国内外主流数字孪生解决方案巡礼
导读
近年来，随着制造业全面开启数字化转型，亟需依托新一代信息技术打造全新的发展引擎，数字孪生技术作为信息技术发展的新焦点和众多企业业务布局的新方向，能加速与数字、信息、通讯技术的融合，逐渐发展为一种基础性、普适性的技术体系，其在装备制造、汽车、化工、钢铁、制药等行业的应用场景日益清晰。本文介绍了数字孪生的市场与应用情况，并重点盘点了国内外主流的数字孪生厂商与解决方案。
文章来源
本文由e-works编辑部吴星星原创发布。
Part 01
数字孪生市场与应用概览
根据Grand View Research发布的数据，2021年，全球数字孪生市场规模为74.8亿美元，预计从2022年到2030年，年复合增长率将达到39.1%；另根据国外调研机构MarketsandMarkets的预测数据显示，到2023年数字孪生市场规模将达到157亿美元，到2025年将突破260亿美元。从这两份研究数据可以看出，数字孪生市场很大，而我国又是世界上工业门类最为齐全的国家，本身就有丰富的制造业应用场景和市场，数字孪生技术几乎可以延伸到制造业的每一个场景。
自2020年以来，西门子、达索系统、PTC、Ansys、罗克韦尔自动化、AVEVA等国际知名厂商不断推进数字孪生的落地，在多行业多领域开展了具体的应用实践，验证数字孪生的应用价值和可行性：
西门子运用数字孪生技术，对西门子数控（南京）有限公司新工厂的规划方案进行仿真建模，在虚拟环境中快速模拟未来工厂的运行情况，以便在规划阶段就避免在实际运营过程中可能出现的问题，与传统的工厂规划相比，该工厂从规划到运营的总时间缩短近三分之一；
GE数字化风场利用PTC的数字孪生解决方案，为风场的资产、风机等构建数字孪生模型，对风场资产建立关联知识图谱，以及构建风机设备可视化、风机远程实时监控、风机健康诊断、风机运营管理、风机维修管理等APP，驱动产品的研发创新；
达索系统与中国铁路设计研究院将数字孪生技术应用在京雄铁路建设中，将开山、修路等过程做仿真模拟，推演出对环境影响最小的绿色方案，最终实现从设计、施工到运营的三维数字化智能管理，创造出智能高铁的“数字孪生”；
Ansys与阿里巴巴合作开展了变压器数字孪生项目，利用数字孪生技术监测导线电压、电流、油温和泵的设计流量，实时计算磁芯和线圈温度，实现数字和物理变压器的融合；
业内某知名锂电池生产企业与罗克韦尔自动化合作，借助罗克韦尔自动化Emulate3D数字仿真平台的数字孪生体构建功能和虚拟调试功能，实现1:1真实场景还原，并达到企业扩产增效降本的目标；
AVEVA与挪威Aker Carbon Capture公司合作，基于数字孪生技术提供进一步提升碳捕集和处理能力的整体解决方案，以实现其一体化工程设计，并实现减少碳排放，推进循环经济。
由此可见，数字孪生技术在制造业有着非常丰富的应用场景，贯穿产品的研发、制造、服役，乃至报废回收再利用的全生命周期。其中，复杂装备产品在运行维护阶段的数字孪生应用价值最为明显；在制造业工厂中，小到一个关键设备的零部件，例如机器人减速机，到装备整机，例如工业机器人，再到自动化产线，乃至整个车间、整个工厂，数字孪生技术也有诸多应用场景，覆盖不同的时空尺度。此外，数字孪生也可用于供应链管理领域，例如车间物流调度、运输路径优化等。
Part 02
国际主流数字孪生解决方案概览
当前，国际上主流的数字孪生解决方案厂商主要包括GE Digital、西门子、PTC、Ansys、达索系统、AVEVA、罗克韦尔自动化、SAP、Altair、ESI Group、微软、Maplesoft、Bentley、Unity等。在这些解决方案中，一些国际厂商基于自身的使能技术，打造了综合性平台来构建数字孪生的应用，例如GE的Predix、西门子的COMOS Platform、PTC的ThingWorx、Bentley的iTwin Platform；还有一些国际厂商则通过与多家厂商展开合作，提供数字孪生所需要的完整解决方案，譬如达索系统与ABB、Ansys和罗克韦尔自动化、Altair和ACROME、微软和Ansys都曾进行过数字孪生方面的合作。
国际主流数字孪生厂商和解决方案
（按照首字母排序）
◉ Ansys
Ansys Twin Builder是Ansys的数字孪生解决方案，三大核心功能是模型建模、验证和部署，重点研究和应用领域可以概括为数字孪生生产设备、设计阶段的数字孪生、运行维护阶段的数字孪生、基于经验公式的数字孪生、基于仿真的数字孪生五个方向。在2022R1新版本中，Ansys Twin Builder通过充分结合物理传感器和虚拟传感器，实现跨学科多领域的系统仿真与数字孪生；通过Twin Deployer加速导出和部署数字孪生，实现产品的虚拟实验，预测性运维，性能优化等增值服务。
Ansys Twin Builder功能组成 （来源：Ansys）
◉ AVEVA
AVEVA的数字孪生解决方案主要由工程、运营、绩效相关的产品组合而成，包括AVEVA Unified Engineering、AVEVA Unified Operations Center、AVEVA Asset Performance Management、AVEVA PI System、AVEVA Process Simulation等软件。AVEVA数字孪生解决方案贯穿整个生命周期的各个阶段，包括从设计、构建到操作和维护。基于AVEVA数字孪生解决方案，可构建离散数字孪生，例如单个资产、产品、人员和单个流程任务；也可构建复合数字孪生，即将多个离散数字孪生结合在一起，形成更高水平的流程、功能和资产组；还可以构建组织数字孪生，用于优化更高阶的企业级数字需求。
AVEVA剑维软件的数字孪生产品组合 （来源：AVEVA）
◉ Altair
Altair数字孪生解决方案基于Altair 数字孪生集成平台——Altair Activate，融合物理孪生体和数据孪生，以支持整个产品生命周期内的持续优化。Altair Activate是一个多学科的系统仿真工具，融合了物理和数据驱动技术，可实现数字孪生应用，帮助用户在产品开发早期了解系统的整体性能并识别各子系统之间的相互关系。此外，Altair与ACROME合作，基于3D+1D系统仿真，推出了有关数字孪生的机电教育套件；在2022年，Altair与LG Electronics (LG)达成合作，计划促进仿真自动化平台的研发与构建，以及开展用于开发LG产品的数字孪生技术方面的实践。
Altair数字孪生应用案例（来源：Altair）
◉ Bentley
Bentley数字孪生解决方案以iTwin Platform为基础，提供数字孪生技术实现基于数据的决策和业务服务。iTwin Platform集成多种类型的原生数据格式，包括不同软件厂商的三维模型、二维图纸、实景模型、点云等，存储在同一的结构化数据库中，同时提供地理信息的数据接口，建立真实的“工程数字孪生”。其中，iTwin Viewer提供了高精度、高性能的三维信息模型浏览，Data Validation提供数据校验服务，Version Compare提供数据变更管理和对比分析功能。此外，通过Bentley提供的iTwin.js开源库，用户可以拓展自己的数据服务、应用程序和数据接口。
iTwin Platform（来源：Bentley）
◉ 达索系统
达索系统的数字孪生解决方案主要依托于3D体验平台——3DEXPERIENCE，将CATIA、BIOVIA、SOLIDWORKS、SIMULIA、DELMIA等11款工业软件集成到一个统一的数字化创新环境中，可提供一个贯穿设计、生产、制造、交付、运营等整个业务流程的完整解决方案。目前，达索系统的3D体验平台在中国商飞、中航工业、中国船舶、三一重工、阜外医院等行业龙头企业得到成功应用，然后不断地在其他行业中复制，帮助企业提升整体价值。
3DEXPERIENCE产品组合 （来源：达索系统）
◉ ESI Group
ESI Group提出了混合孪生的数字孪生概念，是由虚拟和数字组成，主要优势是建立了一个额外的、互补的虚拟模型，该模型必须以物理为基础，并描述因果关系。ESI Group现有的数字孪生解决方案是Hybrid Twin混合孪生技术，可以结合物理模型和实时接收的数据构建特定模型，从而可以创建和预先认证研发产品、验证产品的性能，还可以预测其在维护过程中的维护需求，成功减少研发阶段的物理试错，以及后期的维护和安全问题。ESI Group在电动汽车部署Hybrid Twin混合孪生技术，实现了电动汽车40%的续航里程增长，同时提供了最高的座舱舒适度和安全性。
ESI Hybrid Twin介绍 （来源：ESI Group）
◉ GE Digital
GE Digital的数字孪生解决方案是基于Predix平台提供服务，整合Proficy、APM、OPM、iFIX、Historian等软件服务，并将设备机理模型和数据驱动分析结合起来构建数字孪生体。尤其，GE Proficy数字工厂软件家族兼顾了工业应用的稳定性和安全性，同时整合了IT行业最新的先进技术，有助于用户更好地构建和应用数字孪生。目前，GE将已有的大量资产设备数据和模型叠加，通过Predix平台，提供了一个通用的数字孪生体模型目录，包括多个工业数据分析模型以及超过300个资产和流程模型。用户可以利用现有的通用模型进行模型构建、仿真、训练，从而快速构建数字孪生体，并可在现场运行或在云端大规模运行，将模型推向使用端，然后再将它们产生的信息传回云端。
GE Digital的电网数字孪生案例 （来源：GE Digital）
◉ 微软
微软的数字孪生解决方案是一系列与数字孪生相关的服务组合，是作为一个整体的Azure数字孪生服务集，包括Azure IoT、Azure Digital Twins、Azure Functions等工具。换句话而言，微软所推出的数字孪生解决方案，不仅仅只具有单一的数字孪生技术服务能力，而是一个能够与各种数字化平台技术集成，构建跨行业、且端到端就绪的数字孪生解决方案的开放平台服务。该解决方案可从智能制造、智能楼宇等行业“复用”到医疗、农业、教育、能源等行业，由此赋能并加速各行各业的企业数字化转型。
微软数字孪生服务过程（来源：微软）
◉ Maplesof
Maplesoft数字孪生解决方案基于MapleSim软件，提供一种不需要现场和物理机器就能设计、测试和优化机器控制代码的虚拟调试，实现基于仿真电机选型、PLC代码测试、离线和在线仿真等，消除设备设计中的猜测。例如，OEM厂商可以虚拟复现问题、诊断原因、并通过修改机器的控制代码解决噪音、振动、意外故障等问题。此外，Maplesof还提供交钥匙工程服务解决方案，帮助用户创建数字孪生并实施虚拟调试，进而诊断、修复和优化机器性能。
使用MapleSim创建数字孪生 （来源：Maplesoft）
◉ PTC
PTC的数字孪生解决方案是基于PTC的数字主线和数字孪生平台，由Creo CAD数字设计平台、Windchill PLM数字主线平台、Vuforia增强现实平台、Servigistics SLM服务生命周期管理平台、Integrity ALM软件生命周期管理平台、ThingWorx物联网与分析平台等数字技术产品形成了整合的解决方案，打通了需求、采购、质量与管控、市场营销、制造工厂、售后和召回等产品生命周期涉及的所有业务部门，形成了完整的数字主线，帮助用户创建其业务的数字和实体之间的闭环。
基于数字孪生的产品研制及运营模式 （来源：PTC）
◉ 罗克韦尔自动化
罗克韦尔自动化的Emulate3D数字孪生解决方案，是通过数字孪生技术仿真建模，从而改进系统规划和决策的一款数字自动化流程设计的仿真软件。该软件使客户在交付最终设计之前，对机器和系统进行虚拟测试，从而评估物理资产真实运行的状态和性能，实现产线的快速部署，并避免设计、试运转和启动过程中的意外。需要指出的是，Emulate3D是罗克韦尔自动化在2019年收购的一款软件，收购之后也成为FactoryTalk DesignSuite工厂自动化系统设计软件的一部分，可以实现对整个工厂自动化控制系统进行虚拟仿真和虚拟调试，还可以利用工厂的数字孪生模型对员工进行培训，降低工厂运营的风险。
基于Emulate3D的原型机验证和虚拟测试 （来源：罗克韦尔自动化）
◉ 西门子
西门子的数字孪生解决方案众多，涵盖从设计工具、虚拟仿真、制造运营管理到工业自动化、物联网平台等关键技术领域，其数字孪生相关的软件产品有PlantSight、COMOS Platform、Xcelerator等。PlantSight是西门子与Bentley Systems联合开发的流程行业解决方案，它能将原始数据转换为一个完整、一致且动态的数字孪生，帮助企业做出快速、合理的决策；COMOS Platform具有各种功能模块，覆盖工厂全生命周期，从设计、采购、施工、数字化移交到运维、管理，都在同一个工程数据平台上进行，并且具有与AVEVA，SPI，PDMS等多种软件通信的数据接口；Xcelerator是西门子于2022年发布的数字商业平台，具有闭环的数字孪生、个性化配置、灵活开放的生态等关键特征，可用于工业、楼宇、电网和交通领域不同规模的企业的数字化转型和价值创造。
西门子数字化孪生架构图（来源：西门子）
◉ SA
SAP数字孪生解决方案与SAP推出的统一商业网络战略相契合，利用实时ERP、先进的分析和成功的网络解决方案，譬如Ariba Network，SAP Asset Intelligence Network，SAP Logistics Business Network和SAP Fieldglass，并通过开放和互联的商业网络，交付整合信息，帮助企业打造韧性供应链，提高敏捷性。同时，SAP 数字孪生解决方案也与SAP启动的Industry 4.Now战略高度契合，借助“Industry 4.Now”，SAP将帮助企业打造一条真正的数字主线，贯穿智能产品和资产的整个生命周期，从设计到运维，并将获得的信息及时反馈到业务流程里。
SAP数字孪生解决方案在桥梁预测性维护的应用
◉ Unity
Unity数字孪生解决方案主要由Unity Reflect、Unity Manufacturing Toolkits（UMT）等产品组成。其中，Unity Reflect用于构建数字孪生应用；UMT是Unity于2022年正式发布的专为零基础用户定制的智能制造数字孪生工具包，旨在帮助无建模基础与代码撰写经验的从业者迅速构建智能制造数字孪生系统。UMT从模型自动优化处理、约束导入和动作调试等基础操作开始建立对应真实产线的虚拟模型，继而用户在可视化编程界面中轻点鼠标实现信号与模型的绑定，同时，辅以UMT丰富的材质、组件、模型和UI库，用户可构建高质量的虚实同步数字化柔性产线。
UMT数字孪生系统整体搭建流程 （来源：Unity）
Part 03
国内主流数字孪生解决方案概览
在国内，主流的数字孪生解决方案厂商包括美云智数、华龙迅达、寄云科技、力控科技、精航伟泰、华力创通、同元软控、优也科技、触角科技、子虔科技、优锘科技、51world、卡奥斯、摩尔元数、易知微、木棉树软件等。由于中国数字孪生市场仍处于早期发展阶段，且受限于建模、仿真和基于数据融合的数字线程等技术瓶颈，国内数字孪生解决方案厂商目前主要针对特定的应用场景或行业提供服务。
国内主流的数字孪生厂商和解决方案
（按照拼音排序）
触角科技
触角科技的数字孪生解决方案是以感知MR/VR数字孪生协同平台为基础，通过结合MR/VR人机交互技术、5G网络与AI技术，为工业4.0、智慧城市背景下的数字孪生构建了高效率、低成本的远程三维可视化协同工作平台。触角科技的数字孪生解决方案具有多重优势，包括采用5G+MR/VR，虚实融合流程引导，远程实时协同工作，操作流程记录共享，全局实时监控，第一视角视频指导，可视化场景快速制作，资源与数据云端管理，训练数据快速生成，真实场景算法迁移等。
利用感知MR/VR数字孪生协同平台 实现场景三维可视化 （来源：触角科技）
华龙迅达
华龙迅达木星数字孪生平台（Jupiter Digital Twin Platform）是华龙讯达研发的基于物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程的数据管理平台，实现产品数据在虚拟空间中完成映射。基于该平台可反映相对应的实体装备的全生命周期过程，数字工厂物理空间的控制、运行、质量、物耗、能耗等数据，在虚拟空间中建立实时镜像进行虚拟制造仿真，并将仿真结果作用于物理空间现场，助力企业提升资源优化配置、生产过程控制、均质生产保障、柔性制造和敏捷生产等能力。
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