工業數字孿生：未來已來 沸點將至
http://www.debgrams.com 2023-04-23 10:31 來源：第一財經
隨著底層技術的不斷突破并走向融合應用，工業數字孿生產業有望在即將開啟的人工智能時代迎來加速發展。
“數字孿生是人工智能在制造業領域落地的重要抓手。”上海市人工智能學會理事長張浩在接受第一財經采訪時表示，“由于制造業需要平衡優化產品上市時間、質量、價格等指標，約束條件眾多，數據龐大，如果沒有模型的加入是很難實現數據分析的，而數字孿生就是一個很好的模型結合平臺。”
工業數字孿生是多類數字化技術的集成融合和創新應用，基于建模工具在數字空間構建起精準物理對象模型，再利用實時IoT數據驅動模型運轉，進而通過數據與模型集成融合構建起綜合決策能力，推動全業務流程閉環優化。
中國信通院工業互聯網技術產業創新研究部副主任劉陽表示，工業數字孿生應用目前僅處于初級階段，四類關鍵場景有望成為重點應用方向，即存量工廠三維可視化改造“應用普及”、全場景虛擬制造診斷“能力提升”、實時仿真/智能仿真“單點突破”、大國重器系統工程“科技攻堅”。
根據中國信通院數據，2021年，全球數字孿生市場規模達到49億美元，預計全球數字孿生市場將以58%的復合增長率增長，到2026年將達到482億美元。另據艾瑞咨詢數據，2022年中國數字孿生市場規模為104億元，預計2025年國內市場規模將達375億元，2022-2025年CAGR為54.3%。
底層技術不斷突破，工業數字孿生未來已來
數字孿生產業玩家由數字孿生相關技術提供商與解決方案集成商兩類構成。其中，技術提供商主要是可視化廠商、BIM（建筑信息模型）、GIS（地理信息系統）、CIM（城市信息模型）以及CAD/CAE仿真建模等技術廠商。
數字孿生建模、可視化渲染、仿真推演、感知標識、GIS與新型測繪、交互控制是支撐數字孿生的六大技術，其中建模和仿真是數字孿生技術的核心和基礎，構建高保真虛擬模型并開展實時高精度仿真是一項龐大的系統工程。
近年來，為了滿足數字孿生技術對仿真能力和工具的新需求，主流工業軟件供應商紛紛推出各自的數字孿生解決方案，以實現多物理場、多學科、多尺度的建模仿真，目前處于領先地位的數字孿生技術平臺以Ansys、西門子、達索等海外廠商為主。
國內技術提供商也在各自細分領域不斷鉆研突破。建模基礎軟件方面，近些年國內CAD軟件開始形成自主可控浪潮，中望軟件等本土企業在2D CAD領域已經掌握多項關鍵核心技術，在3D CAD領域，從幾何建模的底層技術的加速突破，到針對大型企業協同設計需求的軟件云化技術創新，華天軟件、新迪數字等國內廠商正在加速構建面向未來的新一代工業軟件。
在可視化渲染技術方面，隨著網絡和硬件性能提升，國產引擎渲染效果大幅度提升，從小場景應用逐步向大尺度場景滲透。例如優锘科技自研了數字孿生專用引擎ThingJS和一站式的數字孿生平臺ThingStudio森工廠，滿足不同行業數字孿生可視化場景的需求，并通過自主引擎支撐上層工具的功能實現和擴展。基于ThingJS數字孿生引擎，優锘科技開發了ThingJS數字孿生低代碼平臺，相比傳統游戲引擎，能夠提高90%以上的開發效率，提高了數字孿生技術的易用性和可用性。
數字孿生底層技術的突破以及數字孿生工具化、平臺化快速發展，逐步將高技術門檻的數字孿生技術系統變成人人能用得起的軟件，為數字孿生技術在制造業的大規模應用提供了基礎條件。
從高端制造到傳統工業，工業數字孿生沸點將至
數字孿生最早應用于航空航天行業，美國國家航空航天局和美國空軍研究實驗室在未來航天器的設計研發過程中，充分運用數字孿生概念，減少實體產品直接模擬產生的大量成本。
隨著物聯網技術興起，工業4.0概念被提出，云計算、大數據等新一代信息技術不斷發展為數字孿生應用范圍拓展提供保障，制造業成為數字孿生主要應用場景之一。
制造業企業通過物聯網及邊緣計算上傳相關數據后，使用數字孿生技術可以完成生產、能耗、設備、設計、制造管理等工作，進而實現提質、降本、創收、增效四大價值。
目前數字孿生解決方案集成商以互聯網大廠（BAT）、華為等云廠商及三大運營商為主，其通過搭建數字孿生系統基本架構，提供可視化引擎，接入工業實時數據還原生產場景，提供完整的工業數字孿生服務，配合工業生產的遠程運維與可視化管理。
然而數字孿生在具體行業的應用僅有技術支持還不夠，各行業所處的業務場景和對應需求不一樣，行業Know-how是實現數字孿生落地的關鍵，要結合行業數據要素，不斷打磨模型，才能建立精準智能的業務模型。
一汽紅旗繁榮工廠是阿里與機械工業第九設計研究院合作開發的針對汽車行業的智能工廠。一汽紅旗繁榮工廠依托阿里云工業大腦智能制造平臺DTwin，結合機械工業第九設計研究院在汽車工廠規劃方面的經驗和數據，挖掘汽車生產場景中的業務痛點、難點與價值，在五大車間中完成了數百萬數據點的實時采集、加工、存儲、告警和控制工作，保障工廠生產的安全穩定，提升了產品質量，降低了能耗成本。
此外，數字孿生技術的應用一度只有航空航天、汽車、船舶等行業的大型集團才有能力和資金開發，但隨著技術進步、開發成本的降低，數字孿生在傳統中小型制造企業的應用也在加速滲透。
“基于頭部企業強大的行業知識，結合數字孿生技術，打造一系列可復制、可推廣的行業級數字孿生應用，是我們深耕行業級數字孿生領域的初衷。”磚助智連在接受第一財經采訪時表示。磚助智連是東南數字經濟發展研究院孵化的聚焦產業數字化服務的數字技術公司。
針對衢州特種紙行業中小企業在數字化轉型過程中面臨的“轉型難、成本高、見效慢”等問題，磚助智連先服務于特種紙頭部企業仙鶴股份、生活用紙頭部企業維達浙江，利用數字孿生技術的先進性，在造紙業頭部分別構建數字化車間、未來工廠等，同時與龍游縣經信局合作建設“龍游造紙產業中樞”，立足“8+X”行業級輕量數字化改造，幫助該縣10余家造紙企業提供并完成數字化改造服務，助力當地傳統造紙行業數字化轉型。
“數字孿生技術要在制造業加速應用，需要真正在多個場景上為企業帶來實際的價值。”以磚助智連服務的某頭部客戶為例，生產虛擬仿真技術可以幫助企業新員工培訓時長減少50%，培訓成本節省近萬元/人，產線動態仿真可以幫助企業每年減少制造成本損失數百萬元，質檢仿真優化幫助企業減少在質量上的成本損失數十萬元/線。
隨著未來數字孿生應用場景的不斷擴大，相關產業鏈公司有望迎來高速發展。根據IDC統計，目前中國仿真推演、可視化、交互控制、城市信息模型等板塊均是“十億”級市場規模，2021年相關企業在數字孿生解決方案方面的營收增長率普遍超50%，預計2022年整體市場將保持較好的增長態勢。
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