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从仿真到管控：国产工业数字孪生的成功案例

01应用现状

智能制造是支撑我国制造业转型升级、高质量发展的国家战略，CPS（信息物理系

统）是支撑信息化和工业化深度融合的一套综合技术体系。DT（数字孪生）技术

是智能制造发展的新趋势和重要抓手，其特征是物理对象的数字化虚拟建模与决策

分析，在产品生产环节和智能执行领域，可将其狭义理解为一种实时CPS。参考德

国工业4.0关于柔性自动化线的本质，就是通过硬件资源的离散化、服务化封装，

构成一个“服务联网”CPS的网络系统，这些服务有层次并且能够动态组合配置，

具有明确的数字孪生内涵。

另一方面，从工业数字孪生的应用现状看，国产自主技术的成功案例主要集中在设

备级的应用方面，利用三维模拟展示和非实时双向异步控制模型，通过数字孪生系

统的分析，完成设备的故障分析、寿命预测、远程管理等功能，主要用于设备的故

障诊断、预测性维护、运行参数优化等。产线级、工厂级的应用发展缓慢，缺乏深

度。

02需求分析

某蓄电池制造企业，6条自动化产线建造于2000年前后，可支持16个品类近

100种工业及民用蓄电池的生产，每条产线在经过换线调整后，适用于3~5个品

类的自动化连续生产。随着多品种小批量的冲击，高昂的换线成本与自动线带来的

质量稳定高速生产之间的矛盾越来越剧烈，该企业只能进一步提高产品的标准化和

系列化，对于实在无法满足的品类市场只能逐步缩减放弃该领域。

大量制造企业在批量实施自动化产线后遇到的困境也与其类似，对智能制造的核心

诉求集中在通过面向生产的智能管控，实现连续稳定的混线交叉自动化生产。可以

带来节约新产线投资、减少换线次数、节约人力成本、节省试制费用和大幅提高产

能等直接经济效益，同时也具有大幅降低客户订单响应时间、起单量无下限、新品

拓展无限制等间接效益。

某半导体封装企业立项研发一种基于控制中心+PLC的单元组合型智能封装系统，

实现搬运、点胶和固化等设备之间的功能、参数相匹配协调，有效提高设备利用率、

封装效率及封装品质，实现繁重重复的手动封装作业向自动化、信息化、智能化的

转型升级。其技术路径则是将机器人搬运单元、自动点胶单元和自动固化单元等系

统封装为独立CPS单元，通过数字孪生模型的建立，基于控制中心的时序控制和

联动协调达到各子系统功能的融合。

某大型机械设备厂商，希望通过对传统压铸机的控制智能化，达到向数字装备转型

升级的飞跃。研发内容除了传统控制领域的基础功能（压铸机速度、压力、位置闭

环控制算法，伺服运动控制板卡等），更重要的是需要采用Java或者其他高级语

言开发前端上位机系统及后端逻辑控制，并通过压铸单元集成智能控制实现压铸机

单元生产管理、故障诊断、预测分析、再线品质检测、智能调节工艺参数。其本质

就是要建立面向生产的数字孪生体并达到软硬一体化的智能管控。

由以上分析可以看出，随着智能制造的深入，装备生产企业和最终制造企业都不满

足于数字孪生仅仅提供三维模拟演示、离线仿真、技能培训、远程运维等浅层次应

用，无论是设备级还是产线级，都提出了真正面向生产环节的智能管控功能需求。

而按照智能制造核心理念CPS的思路，面向生产环节的智能管控需满足以下技术

特征：面向生产运行的持续状态感知、面向生产异常的分析推理决策、基于生产软

硬件系统集成的闭环执行；并需要具备相应的能力要素。

要满足以上需求，陈晓红指出须重点实现生产系统多源异构数据互联互通和智联管

控，陶飞教授在2019年工信部开展的工业互联网创新工程启动时，更详细论述了

重点技术突破。笔者结合二十余年在制造业信息化的现场工作，进一步认为实时高

频多维关联模型的构建和毫秒级计算求解更是其中最关键的制约。

针对此瓶颈，和唐数智发布了国内首款软硬一体化柔性智能管控引擎HT-CPS

（v1.0），以智能制造装备（全自动机台、自动化产线和智能执行器）的智能管控

为对象，满足智能制造实时高频、柔性关联及多维闭环的技术需求，达到零待机混

线交叉生产的实效。在实际工厂生产案例中，应用效果达到国际先进水平。产业化

后，可赋能装备生产商批量提升装备自动化智能水平，并进一步赋能制造企业低成

本应对多品种、小批量、个性化市场需求。工业设备数字孪生应