燕上海优也信总科技有限公司郭朝晖属兑工业智能科技有限公司邱伯华安世亚太科技股份有限公司场超亚张家口吉小羊科技有限公司批区朗新科技集团股份有限公司王子元李玉松深信服科技股份有限公司牛芳芳上海明材数字科技有限公司三宁远 前言制造业是工业化和现代化的主导力量，是国家综合实力与国际竞争力的重要其右。当前，新一轮科技革命和产业变年正席需全圾，信总技术也正全面创新突破并加速与其他产业融合发展。特别是新一代信息技术与制造业深度融合，正在准动制造业生产方式向数字化、网终化、智能化的方向加退迈送。与此同时，物联网、大数据、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术也在加速链撞、融合，不断催生全新的技术、业务形态和业务模式。数字季生止是在这一时代背景下诞生，并与工业互联网、工业大数据等深度融合、不断创新，逐步或为新一轮科技羊命和产业变单中各行各业，特别是制造业加快数字化转型的重要驱动力量。发展数字李三技术也成为或国抢挪第四次工业革命带来的发展机选，足进新一代技术与实体经济融合创新，推动传统产业转型升级，育壮大新动能，助力制造弧国和网络强国建设，推动我国经济高质量发展的重要兰指之一为贯彻落实《关于深化新一代信息技术与制造业融合发展的指导意见》，推动数字李生在工业企业深入应用，充分发挥数字李生在加快制遣业数字化转型中的重要作用，主国家工业信息安全发展研究中心牵头，联合山东大学，适过“产学、研、用“紧密合作，针对敬字李生在工业没备中应用的新技术、新业态、新模式于展深入研究，从指导企业制定符合自支的实施路径出发，给出一套实施柜架、一套价值模式、一会成熟度评估模型、一套实施路径，同时估梳理工业设备效字李生生点应用场景及解决方案，总结提炼了风电设备、微控机庆等11类重点工业设备的典型企业应用案例，并在此研究基础上编制了（工业设备数字李生自支书。《工业设备数字李生白度一》共七章，系统地介个绍了数字李生的起源、发展工业应用现状，从实施要素维患提出工业设备数字李生的总体框架模型，并以解 言的，以没术文择为保障，以实紧件为基础，分别从数字季生系统实效果、工业设备系统生产商、用户、工业设备数字季三系整开发商等不同视角研究提出工业设备数字李生系统实施成熟度评估模型，为评估工业设备数字李生系统的实施准备和实施成效捉供了一套方法论和实施路径。同时，本书围绕数字李生在不同行业重点应用场最提出了系列解决方案和典型企业应用案例。本书将有助于工业企业史加深入地了解数字李生，史好地实施数字李生系统，史有效地发挥数字李三系统在工业企业中的作用。最后，围于对数字李三认识和实观，本书可能还存在很多不足，希望能够不客数，提供宝贵的意见和建议，在此夫示感邀。2021年10月ciC工信 目录CONTENTS、数字李生技术概述1.1数字李生技术的起源和发展1.1.1数字李生的起源，1.1.2数字李生的发展，1.2数字李生的概念，1.3数字李生与相关技术的区别与联系1.3.1数字李生与建模仿真..61.3.2数字李生与CPS..1.3.3数字李生与数据建模技术.81.4工业数字李生技术应用现状1.4.1工业数字李生技术在工厂的应用现状..1.4.2工业数字李生技术在生产线的应用现状...121.4.3工业数字李生技术在设备的应用现状二、工业设备数字李生系统总体框架与实施要素..152.1工业设备数字李生系统总体框架。.162.2工业设备数字李生系统实施要素172.2.1物弹空间172.2.2需实交互.172.2.3李牛数据....172.2.4机理模型2.2.5分析/仿真/决策算法L8 CONTENTS2.2.6智能应用，L8三、工业设备数字李生技术应用场景和价值模式......193.1工业设备数字李生技术应用场景..203.1.1基于数字李生的请益化设计，203.1.2十款字垒生的智能化设备制造213.1.3基于数字李生的虚拟调试..3.1.4基十数字孕生的智能运行决第.3.1.5基于数字享生的智能维护，..223.1.6基于数字李生的绿色回收233.1.7基丁数字李生的新型营销3.2工业设备数字李生技术应用的价值模式**233.2.1价直云质视角.243.2.2应用对象视角四、工业设备数字李生实施成熟度评估4.1工业设备数字李生应用成熟度评估......284.1.1工业设备数字李生应用成熟度评估模型.284.1.2工业设各数字李生应用成熟度等级。..304.2工业设备数字李生系统实施条件成熟度评估.....324.2.1工业设备生产商数字享生服务能力评信模型.334.2.2工业设备用产数字李生实施基础评估模型，..364.2.3工业设备数字李生系统开发商服务能力评估模型.38五工业设备数字李生系统的实施425.1工业设备数字李生系统的实施参考模型. CONTENTS5.1.1云边协同模式数字李气系统实施参考模型.435.1.2本地部普模式数字李生系统实施参考模型.5.2实施策略...465.2.1实准备，.465.2.2系统设计与实施.5.2.3系统试运行.505.2.4后评估和优化改进51六．重点工业设备数字李生典型应用案例.526.1应用案例情况介绍。.536.2风电设备，.566.2.1总体应月情况.566.2.2典型应月案例....576.2.3建议..616.3传统电力设备6.3.1总体应月情况..626.3.2共型应月案例....636.3.3议....696.4储能设备..706.4.1总体应用情况，6.4.2典型应用案例，..716.4.3建议6.5柴油发动机.776.5.1总体应月情况..7.76.5.2共型应月案例78 CONTENTS6.5.3建议，.816.6数控机床...816.6.1总体应用情况。.816.6.2典型应用案例.836.6.3建议.866.7工程装备.......876.7.1总体应用情况，.876.7.2典型应用案例，..886.7.3建议..916.8煤矿开采及掘进装备。926.8.1总体应月情况.926.8.2典型应月案例6.8.3注议..986.9油气化工设备..996.9.1总体应用情况6.9.2典型应用案例...1006.9.3建议....1066.10轨道交通装备.1066.10.1总体应用情况.....1056.10.2其型应用亮例.....1076.10.3建议.1116.11汽车装备. 1116.11.1总体应用情况..1116.11.2供型应用乘例.1126.11.3建议..115 CONTENTS6.12船舶与海洋工程装备1166.12.1总体应用青况1166.12.2典型应用案列1176.12.3建议124七，挑战与应对，1257.1面临挑战..7.1.1技术层面.....1267.1.2标准层面1287.1.3机制层面，.1297.1.4安全层面1307.2应对举措130参考文献132 一、数字李生技术概述本章在追潮数字李生技术起源与发展的基础上，对王业设备故字享生的概念进行了定义。分析了数字孕生技术与相关概念的区别与联系，并对工业数定李生的应用现状进行了综述。 一数字李生技术概述1.1数字季生技术的起源和发展1.1.1数字李生的起源21世纪初，关国密款根大学的MicraeGrieves教授提出了一种称为“PLM期息镜像模型”。这个概念点然没有利作数字李生，但是它只备了数字李生的组成和功能，为数字季生的提出打开了患想的闸门。同年，迈凯伦车队将数字季生的相关技术应用于F1。随着人们对观念认识的不断进步和发展，2009美国空军实验室是日了“机身数字李生”，直至2010年，“DigitalTwir”在NASA的木来飞行器效字三范例技术报告中被正式提出，并定义为“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，美国空军将教字李牛技术应用到飞行器的健康管理。并于2012年，关国国家标准与技术研究院提出了基于模型的定义和基于模型的企业的概念，该概念将效字李生的内涵广展到整个产品的制造过程，即要创建企业和产品的数字模型，数字模型的仿真分析要贯寒整个产品的牛命周期。同年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字李生的技术论文，开启了数字李生技术在航空航天领城的应月探索，数字李生技术开始引起研究人另和工程人员的广泛关。1.1.2数字李生的发展近年来，数字李生技术在工业界应用不断深入，其中GE将数字李生技术应用一区电与发动机，西门子、Ansys、达索等名二业企业也将数字李生的应用领域整步扩展，当前，在制造业数字化、网络化、智能化发展的大趋势下，数字季生技大祝Gartner选为2019年大战降技术超势之一，数字李生技术逐步从萌芽起步期逐渐走向发展期，正在从数字化产品的角度准动着社会要革。Gartner预计三分之数字李生近年的迅猛发展得益了物联网、人数据、云/边绿计章、人工智能等 工业设备数字李生白皮书新一代信息支本的发展，也正是达为以上技术的发展和应用的不所深化，数字享生违入了新发展阶段，正在成方业界创新应用的车点，其主要的支撑技术如下；(1)物联网技术实眠射是数字享生实施的基础。物联网是以感知技术和网络通信技术为主要于段，实现人、机、物的泛在连接，提供信息感知、信息传辅、信息处理等服务的基础设施。随着物联网的不断健全和完善，数字李生所需的各种数据的实时采集、处理待以保障。在空间尺度上，主于物联网万物互联的需性，面向的对款由整个产上互百细分率较小粒要的理实体、同时，在时间尺度上，由于物联网实时性的是无，使得不同时间粒度的数据交互成为可美。以上使得数字季牛正在要得更加多样化和复杂化，使得数字世界和物理世界能够在物联网的支持下违行时间和空间上细粒度的虚实交互，以支撑不同尺度的应用。（2）大数据技术数据是数字享生系统动态运行的最生要的驱动力量。随着数据时代的到来大数据分析应运而生。通过体现大数掘海量、异构、高速、可变性、真实性、复杂性和价值性等特征，人数据分析面向解决具仁问题提出相应的算法和框架换型。对数字李生系统而，大数据分析为深度探索物理空问事物是供亢能，而过数拒可视化，为数字李生系统揭示物理实本的隐性信息提共了有效工只。（3）多领域、多层次参数化机理模型建模技术物理实体的机理模型是数字李系统的骨架。近年来，个同领感海合的多层次籍准建模方法为数字季李生技术对物理世