Archive for 2021年5月30日

工业4.0研究院继续推进“领先三年”战略

      自2013年成立以来,工业4.0研究院坚持实施“领先三年”战略,展现了我院颠覆性创新能力,在概念创造、体系研究和技术创新等领域建立了竞争优势。在第四次工业革命肇始之际,工业4.0研究院继续推进“领先三年”战略,以期实现新的颠覆性创新。

      工业4.0研究院定位于DARPA和兰德的结合体,对标兰德战略研究和DARPA颠覆性创新,跟踪德国、日本和英国实践,结合中国国情和行业需要,在第四次工业革命通用目的技术(GPT,General-Purpose Technology)研究方面做出了突出的成就,目前开始落实“数字孪生+”策略。

      2019年,工业4.0研究院发起了全球第一个数字孪生体联盟,它早于美国七个月,比德国领先近一年时间,国内目前还未出现类似的组织;2020年,工业4.0研究院支撑国家发改委和中央网信办起草了《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》,提出了“数字孪生创新计划”等内容,显示了我院的前瞻性和战略构建能力。

      过去5年期间,工业4.0研究院对数字孪生体做了系统的研究,在全球首次提出了通用目的技术等判定,并出版了《数字孪生体:第四次工业革命的通用目的技术》一书,引起了国内外行业人士广泛的关注和认可。

      在“领先三年”战略指引下,工业4.0研究院坚持包容和开源的核心价值观,逐步建立了基于开源社区的创新生态,目前通过“数字孪生体联盟”(DTC,Digital Twin Consortium),为行业企事业单位建立沟通渠道,实现共创共赢。

      工业4.0研究院下属北京翼络数字技术有限公司(简称“翼络数字”)开辟了“数字孪生大脑开源社区”,在工业人工智能方面取得了较大突破,并按照“领先三年”战略要求,逐步通过数字孪生城市开源社区等开放给行业企业。

      翼络数字大力推进“数字孪生+”赋能各行业的策略,强化以工程技术人员为主的经营,通过提供创新的技术解决方案,帮助客户在“十四五”期间实现数字化转型,获得行业平均水平之上的经营绩效,实现客户在同行业“领先三年”的战略目标。

      在2021年接下来的时间,工业4.0研究院将聚焦“数字孪生城市实验室”,经过一年多的经营发展,多项指标处于全球领先地位。为了更好服务数字孪生体联盟成员,数字孪生城市实验室将发布《数字孪生城市报告(2022)》,引领真正开放的运行模式。

      结合到翼络数字承担的国家项目,工业4.0研究院近期将发布《数字孪生质量体系白皮书》、《数字孪生电网白皮书》等,深入贯彻“数字孪生+”策略思路,加强跟行业的交流互动,提升我国数字孪生体应用的开放度和创新力。

      我院同事应牢记“领先三年”战略,这既是我们的生存之本,也是工业4.0研究院响应我国科技创新的作为,瞄准全球顶级机构的颠覆性创新,探索适应我国现有环境的创新之道,虽然这个过程会遇到不同的困难,但只要我们坚持不懈,就能为第四次工业革命发展做出应有贡献。

      本人作为工业4.0研究院院长,专门撰写该文,通过邮箱发给各位同事,同时也公开发布,以便合作伙伴了解工业4.0研究院和翼络数字的运行,跟我们一道迎接第四次工业革命的到来。

 

认识数字孪生体科学的意义

      人类社会自计算机产生以来,改变了传统的科学研究方法,影响了科学发展的速度和方向,逐步形成了“计算科学”(Computational Science)。数字孪生体作为物理世界和数字空间交互的体系,归属于计算科学,目前正朝一门新科学方向发展。

      2009年DARPA提出数字孪生体概念,其目的是为了找到复杂系统的计算科学方法。事实证明,数字孪生体给人们认识复杂系统提供了新思路,大大简化了传统系统工程的方法,并为智能化发展提供了理论基础。

      在数字孪生体产生之前,全球科学研究机构提出了基于仿真的系统工程等方法,但在实际应用中效果并不突出,这是因为当时计算科学还不够成熟,受传统的仿真理论和实践影响非常大,正如美国工程院专家所讲,当多个学科融合发展的时候,提出新概念来描述新科学的产生,是一种必然的选择。

      托马斯·库恩在1962年出版的《科学革命的结构》中,阐释了常规科学和科学革命的本质,为我们认识新范式产生过程提供了方法。库恩对以探索和总结自然现象之规律的传统科学分析较深入,但对于计算科学等没有给予足够的关注。

      科学一般分为形式科学、自然科学、社会科学和应用科学,应用科学中有一小类属于交叉科学,它是两个或两个以上不同学科的边缘交叉领域产生的新学科类别。数字孪生体涉及到计算科学、物理学、化学及工程学等多种科学,它是典型的交叉科学。

      在过去10年期间,DARPA、美国空军研究实验室、麻省理工学院、剑桥大学和工业4.0研究院等对数字孪生体科学做了积极的探索和研究,逐步建立了一定的知识体系。科学是一种系统性的知识体系,以此来判断,数字孪生体科学正在形成中。

      当我们跳出科学研究范畴,进入行业应用探索领域,数字孪生体呈现了完全不同的景象。

      由于数字孪生体概念具有通俗易懂的特点,企业把已有产品和解决方案包装成数字孪生体,有助于提升销售业绩,国内外企业纷纷往数字孪生体靠拢。传统的CAD、仿真和PLM企业摇身一变,成为了数字孪生体“龙头企业”;一些做BIM、VR或游戏的企业,开始介入智慧城市等领域,通过“拍电影”的方式展示数字孪生体。

      这当然不是数字孪生体科学的核心。

      本人在《数字孪生体》一书中,对其本质进行了阐释,即数字孪生体具有开放架构,能够实现前向兼容,满足可持续改进的需要。

     目前的工程实践还不具有这样的特征,因为现有工具还是传统的CAD、BIM或仿真软件,它们都不是为了数字孪生体科学开发的,不能真正实现可持续改进等功能。正如DARPA所讲,要构建数字孪生体科学体系,需要开发一系列的工具。

      工业4.0研究院判定,数字孪生体科学未来10年发展,需要建设新型基础设施,这是其持续发展的前提和必要条件。
       从技术革命周期的视角来看,数字孪生体科学需要完成基础理论研究,毫无疑问,用建模与仿真的传统观念去看待数字孪生体,不足以体现它在人类社会发展进程中的地位和意义。

     世界各国正在争夺第四次工业革命制高点,如果仅仅限于大家耳熟能详的人工智能、大数据和物联网等内容,中国不太可能失去未来产业机遇;但如果是某种大家认识不深,甚至于似曾相识的概念体系,当它们代表了未来发展的主流,任何国家错过的代价会非常巨大。

      日本上个世纪80年就遇到这样的问题,当时它希望创造“智能制造”范式,借此打造“教科书”式的科学体系。美国对未来的判定更为准确,它专注到基于开放架构的工业数据体系建设,为美国先进制造稳步发展提供了支撑。当时两个国家的选择,决定了它们过去30年的命运。

     面向未来的颠覆性创新,大都是某种内生技术应用的结果,即在科学层面有原理上的突破,它将创造新的技术路径,改变传统的工程方法。美国一直强调的抵消战略,其核心就是“创造”新的路径,这是建立在基础科学研究前提下的。

      大量证据显示,美国正在加紧打造数字孪生体科学体系,从根本上解决物理世界数字化的挑战,让物理世界的运行实现低成本化和可持续改进等目标。如果可以达到这样的目标,那么美国在互联网发展中积累的经验将再次发挥作用。

      中国当前迫切需要解放思想,敢于面向未来探索新科学,为人类社会迈向第四次工业革命做出应有之贡献。

 

 胡权:工业4.0研究院院长,数字孪生体联盟理事长

 

工业4.0研究院成功举办中航工业主题研讨会

      按照工业4.0研究院2021年计划要求,全院近期举办了“中航工业”主题研讨会,重点讨论了该公司“数字航空”和数字化转型的基本情况,回答了分析人员关注的关键问题,并结合到国际领先企业做了对标分析,提升了我院相关人员的专业水平。

      工业4.0研究院院长胡权在研讨会上做了《中航工业数字化转型的难点分析》的讲座,结合到全球标杆企业的最新进展,分析了中航工业推进“数字航空”的技术和管理挑战,帮助各分析人员捋清了思路,深化了对“数字孪生+”战略的认识。据官方网站介绍,中航工业公司是在2008年11月6日由原中国航空工业第一、第二集团公司重组整合而成立,设有航空武器装备、军用运输类飞机、直升机、机载系统、通用航空、航空研究、飞行试验、航空供应链与军贸、专用装备、汽车零部件、资产管理、金融、工程建设等产业,下辖100余家成员单位、24家上市公司,员工逾45万人。

      第一,全面系统了解中航工业及子公司情况。

      利用开源情报(Open Intelligence)方法,重点查看中航工业官方网站、相关报道和书籍公开的内容。中航工业原副总经理写的两本书对公司介绍比较系统和详细,涉及到集团公司、自控所、沈阳所、一飞院、黎明公司、成飞、光电所、西飞和昌飞等。

      第二,讨论中航工业杨伟提出的“数字航空”。

      2021年4月25日,中航工业副总经理杨伟在论坛上作题为《构筑“数字航空”新格局》的经验交流。

中航工业副总经理杨伟

      杨伟表示,航空工业党组立足新发展阶段,深入贯彻新发展理念,加快构建新发展格局,制定了数字化转型战略,全力推进新一代信息技术与航空制造业深度融合发展,构建领先创新力,打造新型航空工业体系,加快“航空强国”建设。

      数字化转型的主要途径涉及航空工业全产业链、全生命周期、全业务流程,涉及业务域的全面转型升级,核心是:航空产品的数字化表达、数字化设计与虚拟试验、数字化制造、全生命周期数据管理、全产业链全业务领域数字化贯通、与用户的数字化无缝即时对接等。面向未来航空产品研制要求更高、周期更短,产业链中一般能力社会化配套率将进一步提高,向制造服务型方向转化趋势更明显。

      航空工业推动数字化转型,就是要再造一个“数字航空”工业,通过“数字航空”承接“数字中国”和“数字央企”的建设要求。集团公司规划了数字航空“1+6+N”总体架构,最终将建成基于“云”架构的集约、高效、敏捷、安全的全新航空工业数字化能力体系,重塑航空工业能力体系,为全面建成新时代航空强国的宏伟目标做出更大贡献。

     第三,分析中航工业的数字孪生体战略及应用。

     从目前公开的信息来看,中航工业还主要基于DMU在应用数字孪生体,从中航工业撰写的书籍内容来看,主要受达索和西门子的影响非常较大。

     随着中航工业进一步推进“数字航空”新格局的需要,数字孪生体技术的深度引入将成为一个必然的选择,甚至成为“数字航空”的核心竞争力。

     参与本次内部研讨会的人员主要为工业4.0研究院分析团队成员,主要基于公开资料进行讨论,丰富工业4.0案例库,提升行业标杆企业的认识,加强案例企业未来发展战略、管理和创新的分析与预测,特别是满足数字孪生体联盟成员业务开展需要。

 

从“四个革命”认识数字孪生电网建设的意义

      自国资委发布《关于加快国有企业数字化转型工作的通知》后,我国电力行业企业迅速行动起来,通过引入数字孪生体等新一代数字技术,初步形成了“数字孪生电网”(Digital Twin Grid)建设思路,为“十四五”时期的电网建设找到了抓手。

      早在2014年6月13日,习近平在中央财经领导小组第六次会议上讲话中提出了”四个革命、一个合作“,“四个革命”包含消费革命、供给革命、技术革命和体制革命,体现的是外生和内生发展的趋势,消费和供给是外生因素,技术革命则是内生动力;“一个合作”是全方位加强国际合作,实现开放条件下能源安全。

      为此,电力企业必然聚焦“四个革命、一个合作”开展相关工作。

南方电网公司董事长孟振平

      2019年5月23日,南方电网公司董事长孟振平在《能源变革中的南方电网》中,分享了落实“四个革命、一个合作”的能源安全新战略,围绕“建设什么样的南方电网,怎样建设南方电网”这一问题开展的创新实践。

     据相关人士透露,南方电网最近几年加快数字孪生电网相关理论和技术的研究,并启动了多个数字孪生电网试点项目,探索全面推进数字孪生电网的策略和方法。

     国家电网因为多种原因,最近几年经历了不少变动。随着2021年两会结束,国家电网新任董事长辛保安开始“十四五”发展规划落实工作,从他近期在福建讲话中可以看出,围绕“四个革命”,加快形成国家电网自己的新发展思路,已经迫在眉睫。

国家电网董事长辛保安

      2021年4月23日,国家电网董事长辛保安在福州会谈中表示,国家电网将全力支持福建产业发展,主动服务“数字福建”建设,推动福建电网数字化转型,加快建设东南能源大数据中心,助力福建打造世界级储能产业集群。

      近期发布的“十四五”规划,明确提出了“立足新发展阶段,贯彻新发展理念,构建新发展格局”的“三新”要求,这对电力企业数字化转型有较大影响。工业4.0研究院认为,深刻认识技术革命,才是电力企业在“十四五”时期深化数字化转型的前提。

     在过去10年期间,电力企业完成基本的信息基础建设,较好实现人财物的精细化管理,但如何把设备和系统纳入到精细化管理中来,则不是传统的业务中台和数据中台可以实现的,它需要引入新的发展理念。

      通过深入分析电力企业的特点,工业4.0研究院设计了“数字孪生电网”体系和方案,按照《数字孪生体》一书所讲,通过发挥数字孪生体前向兼容特点,避免传统互联网和IT企业提供的解决方案导致物理设备和系统不深化的弊端。

      数字孪生电网能有效解决物理设施和数字管理之间的鸿沟,通过颗粒度更小的物理数据丰富“物体”描述,解决电商视角的数据库字段指代方式颗粒度过大的问题,这将大大降低系统复杂度和管理难度,同时实现系统和平台的弹性,便于业务和经营的创新。毫无疑问,电力行业数字孪生体应用的加速,为数字孪生体产业化提供了实践标本,同时也落实了国家“数字孪生创新计划”,以实际行业应用来突破关键核心技术,这正是工业4.0研究院参与政策起草时提议该计划的目的。

 

作者:胡权,工业4.0研究院院长,数字孪生体联盟理事长

 

发挥数字孪生电网全局和全生命周期优化能力

      我国电力行业过去十年信息化建设,提炼出了“能源互联网”发展思路,大大推进了电力行业的发展。现在随着“十四五”数字化转型新发展思路的提出,电力企业需要与时共进,利用“数字孪生电网”技术体系,发挥其全局和全生命周期的优化能力。

      2009年DARPA提出数字孪生体之后,各行各业迅速启动了相关研究工作,除了美国军方利用它设计“分布式作战”,航空航天、能源及汽车等企业把它引入数字化转型中,获得了良好的效果。

      工业4.0研究院自2015年开始系统研究数字孪生体,2019年参与国家发改委相关课题,提议“数字孪生体”列入新一代数字技术,后来支撑《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》编写,提议“开展数字孪生创新计划”并获采纳。

数字孪生电网

      为了帮助行业企业落实“数字孪生创新计划”相关内容,工业4.0研究院于2021年初提出了“数字孪生+”战略,帮助电力、汽车和城市三大领域应用数字孪生体技术。

      应数字孪生体联盟成员请求,工业4.0研究院在4月正式启动了《电力行业数字孪生体应用白皮书》相关工作,重点梳理各电力企业的需求,设计电力行业数字孪生体应用参考架构,同时还启动了“智能电网开源社区”,通过源代码共享的方式跟行业企业建立联系。

      从三大产业划分来看,电力行业属于第二产业,但随着数字化转型的深化,电力行业开始广泛应用数字技术,呈现了第三产业的一些特征,例如,用电环节引入大量的数字技术,让电力公司的服务更具有价值,体现了服务业的特点。

     按照电力行业价值链上的利益相关者来看,电力局(或供电局)、发电厂、电力建设公司、风力发电企业和电力设备制造公司等,都将受到行业数字化转型的影响,特别是数字孪生电网带来的运行和服务模式转变,将深刻的改变电力行业。

     我国电力行业目前主要矛盾体现为电厂和电网的不和谐,发电厂低负荷运行时间太长,能耗率太高,两者之间如何协调,可以借助新一代数字技术的引入,例如,数字孪生电网是对实际电网的模拟,可以把历史数据导入,借助大数据分析和人工智能等先进技术,能够有效改善现有状况。

      工业4.0研究院将发挥基础研究扎实的优势,利用过去五年时间理论研究成果,基于数字孪生体联盟平台,帮助电力行业相关成员单位,立足“共创共赢”发展理念,提供具有创新价值的“数字孪生电网解决方案”。

      根据数字孪生体联盟相关计划,2021年5-6月,将重点研究和编写《电力行业数字孪生体应用白皮书》,梳理电力行业产业图谱,找到数字孪生电网建设的痛点和痒点,先从国家电网和南方电网公司的试点项目着手,有条不紊的推进相关工作。

 

作者:胡权,工业4.0研究院院长,数字孪生体联盟理事长