数字孪生：是“噱头”还是“利器”？关键在于你怎么用！

作者 | Zachary Sample

为满足不断变化的可持续性标准和日益激烈的全球市场竞争，过程制造商对最佳性能的需求日益增长。为实现这些目标，许多企业已开始寻求新的策略来推动过程改进。近年来，动态仿真技术受到了广泛关注，尤其是当其作为数字孪生的组成部分应用时。越来越多的企业意识到，数字孪生仿真能为项目执行阶段带来关键价值：在采购或部署任何实体技术之前，助力团队更便捷地对流程与设备进行工程设计和测试。

成功的团队甚至发现，他们可以利用现有的数字孪生来创建用于操作员培训的仿真系统，进一步拓展项目仿真应用。通过这些系统，运行人员可以在与实际生产中几乎相同的界面上，练习新的控制策略。通过为仿真创建这一额外的重要用例，大多数项目团队发现他们能凭借极快的投资回报率（ROI），轻松收回数字孪生仿真技术的成本。

然而，仿真技术在项目阶段提供的价值和ROI仅仅是开端。通过适当的规划与策略，如今的企业完全可以摆脱以项目为核心的数字孪生仿真部署模式，转而采用更具全面性的模式——将数字孪生融入全生命周期的变更管理工作流程中。采取这一做法的团队会很快发现：数字孪生不仅能在项目阶段实现成本回收，还能作为“协作沙盒”持续创造价值，为过程与自动化工程、工厂管理、培训管理、运营及维护等部门的人员提供协作平台（图1）。

▲图1：数字孪生的价值不会止步于项目结束。在团队将其仿真扩展为全生命周期变更管理工作流程的工具时，其价值将得到持续提升。

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数字孪生仿真的三个核心用例

如今，数字孪生仿真工具通常被视为一种独立资产，旨在通过协助自动化测试以及帮助运行人员做好准备以确保项目成功。这种理解是有一定的道理，因为在项目执行期间，数字孪生的三个核心用例能带来巨大的价值和投资回报率。

1.工程设计

在项目设计的初始阶段，团队可通过数字孪生仿真来评估和验证其工程与自动化设计，从而显著降低成本并减少进度风险。此外，团队可将数字孪生与资本成本估算仿真工具结合使用，更灵活地调整项目各要素的规模，确保项目预算可控。

2.自动化测试

利用数字孪生仿真，在设备订购（更不用说现场安装）之前的项目初期，团队就可以开始测试配置、开发新的过程与自动化策略，并优化操作策略与结果。此类离线启动和调试可为新建项目节省数周至数月时间：自动化系统与运行人员反复执行启动程序直至满意，针对各种配置测试自动化系统（可能多达数百次），从而确定最安全、最有效的操作过程。

3. 操作员培训

项目完成后，数字孪生仍持续创造价值。与数字孪生配合使用的操作员培训软件，可为运行人员提供强化培训。用户可在与日常工作中使用的控制系统外观、触感及响应完全一致的系统中体验新的控制策略，无需承担在真实设备上练习的风险。由于在项目开发初期即可完成数字孪生，因此培训方案可在项目结束前很久就搭建完毕，这意味着操作员能在运营首日即具备上岗能力。

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将数字孪生作为“数字沙盒”

通常情况下，在项目完成后，数字孪生就会被搁置。但对于希望充分挖掘投资价值的团队而言，其还有更强大的功能。动态仿真工具还能为运营团队提供一个多功能平台，使其可在工厂全生命周期内，对新设备、新策略及新配置进行试验，从而提升绩效并推广可持续实践——且整个过程不会干扰或危及工厂运营。若配备适当的仿真软件，这些工具能与不断变化的工厂环境保持同步，确保其始终成为工厂各职能部门的可靠资源，助力优化工作流程，并支持团队实现不断变化的目标。

当团队充分利用数字孪生仿真的所有功能时，即可解锁全生命周期变更管理工作流程解决方案的优势。成功的变更依赖于设计精准的解决方案、实施中的正确配置以及全站范围内的成功采用，而这些都需要清晰的沟通与培训。无论是部署新的图形包、新平台、高级过程控制、基于状态的控件，甚至是改变工艺过程运行的方式，每一项调整都会涉及工厂多个部门现有复杂的工作过程。

为确保这些影响不会造成中断，团队必须从过程与自动化工程的角度，来理解改进领域、评估最佳变更方式、测试解决方案、更新程序、向运营部门通报变更、对操作员进行变更培训、将解决方案部署至生产环境，并最终被用户采纳而确保变更价值的实现。上述每个步骤都至关重要且相互关联，任何一步的失误都可能导致复杂、昂贵且耗时的回滚。

数字孪生可为团队赋能，使其能仿真过程与自动化系统的各个方面，从而真正理解各环节是如何协同运作的。通过仿真团队可发现潜在问题，深入理解问题本质并据此制定可行的解决方案。随后，他们利用工厂内的离线数字副本，对这些潜在解决方案进行测试，评估结果并解决问题，避免在实际控制系统上实施时出现差错。这种方式可以简化变更管理，从更广泛的视角审视每一项变更，确保所有的利益相关方的平稳过渡。

例如，近期发生过安全事件的机构，可能需要补救该事件并防止未来再次发生类似事件。但这项工作通常并非单一团队的职责，而是需要过程与自动化工程、工厂管理、培训管理、运营及维护等多个部门共同参与。若所有这些部门都能通过基于数字孪生的核心沙盒协同开展工作，便能更轻松地寻找最有效的解决方案，并在生产环境中实施前完成验证工作。

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利用数字孪生进行危险和成本效益分析

制造企业可以利用数字孪生来支持过程危险分析，以更高效地明确问题的根源。一旦各方明确根本原因，即可提出解决方案。自动化与工艺过程团队可确定是否需要对运营进行自动化、围绕运营创建新过程，甚至调整工艺过程本身，从而避免安全事故的再次发生。

团队还可以进一步利用数字孪生开展成本效益分析，确定最优解决方案。他们还能识别出实施这些方案最安全、最精确且最具成本效益的方式，以探索现场部署机会、调整运营程序以适应新环境，并有效培训运行人员。最终，由于所有人均使用同一套综合离线工具，在团队将变更部署至生产环境时，整个过程将实现无缝衔接（图2）。

▲图2：配置完善且维护得当的数字孪生可成为推动企业持续改进的协作沙盒。

不过，基于数字孪生的协作环境的价值不仅体现在安全事件中，这一解决方案可应用于任何变更场景——从瓶颈消除到控制策略调整等，以持续明确制造商需求、识别解决方案、培训人员和实施变更，并根据需要重复这一过程，以发现并修补更多漏洞。

释放数字孪生的潜能将数字孪生仿真转化为全生命周期变更管理工作流程解决方案，通常需要一个在项目规划中通常被忽视的核心要素：所有权归属。若没有从一开始就明确数字孪生解决方案的长期归属权，该仿真往往会逐渐被忽视，变得日益脱离实际，最终沦为低效的变更管理工具。

内部团队通常完全有能力在全生命周期内管理仿真工具，但前提是团队需制定明确计划：明确各部分的负责人，以及需要多久同步一次变更以保持数字孪生的时效性。提前明确所有权归属，可避免因仿真与生产系统严重脱节而需投入巨额成本进行大规模整改的情况。理想情况下，在数字孪生的初始采购阶段，就应确定长期利益相关方及全生命周期内的仿真管理工作流程。

随着数字孪生仿真的普及和日益广泛的应用，全球各地的团队都在项目执行的成本与进度方面看到了显著效益。而从项目效益向数字孪生的生命周期效益延伸并非难事，其成果将在系统全生命周期内创造重大价值。

若企业能认识到数字孪生的生命周期潜力，那就可以在项目设计与生命周期规划的初期采取措施，利用该技术构建协作沙盒。这不仅有助于提升运营灵活性与组织凝聚力，从而打造竞争优势，同时还能改善单个工厂乃至工厂集群的安全性、生产效率与可持续性。

▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2025年09月刊《技术文章》栏目：如何利用数字孪生优化资产全生命周期?