国内基于数字孪生技术的检验检测认证数字化应用及研究进展

摘 要：检验检测认证行业的数字化转型既是实现行业自身发展的重要途径，也是促进质量变革、实现经济社会高质量发展的必由之路。数字孪生技术因其保真性、实时性、易操作和易拓展等特征，成为检验检测认证行业数字化转型的重要技术。本文从检验检测、认证、计量检定等三个领域，展现国内数字孪生技术应用现状及研究进展，并对数字孪生技术在检验检测认证行业的深度运用和发展进行展望，以期为检验检测认证数字化发展探索更多思路。

关键词：数字孪生，检验检测认证，数字化

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.20.026

0 引 言

检验检测、认证认可、标准、计量共同组成了国际公认的国家质量基础设施（NQI），其中检验检测认证控制质量并建立质量信任，是服务经济社会高质量发展的重要抓手。检验检测认证（TIC）服务兼顾市场化和国际化的特点，一方面，其服务涵盖产品设计、研发、生产、制造、销售、消费、回收等全生命周期的各个环节，是保障产品质量的重要技术支撑；另一方面检验检测认证在国际贸易中传递质量信任，因此检验检测认证也被称为是质量管理的“体检证”、市场经济的“信用证”、国际贸易的“通行证”[1]。检验检测认证行业服务范围已涵盖国民经济各个行业，随着行业政策不断开放及高质量发展背景下市场需求的扩大，我国检验检测认证行业规模持续增长。2023年，我国检验检测认证服务业市场规模达到4929.06亿元，机构数量突破5.3万家。

“十四五”规划纲要中将“加快数字化发展 建设数字中国”单篇列出，对经济社会的数字化转型做出了顶层设计，纲要指出要“深入推进服务业数字化转型”。检验检测认证行业是以数据生产为主要内容的服务业，检验检测认证行业的数字化、网络化、智能化变革既是实现行业自身发展的重要途径，也是促进质量变革、实现经济社会高质量发展的必由之路。检验检测认证行业要充分结合行业特点，抢抓数字化转型机遇，从而实现跨越式发展。

数字孪生（Digital Twin）是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据，实时数据以及算法模型，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段[2]。数字孪生技术具有数据融合、精确映射、分析智慧等特点。随着云计算、物联网、大数据等新一代信息技术和人工智能技术的发展，数字孪生技术开始探索运用于工程建设、产品设计、工艺优化、生产管理、质量管理等生产全生命周期的各阶段、各领域。其中，基于数字孪bbdfoBlgNG5N+BOo3Nfq+Q==生技术的检验检测认证数字化，是推动实现检验检测认证行业数字化转型、促进检验检测认证数字化发展的重要抓手。本文将从检验检测、认证、计量检定三个领域，展现其应用现状及研究进展，以期为检验检测认证数字化发展探索更多思路。

1 检验检测领域的数字孪生应用

发展高效高质量、高精度高可靠、低能耗低消耗的检验检测技术一直都是工业界和学术界的研究热点。数字孪生驱动的检验检测模式是在虚拟空间中构建高保真度的测试系统，借助测试数据实时传输、测试指令传输执行技术，在历史数据和实时数据的驱动下，实现物理被测对象和虚拟被测对象的高逼真度仿真与交互，从而准确、直观、全面地反映被测对象的质量状态。

1.1 市政安全监测

市政领域公路、桥梁、管网安全隐患管理与人民群众的生产生活密切相关。公路、桥梁及管网的安全监测占用大量人力，效率较低。传统的监测方式对数据的应用也较弱，维护的指导性滞后。近年来随着新一代信息技术发展，数字孪生技术在市政安全监测领域得到了广泛应用。孟楠等[3]围绕城市管网运行维护及升级改造需求，通过数字孪生技术汇聚时空和业务数据，模拟仿真管网巡查养护和建设管理。崔鑫等[4]基于视频融合的数字孪生技术对桥梁裂缝进行监控从而对桥梁的结构状态进行综合评估。陈利红等[5]基于数字孪生技术构建公路桥梁智慧运营平台，赋能公路桥梁的管养建设。张超[6]等提出了一种进接工程的数字孪生试验方法克服了传统技术保真性的问题。

1.2 特种设备检测

特种设备是涉及生命安全、危险性较大的设备和设施，特种设备一般进行周期性的检测检定，检定间隔周期较长，不规范的使用或操作可能造成畸形的设备损伤，存在一定的安全风险。应用数字孪生技术构建持续的监测平台对特种设备进行仿真分析、检测和预测，可以及时掌握设备状态，保障特种设备的安全使用。张越宏等[7]搭建电梯安全评估数字孪生实验平台，可为电梯安全评估提供理论依据、技术路线及数据支持。韩鹏飞等[8]、徐威等[9]应用数字孪生技术对压力容器进行智慧管理。毛雨晗等[10]探索了数字孪生在起重机械监督检验管理大大提升了全生命周期的监管效能。

1.3 检验检测实验室管理

检验检测实验室的运行和管理应遵循良好的规范。实验室的管理涵盖人机料法环等多个要素，通过智能化、信息化手段可有效提升检测能力水平和质量管理水平，实现实验室的高效运行。某航天研究所试验检测中心围绕实验室仪器设备为开发对象，运用数字孪生技术开发管理系统，实现数字孪生的双向数据交互，有效改善了实验室的人机交互性能[11]。潘寿虎等[12]模拟开发数字化计量检定系统，有利于增强计量检定工作的测量能力，加强了数据保存和溯源，提升检定效率和准确率，为后续数字孪生系统开发奠定了一定基础。

1.4 生产过程中在线质量控制与管理

智慧工厂是现代工厂信息化、数字化发展的新阶段，可以实现生产过程优化和智能化管理，提升生产效率和产品质量。其中，在生产线上部署各类检测传感器实现在线检测对于保持产品质量、减少返工起到重要作用。利用数字孪生技术，对生产过程中各环节建立模型，有效整合生产线上的各类设备和传感器，实现数据及时响应和互通，提升生产过程的质量控制和管理。金寿松等[13]提出一种基于数字孪生的产品质量管理方法并构建了产品质量数字孪生模型，提升了产品质量管理的智能化、实时化和可视化水平。

2 认证领域的数字孪生应用

《“十四五”认证认可检验检测发展规划》中提出创新数字化认证模式及其关键技术的研究与应用，建立健全质量认证领域数字化评价规则和技术规范，推广数字证书。数字孪生技术可以实现产品生产及管理服务的全流程数字化复制，为认证服务提供可靠的、全面的数据支撑，特别是针对综合性、复杂性的认证工作，数字孪生技术可以带来较高的工作效率和全周期持续性的认证服务。

2.1 碳中和认证

在中国提出“3060双碳”战略目标背景下，检验检测认证行业立足行业背景和市场资源，探索实施了一系列的“双碳”技术服务。在中国国际进口博览会上，TÜV莱茵发布了行业内首个“碳排放智能仿真运算模型”，利用数字孪生等数字化技术开展碳中和认证。该模型从研发阶段就介入产品设计，通过数据运算、建模分析企业生产过程中的碳排放，及时调整修正实现产品的高效研发，提高产品出口海外市场的效率。“碳排放智能仿真运算模型”可以实现现实与虚拟世界的碳排放数据互通，有助于企业快速地获得“碳中和”的相关认证。目前，该技术已在汽车、化工、光伏、电子电气、地产、电池、建材等行业提供整个生命周期的耗能和碳排放数据收集、建模量化指标以及评估服务[14]。

2.2 高品质畜牧产品认证

消费升级加速了畜牧业品牌化发展。2021年，中国质量认证中心与中国畜牧业协会联合启动了“基于数字化技术的高品质畜产品认证”的相关研究[15]。该研究聚焦高品质畜产品生产，采用全产业链数字化技术，形成全链条的高品质畜产品养殖、生产信息追溯，对于确保畜产品食品安全以及品牌提升起到重要的促进作用。通过数字化技术搭建全流程的畜产品、农产品的可追溯质量管理平台，利用数字孪生技术与真实世界一一对应，加速高品质畜产品、农产品的品牌化认证，可有效地促进畜产品、农产品的高质量发展。

3 计量检定领域的数字孪生应用

“十四五”规划纲要中指出要加快构建国家现代先进测量体系，为引领科学技术进步、促进经济社会高质量发展提供强有力的计量基础支撑和保障。运用数字孪生技术，数字化模拟设备计量，可预测、优化设备状态，提高生产能力，从而提升企业的效率和竞争力。

3.1 三维扫描测量

计量检定领域应用数字孪生技术最早、最典型的是三维扫描测量技术。待测物体通过三维扫描系统的成像、测量、处理步骤得到数字孪生的数据模型。对于投入使用的产品也可以通过生成的数字孪生模型，对产品运行状态进行比对和追踪，为后续设计创新和工艺优化提供数据支撑[16]。赵浩然等[17]应用数字孪生完善优化三维扫描测量技术，数字化模拟测量研究提供了有益经验。

3.2 电力计量检定

国家电网系统中，省级计量中心在电能计量器具检定中发挥重要作用。省级计量中心的核心是建设计量设备的自动化检定系统以及智能化仓储系统（简称“四线一库”）。针对电力计量“四线一库”检定流水线故障处理时间长、巡检工作量大的问题，王浩等[18]利用数字孪生技术与设备状态预测技术相结合，实现“四线一库”电力计量检定流水线全自动无人值守与精益化运维，有效降低了巡检及处理故障时间，提升了计量检定流水线的工作效率。

3.3 天然气计量检定

国家石油天然气管网在全国设立多个计量检定点，产生大量的计量检定数据。天然气计量检定过程中，对于检定环境条件以及操作人员水平要求较高，存在精准控制难度大、耗时长、易误操作等问题。郑宏伟等[19]将物联网、数字孪生、人工智能等技术引入天然气计量检定，研发了适用于多气源工况条件下的计量检定系统，实现了多系统数据与指令互联、实时交互。

4 建 议

受限于数字孪生技术的发展阶段，目前，该技术在检验检测认证领域的应用还多处于探索期和浅层应用。如何推进数字孪生技术与检验检测认证服务的融合应用，加快检验检测认证行业的数字化转型，提出以下几点建议。

4.1 加强数字化基础设施建设

检验检测认证行业是基于数据的生产性服务行业，它的产品就是基于数据而生成的报告，检验检测认证行业与数字孪生技术的融合应用具有显著的优势。作为支撑数字孪生技术的基石，物联网、云计算、大数据等数字基础设施建设尤为重要。目前，政府以及行业企业建立了大量的信息数字化平台和研发中心，但检验检测认证领域的数字基础设施建设有待完善，应坚持集中统筹以及适用渐进提升的原则，结合行业特点进行开发和建设，为检验检测认证行业数字化发展提供创新支撑。在增强基础建设同时，还应加强做好数据安全、隐私保护等工作。

4.2 推进数字孪生技术标准化发展

数字孪生技术在检验检测认证领域进行了场景应用，推动了检验检测认证行业的数字化进步。数字孪生软件或平台作为产品出现时，对其标准制定、检验检测和认证工作应逐步加强。一方面规范化的检测认证保障数字孪生产品的质量；另一方面一致性的评价体系数字孪生产品全生命周期及同一链条下不同类的数字孪生产品实现交互，实现数字孪生产品的统一开发和应用。北京中建协认证中心进行了建筑工程数字孪生产品认证标准和方法的研究，填补了国内空白[20]。

4.3 降低数字孪生技术应用成本

数字孪生技术需要使用大量的传感器来获取数据，需要精密的算法处理分析数据，在检验检测使用场景中，还需要对现有的检测检测设备进行定向改造以满足数字孪生的技术需要，这些都造成技术应用的成本较高，阻碍了技术的广泛应用。一方面通过技术革新，运用AI技术、大模型等技术手段，降低数字孪生软产品的开发成本；另一方面推进数字孪生硬件的通用性、模块化、小型化设计和生产，降低硬件投入成本，使数字孪生技术能够应用到检验检测认证服务的更多领域。

4.4 加强融合性技术人才教育培养

检验检测认证行业数字化转型发展是时代和产业发展的必然，数字孪生技术应用到检验检测认证行业，在数字孪生产品开发和应用中，都需要数字化人才和检验检测认证行业人才的紧密配合，特别是应用阶段，大量数据的产生、收集、整理和分析需要专业技术人才。目前，检验检测认证行业内从业人员对数字化技术的应用多停留在lims系统的流程管理、数据录入和报告生成层次，能够熟练应用数字孪生技术的人才有限，极大阻碍了技术的深度应用。数字孪生产品生产企业、检验检测认证行业协会学会等应加强数字孪生技术的应用教育和培训，培养融合性、创新性、应用性技术人才，推进数字孪生技术在检验检测认证行业领域纵深应用和发展。

4.5 推进数字孪生技术在实时检测领域的应用和发展

数字孪生技术以数据为驱动，实现数字模型与物理世界的实时交互。数字孪生实时交互的特点应用于检验检测领域，最突出、最有价值的是生产过程中的在线产品检验检测以及生产设备的在线计量，同时检验检测和计量也是制造业数字孪生技术应用的重要工具和重要环节，在线计量设备实现生产过程的无人数字测量，保障仪器设备运性的准确性；在线检验检测技术能够实现产品在全生产过程中的质量数据汇集整理，并应用于实际生产工况分析，保证和验证实物产品的质量。通过开发在线视觉检测、无损探测及三维测量等在线检验检测设备，整合设备仪表数字模型、检定校准数据及实时生产检测数据，实现在线高效检测及设备运行状态维护。

5 结 语

数字孪生作为推动检验检测认证行业数字化转型的重要技术之一，在检验检测、认证、计量检定等领域进行了一定的应用和研究，较好地提升检验检测认证服务效率和水平。同时可以看到技术应用还多处于探索期和浅层应用，且因技术成本较高，应用领域多集中于大型工程项目。未来数字孪生技术与检验检测认证服务的融合应用充满机遇和挑战，通过数字化基础设施建设、标准化赋能、降低技术应用成本及推进技术在实时检测领域的应用等措施，数字孪生技术有望进一步在检验检测认证行业得到广泛应用，推动行业的数字化转型和高质量发展。

参考文献

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作者简介

郭坤，通信作者，硕士研究生，工程师，研究方向为食品安全，检验检测和质量管理。

（责任编辑：袁文静）