各位来宾，各位领导大家上午好。我是北京航空航天大学陶飞教授的张蒙，今天代表陶飞教授向各位领导汇报工业互联网使能技术数字孪生及应用。

当前随着物联网、云计算、人工智能、大数据新一代信息技术发展，各国相继提出了国家层面制造战略，代表性德国工业4.0、美国工业互联网以及中国制造2025。虽然这些制造战略提出的背景不同但是共同目标之一是实现智能制造。可以说智能制造是当前国际趋势与热点。新一代信息技术在制造中起到了非常重要的作用。我们可以把制造分到物理世界、信息世界两个层面，云和工业互联网平台可以实现二者之间的互联互通。我们在物理世界中的一些智能的物理执行机构，比如说一些智能的机床、机械臂可以通过他们实现操作的自动化。这些物理数据可以通过物联网采集到云端，在云端对这些数据进行孵化分装，可以传送到虚拟世界驱动这些模型仿真以及评估预测等。最后产生结果可以通过手机、平等电脑等等传送给终端用户。在整个过程中会产生大量的数据，我们对这些数据进行一些潜在模式一些挖掘，可以使整个过程变得更加智能化。在此基础上，如何实现制造物理世界与信息世界进一步交互和融合可以说当前智能制造面临瓶颈问题。数字孪生作为信息融合有效手段越来越受到了广泛的关注。

早在2003年的时候美国（英文）教授在他的产品全生命周期课程上提出了类似数字孪生的概念，当时并没有使用数字孪生一词，直到2010年美国国家航空航天局正式提出了数字孪生一词，2011年美国空军研究室也在一次演讲中提到的数据孪生。当前对于数据孪生概念并没有一个统一定义，从（英文）教授来看强调数字孪生由三个部分构成，物理世界实体产品，虚拟空间虚拟产品以及虚实之间连接数据和信息。更强调物理世界与虚拟世界闭环控制，以及二者之间一致和同步。美国（英文），认为数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、云室等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，从而反映相对实体生命的过程反映。当时对于数据孪生研究来看，我们认为它经历了三个历程的发展。2003年数字孪生一个想法开始萌芽，一直到2011第一篇关于数字孪生期刊论文发表，我们把这个阶段认为是数字孪生萌芽期。这个阶段由于一些技术没有发展起来，对数字孪生关注度比较低。

2011-2015年数字孪生应用在了航空航天领域，用于飞行器结构健康管理，我们可以把它认为是数字孪生发展一个起步期。2015年以后数字孪生受到了不同领域广泛关注，逐渐从航空航天领域被引入到了各行各业，可以看到论文数量也是一个快速增长的过程，把这个阶段认为是数字孪生成长期。

从数字孪生相关研究来看，目前将数字孪生应用到生产过程中以及产后研究比较多，产前设计阶段对数字孪生应用比较少。从数字孪生研究国家占比来看，目前美国、中国、德国在数字孪生研究中占了主流。从工业应用来看，除了航空航天领域数字孪生也开始向各个领域进行应用，比如说在电力应用，对于电场的健康管理，电网以及电网的一个运维维护，包括汽车制造领域设计验证，汽车性能测试等等，以及包括油气行业、健康医疗行业、船舶、城市管理、建筑等等。尤其是在智能制造领域数字孪生已经被很多国际著名的企业广泛的采用，并进行了一些实践，比如包括空客、西门子、GE等等。这是空个集团构建的飞机部装线数字孪生，可以对数万平米空间进行监控，也能监控数千个对象。华为也将数字孪生视为是生产过程中融合数据流、信息流以及工艺流有效的手段。除此之外不同的机构也对数字孪生给予了很高的评价，比如洛克希德马丁，（英文）也将数字孪生连续两年列为十大战略趋势。

近来由于波音737发生了两大事故，如何将数字孪生应用起来也受到了业界广泛关注，也来到了数字孪生股市一个飙升。通过以上我们可以看出数字孪生已经成为当前研究热点，随着孪生在不同领域落地应用对数字孪生模型本身也提出了很多新的要求。比如说应用领域从军用领域向民用领域拓展的过程，针对不同需求不同对象进行建模，遇到首个问题就是缺少统一的孪生模型以及构建指导，这就严重阻碍了数字孪生推广。再有就是新一代信息技术融合的需求，发展数字孪生离不开信息技术。再有一个就是对信息物理融合数据需求，数字孪生更强调同时集成物理世界真实数据与虚拟世界仿真数据。除此之外可能还包括普适工业互联的需求，智能服务需求以及构建动态多维多时空尺度的需求。

在此基础上，北航团队针对这些新的需求提出了数字孪生五维模型的概念，我们在（英文）教授提出的三维模型也就是物理设备、虚拟设备、连接模型的基础上增加了孪生数据与服务模型两个维度，也就是构成了数字孪生五维模型。物理实体真实存在的物体，几何模型可以通过多个维度在不同时空尺度进行一个映射。新增长的孪生数据就是一个融合提升更加全面信息支持。这里服务主要是为了能够将数字孪生应用过程中涉及到专业算法、数据、防震进行标准化的分装，使他们能够实现对服务的一个按需与便捷使用。

最后就是各个部分一个连接可以实现信息世界与物理世界一致性和同步性。这里是以风力发电机设备为例，对五维模型进行一个更加具体的介绍。物理实体真实存在的风机设备，虚拟模型通过几何模型等等不同模型集成到一起然后对物理实体进行一个全面的映射，以及物理世界与虚拟世界实时连接，再有刚才提到物理数据、虚拟数据、融合数据一个孪生数据支持。最后这个服务既包括对物理设备的服务也包括对虚拟设备的服务，就是一方面可以使物理设备在他全生命周期过程，设计、制造、运维阶段对他操作进行优化，同时对虚拟模型的服务队虚拟模型进行一些测试、矫正能够真实映射物理设备。

基于提出的数字孪生五维模型我们将其应用到了车间中，然后提出了数字孪生车间一个概念。我们可以先来看一下车间的发展趋势， 就是在车间的第一个阶段车间内的一些活动，比如说是对生产要素的管理，对生产活动的计划以及生产过程控制，这些活动主要是依赖于物理空间。第二个阶段随着计算机辅助技术出现，车间中一些管理，计划一些任务就转移到了信息空间。随着传感器、物联网技术的应用，车间的系统与物理空间开始有了一定的交互，那么在未来如何实现信息与物理空间双项映射与进一步融合将是车间发展一个未来方向。我们提出一个数字孪生车间概念，包括一个实体物理车间包括人、设备、物料环境等等一个与之对应虚拟空间，还有一个车间服务系统，核心驱动就是车间的孪生数据。数字孪生车间是为了能够实现更好的虚实融合，数据驱动，全要素、全流程驱动。我们可以看到通过物理车间与车间服务系统之间一个交互，实现生产要素配置的最优。通过虚拟车间与车间服务系统一个迭代的交互，实现生产计划的最优。最后在生产过程中，通过虚拟车间和物理车间的交互以及实时数据传输实现生产过程的一个最优。

我们也提出了一个数字孪生三层模型，构建数字孪生车间可以针对单个设备，在此基础上针对一个产业线构建系统级的模型，最后再针对整个车间构建一个复杂级数字孪生模型。关键技术包括物理热键人机物环境互联与共融技术。虚拟车间建模、仿真运行及验证技术。车间孪生车间运行技术，车间孪生数据构建及管理技术，最后基于数字孪生车间智能生产与精准服务基础。以下是一些研究与实践，其中就是有一个研究了数字孪生车间感知接入装置，也就是工业互联网（英文），主要功能是为了实现车间中异构制造资源，比如说3D打印机，机械臂、数控机床等，异构资源网络化接入，通过接入数据进行一个标准化的转换，进行标准化服务分装，最后通过一些算法进行预测评估实现智能化一个操作。再有提出了数字孪生实践参考架构包括物理层的物理车间，模型层的虚拟车间，在二者数据基础上构建数字孪生车间服务平台，以及基于孪生数据驱动智能排产服务、物料配给服务等等，我们最终应用就是实现智能生产、精准管控以及可靠运维。这个参考架构也在一些合作企业进行了一些探索应用。

再有总结了数字孪生MES服务平台五个关键技术、工具、服务类型以及企业应用。在这个MES服务平台上也进行了一些功能开发与实现，包括智能生产协同工艺分析，能效智能分析与优化、智能排产分析、产品能效评估与优化云服务以及一些基于能耗评估材料优选等等。除了对数字孪生车间进行一些研究，北航团队也与其他一些高校团队进行交流，这是在北京航空航天大学举办的第一届数字孪生与智能制造服务学术会议，这个会议上针对不同研究院所对数字孪生实验一些情况进行了交流，比如说中机六院构成数字孪生生产线，广工大研究玻璃深加工设计，基于数字孪生精密产品实施装调，孪生驱动的装配，孪生装配功能控制，数字孪生车间主动调度，数字孪生机床管控等等。在首届数字孪生会议以后，也是15个单位，22位作者共同发表了数字孪生及其应用探索一文。这是第二届数字孪生与智能制造服务会议是在郑州轻工业大学举办，今年第三届会议将会在广工大举办。

除此之外，北航团队也与其他一些不同行业的领域就是进行合作，来探索数字孪生在不同领域一个潜在应用。这里就是包括比如数字孪生在通信网络中的应用，这里就是构建了利用数字孪生的三层模型的概念，构建卫星，以卫星为对象单元级数字孪生，以卫星网络为对象数字级数字孪生。这里也是探索了数字孪生在船舶全生命周期管控一个潜在应用。比如在船舶设计阶段、建造阶段、航行阶段以及维修维护阶段的应用。这里是必可测公司基于数字孪生概念开发电厂智能运维管控系统。以及数字孪生立体仓库，数字孪生特种车辆抗毁伤评估分析，基于数字孪生的飞机起落架优化设计，基于数字孪生的复杂设备健康管控，这里我们也是提出了一个基于数字孪生的设备健康管控的一个方法流程，就是包括虚实交互一个故障检测，基于物理虚拟数据融合的故障分析以及最后基于虚拟验证维修决策这样三个阶段。

除此之外还包括数字孪生医疗以及现在比较火的数字孪生城市。以上探索了一些潜在应用也是在2019年发表在了计算机集成制造系统上。目前就是北航团队取得一些阶段性探索工作，主要包括一些论文发表在计算机集成制造系统上以及国际期刊一些文章。同时也撰写了第一部数字孪生英文专著，是数字孪生驱动智能制造。这是第二部正在撰写的一个数字孪生专著，是数字孪生驱动的智能设计。这里是总结了数字孪生团队近几年一个主要工作历程，包括首篇数字孪生车间论文，举办首届数字孪生会议，撰写英文专著，以及在国际会议上与相关领域的学者共同交流的一些工作。

基于以上的工作，我们也对数字孪生未来工作进行了一些探讨，包括制定数字孪生模型、仿真、数据、接口等行业标准及规范。然后攻克一批数字孪生应用实践关键技术，包括异构数据的实时采集与融合处理，动态多维多时空尺度虚拟模型的构建等等。再有就是打通数字线程，实现物理实体生命周期各阶段模型、数据及服务系统集成，以及包括数字孪生安全问题等等。我们相信随着这些工作不断深入，数字孪生也会在不同领域中发挥更大的作用。以上就是汇报的主要内容，谢谢各位。