【愚公系列】《工业数字孪生与企业应用实践》013-数字支撑技术

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🚀前言

在智能制造的浪潮中，工业数字孪生技术正日益成为企业提升竞争力的核心驱动力。数字孪生通过将物理实体与其虚拟模型相结合，能够实现对生产过程的实时监测、分析与优化，为决策提供强有力的数据支持。在这一过程中，数字支撑技术作为数字孪生的基础，发挥着至关重要的作用。

本文将深入探讨工业数字孪生中的数字支撑技术，包括数据采集、数据处理、云计算、大数据分析和人工智能等关键技术。这些支撑技术不仅为数字孪生的构建提供了基础数据和计算能力，还推动了智能化应用的实现。我们将通过具体案例，分析这些技术在实际应用中的重要性与成效，帮助读者更好地理解数字支撑技术如何推动工业数字孪生的落地与发展。

🚀一、数字支撑技术

以数字技术为代表的新一轮产业革命和技术变革正全方位影响人们的生产、生活方式，也深刻推动各行各业的数字化转型升级。数字支撑技术之所以成为实现工业数字孪生的关键技术之一，在于它提供了数据采集、处理和分析的能力。通过传感器、物联网和云计算等技术手段，数字支撑技术能够实时获取大量的实时数据，包括工业设备的状态、性能参数等信息。这些数据经过处理和分析后，可以为工业数字孪生提供准确、全面的数据支持，从而实现对实际工业系统的准确建模和仿真。本节将详细介绍数字支撑技术的相关内容。

🔎1.概念

🦋1.1 数字支撑技术概述

数字支撑技术具备一体化的数据获取、传输、计算和管理能力，支撑数字孪生的高质量开发，并有效利用全量数据。该技术体系涵盖了以下五大核心技术类型：

1. 数据采集与感知 ：通过传感器、物联网设备等获取工业系统的实时数据。
2. 执行与控制 ：通过技术手段对工业设备进行精确控制。
3. 新一代通信技术 ：支持高速、大容量、低延时的数据传输。
4. 新一代计算技术 ：包括边缘计算、云计算等技术支持高效的数据处理和存储。
5. 数据模型管理 ：涉及对数据模型的创建、维护和优化管理。

物联网通过将各种设备与传感器连接到互联网，促进设备之间的智能交互与数据共享，为数字支撑技术体系提供基础设施。未来，结合这五类技术的通用技术平台有望成为数字孪生的“基础底座”服务。

🦋1.2 数字支撑技术的作用

1. 实时监测与预测

   数字支撑技术能够通过实时数据的分析与挖掘，监控工业系统的运行状态，及时发现设备异常和潜在故障，并进行预测性维护。这有助于提高工业系统的可靠性和稳定性。

2. 虚拟调试与优化

   在数字孪生平台上，数字支撑技术可以支持虚拟仿真与调试，测试不同工艺参数和优化方案。通过虚拟调试，可以减少实际操作中的试错成本，提高生产效率和产品质量。

3. 智能化管理

   结合人工智能和机器学习技术，数字支撑技术能够帮助建立数字孪生模型，实现对工业系统的自动化控制和优化，推动生产过程智能化。

4. 全面数据监控与分析

   通过物联网设备和其他数据采集技术，数字支撑技术可以实时收集大量的数据，并对这些数据进行高效存储、处理与分析。这为工业企业提供全面的系统监测能力，帮助及时发现和解决潜在问题，从而提高生产效率和产品质量。

5. 数字模型建立与优化

   数字支撑技术可以帮助工业企业建立准确可靠的数字孪生模型，并进行仿真与优化。通过在数字模型上进行虚拟实验，企业可以预测不同参数对系统性能的影响，优化生产策略，降低生产成本，提高资源利用率。

6. 决策支持与风险管理

   数字支撑技术能够将实际数据与数字模型进行对比分析，为决策者提供全面的信息支持。企业可以利用这些数据和模型进行预测和优化，做出更加科学有效的决策。此外，数字支撑技术还可以帮助评估潜在风险并提前采取预防措施，确保生产安全与可靠。

数字支撑技术在工业数字孪生中发挥着至关重要的作用。它通过在数据采集、处理、模型建立、仿真优化、决策支持以及风险管理等多个方面的应用，为工业系统提供了全面的技术支持。通过这些技术，企业能够实现对工业系统的智能监控与优化，提升生产效率、产品质量和资源利用率，同时降低运营风险和成本。

🔎2.技术体系

数字支撑技术主要包括四个方面的内容：

1. 实体工业与数字系统融合技术
2. 采集感知技术
3. 控制系统与信息系统并举
4. 数字赋能与管理优化并进

🦋2.1 实体工业与数字系统融合技术

这一部分技术强调将实体工业与数字系统紧密融合，利用数据要素和计算推演的优势，构建一个更为经济、合理且有效的工业数字化体系。主要包括两个核心方面：

• 数字系统计算推演

  数字系统借助强大的计算资源和精准的数据采集，结合静态网络拓扑，构建智能数据推演算法，从而实现工业数字孪生系统的实时、动态呈现。通过该推演，数字系统能够主动增强实体工业的数据作用。

• 最小化精准采集

  针对采集对象范围广且规模大的特点，优化感知设备的部署，注重经济性和合理性。通过强化关键节点的采集，并利用计算推演对其他节点进行补充，避免过度或低效部署感知设备，从而降低建设成本。

🦋2.2 采集感知技术

采集感知技术是数字孪生技术发展的重要推动力，它使得数字孪生能够更深入地获取物理对象数据。当前，主要包括以下两个发展方向：

• 传感器微型化

  随着传感器的微型化发展，越来越多的传感器可以嵌入到工业装备中，实现更深层次的数据采集。现代微型化传感器的尺寸可达到毫米级甚至更小。例如，卓朗天工的工业物联网盒子，作为数据采集终端产品，能够通过多种网络方式（如宽带、WiFi、2G、3G、4G等）将设备数据传输到中台，实现设备状态监控、数据采集、存储及推送等功能。

• 多传感器融合技术

  多传感器融合技术的快速发展，使得单个传感器可以同时采集多种类型的数据，从而提高了数据分析与决策的能力。

🦋2.3 控制系统与信息系统并举

控制执行技术强调明晰业务边界，最小化设定控制系统的边界，同时确保其可靠性、即时性和安全性。主要包括两个方面：

• 控制系统

  控制系统采用工控技术路线，确保低延时、高可靠和高安全性，保障生产制造的安全运行。该系统是数字支撑技术中的核心部分，确保生产过程中所有操作的稳定和实时性。

• 信息系统

  信息系统采用云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代数字技术，结合微应用架构和数据中台服务，满足智能化管理和系统互动的需求。

🦋2.4 数字赋能与管理优化技术

在推动数字技术创新应用的同时，数字赋能与管理优化并重。此部分主要通过数字技术驱动业务模式的转型和管理方式的优化，进而提升整个制造业的运营效率和管理水平。包括以下两方面：

• 数字赋能

  强化前沿数字技术的研发和应用，推动关键技术在工业等领域的创新应用，从而推动业务的转型升级。

• 管理优化

  通过升级和调整管理模式，提升协同合作、资源配置、运营服务和监控分析等能力，实现对组织、流程和人员的高效管理。通过管理与技术的融合，提升整体的业务效率和生产力。

🔎3.小结

🦋3.1 数字支撑技术在工业数字孪生中的核心作用

数字支撑技术是实现工业数字孪生的核心要素之一，涵盖了多种技术手段和工具，为数字孪生系统提供强大的支持。具体来说，数字支撑技术主要包括以下几个方面：

☀️3.1.1 传感器技术

传感器是数字支撑技术的基础，它将实际工业系统中的各种物理量（如温度、压力、速度等）转化为电信号，传输到数字孪生系统进行处理和分析。传感器的应用使得工业系统的状态和性能数据能够实时监测和获取，为数字孪生系统提供准确的输入信息，进而实现对工业系统的实时动态呈现。

☀️3.1.2 云计算与大数据技术

云计算和大数据技术是数字支撑技术的重要组成部分，支持海量数据的存储和处理。工业系统中产生的大量数据可以通过云计算技术进行存储和高效处理，同时，大数据分析方法能够挖掘数据中的潜在价值。云计算提供了强大的计算和存储能力，使得数字孪生系统能够处理和分析大规模的工业数据，进而实现对系统的全面监测、优化和管理。

☀️3.1.3 人工智能与机器学习技术

人工智能（AI）和机器学习（ML）技术在数字孪生中也占据重要地位。通过建立智能算法和模型，数字孪生系统可以对工业系统进行预测、优化和决策支持。人工智能技术能够从历史数据中学习并挖掘规律，为工业系统提供精准的预测，帮助做出更智能的决策。而机器学习技术则通过不断的迭代和优化，提升数字孪生系统的准确性和智能化水平。

☀️3.1.4 虚拟现实与增强现实技术

虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术为数字支撑技术增添了新的维度：

• 虚拟现实（VR） ：通过虚拟现实技术，数字孪生系统能够将工业系统的虚拟模型以逼真的方式展现，提供交互式的体验和操作界面。
• 增强现实（AR） ：增强现实技术可以将数字信息与实际工业系统进行融合，为操作人员提供实时指导和技术支持，提升工作效率与安全性。

☀️3.1.5 数字孪生与IT/OT融合

数字孪生技术为信息技术（IT）和运营技术（OT）的融合发展提供了技术接口。通过基于物理世界的实体状态，在数字世界中构建一个“完整分身”，数字孪生能够实时动态地与物理实体保持互联。通过建模、验证、预测和控制物理实体，数字孪生不断将工业系统中的碎片化知识传输到工业互联网中，进而通过集成接口提供给不同业务目标的应用，促进IT与OT各要素的深度融合，加速企业的数字化转型。

🦋3.2 数字支撑技术的广泛应用前景

随着新一轮科技革命和产业变革的推进，全球范围内的数字化转型加速。算力正在成为新的生产力，智能算力则代表着创新力。具体来说：

• 人工智能领域 ：深度学习、自然语言处理、机器视觉等技术的成熟应用推动了语音识别、图像识别、自然语义理解等应用场景的广泛出现，并且这些技术逐渐向端侧延伸，提升了数据处理的效率和实时性。
• 虚拟现实与增强现实技术 ：这些技术在工业、教育、医疗等多个领域具有广泛应用前景。它们能够提供更真实、更沉浸的用户体验，同时支持远程操作与协作。
• 区块链技术 ：区块链技术能够为数字孪生系统提供更加可靠和透明的数据管理与安全保障，尤其在工业数据交易和溯源管理等方面具有重要潜力。
• 5G技术 ：5G技术的普及将为工业数字孪生的实时数据传输和低延时应用提供强有力的支持，推动工业自动化与智能制造的发展。