來源：先進制造業(yè)

作者:北京航空航天大學(xué)，自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，數(shù)字孿生研究組

本文對以下十個問題進行了深入分析與思考，以期拋磚引玉，為研究者更好理解數(shù)字孿生，為決策者理性和正確對待數(shù)字孿生，為實踐者更好落地應(yīng)用數(shù)字孿生提供參考。

① 何為數(shù)字孿生？

② 誰在關(guān)注數(shù)字孿生？

③ 數(shù)字孿生：中、美、德，誰更熱？

④ 數(shù)字孿生與智能制造的關(guān)系是什么？

⑤ 數(shù)字孿生能否與新一代信息技術(shù)（New IT）融合？

⑥ 數(shù)字孿生是否存在科學(xué)問題？

⑦ 數(shù)字孿生何用？

⑧ 數(shù)字孿生適用準則是什么？

⑨ 數(shù)字孿生是否需要標準？

⑩ 數(shù)字孿生是否需要商業(yè)化工具/平臺？

01 看點

何為數(shù)字孿生？

當(dāng)前越來越多的學(xué)者和企業(yè)關(guān)注數(shù)字孿生并開展研究與實踐，但從不同的角度出發(fā)，對數(shù)字孿生的理解存在著不同的認識。本節(jié)從不同維度出發(fā)，對數(shù)字孿生的當(dāng)前認識進行總結(jié)與分析后，嘗試對數(shù)字孿生的理想特征進行探討，以供參考。

（1）模型維度 一類觀點認為數(shù)字孿生是三維模型、是物理實體的 copy，或是虛擬樣機。這些認識從模型需求與功能的角度，重點關(guān)注了數(shù)字孿生的模型維度。綜合現(xiàn)有文獻分析，理想的數(shù)字孿生模型涉及幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型等多維多時空多尺度模型，且期望數(shù)字孿生模型具有高保真、高可靠、高精度的特征，進而能真實刻畫物

理世界。此外，有別于傳統(tǒng)模型，數(shù)字孿生模型還強調(diào)虛實之間的交互，能實時更新與動態(tài)演化，從而實現(xiàn)對物理世界的動態(tài)真實映射。

（2）數(shù)據(jù)維度 Grieves 教授曾在美國密歇根大學(xué)產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）課程中提出了與數(shù)字孿生相關(guān)的概念，因而有一種觀點認為數(shù)字孿生就是 PLM。與此類似，還有觀點認為數(shù)字孿生是數(shù)據(jù)/大數(shù)據(jù)，是 Digital Shadow，或是 DigitalThread。這些認識側(cè)重了數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、數(shù)據(jù)集成與融合等方面的價值。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動力，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)不僅包括貫穿產(chǎn)品全生命周期的全要素/全流程/全業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，還強調(diào)數(shù)據(jù)的融合，如信息物理虛實融合、多源異構(gòu)融合等。此外，數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)維度還應(yīng)具備實時動態(tài)更新、實時交互、及時響應(yīng)等特征。

（3）連接維度 一類觀點認為數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)平臺或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，這些觀點側(cè)重從物理世界到虛擬世界的感知接入、可靠傳輸、智能服務(wù)。從滿足信息物理全面連接映射與實時交互的角度和需求出發(fā)，理想的數(shù)字孿生不僅要支持跨接口、跨協(xié)議、跨平臺的互聯(lián)互通，還強調(diào)數(shù)字孿生不同維度（物理實體、虛擬實體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)/應(yīng)用）間的雙向連接、雙向交互、雙向驅(qū)動，且強調(diào)實時性，從而形成信息物理閉環(huán)系統(tǒng)。

（4）服務(wù)/功能維度 一類觀點認為數(shù)字孿生是仿真，是虛擬驗證，或是可視化，這類認識主要是從功能需求的角度，對數(shù)字孿生可支持的部分功能/服務(wù)進行了解讀。目前，數(shù)字孿生已在不同行業(yè)不同領(lǐng)域得到應(yīng)用，基于模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動，數(shù)字孿生不僅在仿真、虛擬驗證和可視化等方面體現(xiàn)其應(yīng)用價值，還可針對不同的對象和需求，在產(chǎn)品設(shè)計、運行監(jiān)測、能耗優(yōu)化、智能管控、故障預(yù)測與診斷、設(shè)備健康管理、循環(huán)與再利用等方面提供相應(yīng)的功能與服務(wù)。由此可見，數(shù)字孿生的服務(wù)/功能呈現(xiàn)多元化。

（5）物理維度 一類觀點認為數(shù)字孿生僅是物理實體的數(shù)字化表達或虛體，其概念范疇不包括物理實體。實踐與應(yīng)用表明，物理實體對象是數(shù)字孿生的重要組成部分，數(shù)字孿生的模型、數(shù)據(jù)、功能/服務(wù)與物理實體對象是密不可分的。數(shù)字孿生模型因物理實體對象而異、數(shù)據(jù)因物理實體特征而異、功能/服務(wù)因物理實體需求而異。此外，信息物理交互是數(shù)字孿生區(qū)別于其他概念的重要特征之一，若數(shù)字孿生概念范疇不包括物理實體，則交互缺乏對象。

綜上所述，當(dāng)前對數(shù)字孿生存在多種不同認識和理解，目前尚未形成統(tǒng)一共識的定義，但物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接、服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素。不同階段（如產(chǎn)品的不同階段）的數(shù)字孿生呈現(xiàn)出不同的特點，對數(shù)字孿生的認識與實踐離不開具體對象、具體應(yīng)用與具體需求。從應(yīng)用和解決實際需求的角度出發(fā)，實際應(yīng)用過程中不一定要求所建立的“數(shù)字孿生”具備所有理想特征，能滿足用戶的具體需要即可。

表1 數(shù)字孿生理想特征

02 看點

誰在關(guān)注數(shù)字孿生？

當(dāng)前全球 50 多個國家、1000 多個研究機構(gòu)、上千名專家學(xué)者開展了數(shù)字孿生的相關(guān)研究并有研究成果發(fā)表。包括：

①德國、美國、中國、英國、瑞典、意大利、韓國、法國、俄羅斯等科技相對發(fā)達的國家；

②德國亞琛工業(yè)大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、瑞典皇家理工學(xué)院、清華大學(xué)等各國一流大學(xué)；

③西門子、PTC、德國戴姆勒、ABB、GE、達索、空客等國際著名一流企業(yè)；

④美國 NASA、美國空軍研究實驗室、法國國家科學(xué)研究中心、俄羅斯科學(xué)院等世界頂尖國家級研究機構(gòu)；

⑤具有智能制造、航空航天、醫(yī)療健康、城市管理等各研究背景的專家學(xué)者。

當(dāng)前數(shù)字孿生已得到了十多個行業(yè)關(guān)注并開展了應(yīng)用實踐。除在制造領(lǐng)域被關(guān)注和應(yīng)用外，近年來數(shù)字孿生還被應(yīng)用于電力、醫(yī)療健康、城市管理、鐵路運輸、環(huán)境保護、汽車、船舶、建筑等領(lǐng)域，并展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

綜上所述，數(shù)字孿生已廣泛被全球各行業(yè)、各背景、各層次的專家、學(xué)者和企業(yè)研究與應(yīng)用，目前數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域開展了較多的應(yīng)用探索和落地實踐，但在航空航天、電力、汽車、智慧城市、健康醫(yī)療等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。

圖1 數(shù)字孿生應(yīng)用領(lǐng)域

03 看點

數(shù)字孿生：中、美、德，誰更熱？

當(dāng)前數(shù)字孿生在國內(nèi)非常熱，各相關(guān)會議幾乎都有數(shù)字孿生的交流和報道，導(dǎo)致存在數(shù)字孿生在中國關(guān)注多，而國際上關(guān)注少的感覺。本文試圖從數(shù)字孿生研究現(xiàn)狀定量方面來剖析，分析數(shù)字孿生的國際研究現(xiàn)狀，以供國內(nèi)同行和感興趣的專家學(xué)者參考。如圖所示，德國、美國和中國在數(shù)字孿生論文發(fā)表數(shù)量上，近 3 年均處于前三名。從時間維度分析，中、美、德 3 國數(shù)字孿生研究可以分為以下 3 個階段：

（1） 2016 年前，美國引領(lǐng) 數(shù)字孿生的概念誕生于美國，美國也是最早開展數(shù)字孿生研究與應(yīng)用的國家，2011~2016 年美國單年論文發(fā)表總數(shù)位居第一，2016 年以前累計發(fā)表總數(shù)位居世界第一。早期，以 NASA、美國空軍研究實驗室等為代表的研究機構(gòu)主要將數(shù)字孿生應(yīng)用于航空航天的健康監(jiān)測、運行維護、壽命預(yù)測等方面。近年佐治亞理工學(xué)院、國家標準技術(shù)研究所、賓夕法尼亞州立大學(xué)等研究機構(gòu)在智能工廠、智慧城市、3D 打印等方面開展了應(yīng)用探索。截止到 2019 年 12 月 31 日，美國累計發(fā)表數(shù)字孿生文章總數(shù)位居世界第二。

（2）2017-2018 年，德國反超 工業(yè) 4.0 是一個發(fā)展方向或戰(zhàn)略，德國提出工業(yè) 4.0 后，一直在論證和尋求能讓工業(yè) 4.0 落地的使能技術(shù)。數(shù)字孿生相對其他概念更易落地工程實施，正好契合德國工業(yè) 4.0 需求。工業(yè) 4.0 主要提出單位之一德國弗勞恩霍夫研究院的 Sauer 指出數(shù)字孿生是工業(yè) 4.0 的關(guān)鍵技術(shù)。以西門子、亞琛工業(yè)大學(xué)為代表的工業(yè) 4.0 主推和實施機構(gòu)，開展了大量數(shù)字孿生研究與實踐，發(fā)表了大量數(shù)字孿生文章,其中，亞琛工業(yè)大學(xué)發(fā)文數(shù)量位列世界第一，西門子位列第三。2017-2019 年德國單年發(fā)表的數(shù)字孿生文章總量位居世界第一，截止到 2019 年 12 月 31 日累計發(fā)文總數(shù)已位居世界第一。

（3）2019 年，中國迎頭趕上 與美國、德國相比，數(shù)字孿生在中國的研究和受關(guān)注相對較晚。2017 年 1 月《計算機集成制造系統(tǒng)》期刊上發(fā)表的“數(shù)字孿生車間：一種未來車間運行新模式”論文，得到國內(nèi)學(xué)術(shù)界尤其是青年學(xué)者對數(shù)字孿生的關(guān)注，國內(nèi) 12 家高校于2017 年 7 月共同發(fā)起并在北航召開“第一屆數(shù)字孿生與智能制造服務(wù)學(xué)術(shù)會議”，大量高校學(xué)者開始關(guān)注數(shù)字孿生在制造中的研究與應(yīng)用。

會后來自 15 個單位的 22 位作者于 2018 年 1 月共同在《計算機集成制造系統(tǒng)》期刊上發(fā)表了“數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索”的論，更多高校學(xué)者開始關(guān)注數(shù)字孿生。另一方面，隨著工信部“智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用”和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程”專項，科技部“網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造與智能工廠”等國家層面的專項實施，有力促進了數(shù)字孿生的發(fā)展。

此外，中國信息通信研究院、中國電子技術(shù)標準化研究院、賽迪信息產(chǎn)業(yè)（集團）有限公司、e-works 數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)、走向智能研究院、安世亞太科技股份有限公司、上海優(yōu)也信息科技有限公司、工業(yè) 4.0研究院等單位及其專家在數(shù)字孿生的概念、技術(shù)、標準、應(yīng)用實踐等方面開展了大量工作，為數(shù)字孿生在中國的推廣與發(fā)展起到了重要作用。

各方因素促使了數(shù)字孿生在中國的快速發(fā)展，使 2019 年中國單年發(fā)表的數(shù)字孿生文章總量高達 108 篇位居世界第二。截止到 2019年 12 月 31 日，中國累計發(fā)表數(shù)字孿生文章總數(shù)位居世界第三。其中，2019 年《計算機集成制造系統(tǒng)》上發(fā)表的數(shù)字孿生 30 篇，對數(shù)字孿生研究與發(fā)展起到了重要作用。

04 看點

數(shù)字孿生與智能制造的關(guān)系是什么？

從各國的先進制造業(yè)國家發(fā)展戰(zhàn)略演變角度來看，無論是美國從“去工業(yè)化”到“再工業(yè)化”，到“以軟帶硬”的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略，再到美國國家先進制造戰(zhàn)略計劃；德國從機械化、電氣化、信息化，到“以硬帶軟”的“工業(yè) 4.0”的制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略；還是中國從“信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進信息化”，到兩化融合和兩化深度融合，再到“中國制造 2025”的“融合演進”的制造強國發(fā)展戰(zhàn)略，都期望通過信息物理融合來實現(xiàn)智能制造。

綜上可知，智能制造是當(dāng)前世界制造業(yè)的共同發(fā)展趨勢。而如何實現(xiàn)制造信息世界和物理世界的互聯(lián)互通與集成共融，是邁向智能制造的瓶頸之一。

數(shù)字孿生是實現(xiàn)信息物理融合的有效手段。一方面，數(shù)字孿生能夠支持制造的物理世界與信息世界之間的虛實映射與雙向交互，從而形成“數(shù)據(jù)感知-實時分析-智能決策-精準執(zhí)行”實時智能閉環(huán)；

另一方面，數(shù)字孿生能夠?qū)⑦\行狀態(tài)、環(huán)境變化、突發(fā)擾動等物理實況數(shù)據(jù)與仿真預(yù)測、統(tǒng)計分析、領(lǐng)域知識等信息空間數(shù)據(jù)進行全面交互與深度融合，從而增強制造的物理世界與信息世界的同步性與一致性。

由表文獻關(guān)鍵詞和發(fā)表機構(gòu)/作者統(tǒng)計分析可知，當(dāng)前發(fā)表的所有數(shù)字孿生研究成果中：

①數(shù)字孿生與工業(yè) 4.0、CPS、智能裝備/工廠/服務(wù)等相結(jié)合的論文最多，占當(dāng)前所發(fā)表數(shù)字孿生論文總數(shù)的一半以上；

②美國、中國、德國發(fā)表數(shù)字孿生論文數(shù)全球最多，論文主要來自各國智能制造相關(guān)領(lǐng)域的高校與科研院所；

③在工業(yè)界，西門子、戴姆勒、ABB 等踐行智能制造理念的企業(yè)發(fā)文量最多。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果表明，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都將數(shù)字孿生作為踐行智能制造的關(guān)鍵使能技術(shù)之一。

綜上所述，智能制造是當(dāng)前世界各國制造業(yè)的共同發(fā)展趨勢，數(shù)字孿生是智能制造使能技術(shù)之一。

05 看點

數(shù)字孿生能與 NewIT 融合？

如圖2所示，從數(shù)字孿生五維模型的角度出發(fā)， NewIT 對數(shù)字孿生的實現(xiàn)和落地應(yīng)用起到重要的支撐作用，具體分析如下。

圖2 數(shù)字孿生五維模型與 New IT 的關(guān)系

（1）數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng) 對物理世界的全面感知是實現(xiàn)數(shù)字孿生的重要基礎(chǔ)和前提，物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別、二維碼、傳感器等數(shù)據(jù)采集方式為物理世界的整體感知提供了技術(shù)支持。此外，物聯(lián)網(wǎng)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)為孿生數(shù)據(jù)的實時、可靠、高效傳輸提供了幫助。

（2）數(shù)字孿生與 3R（AR, VR, MR）虛擬模型是數(shù)字孿生的核心部分，為物理實體提供多維度、多時空尺度的高保真數(shù)字化映射。實現(xiàn)可視化與虛實融合是使虛擬模型真實呈現(xiàn)物理實體以及增強物理實體功能的關(guān)鍵。VR/AR/MR 技術(shù)為此提供支持：VR 技術(shù)利用計算機圖形學(xué)、細節(jié)渲染、動態(tài)環(huán)境建模等實現(xiàn)虛擬模型對物理實體屬性、行為、規(guī)則等方面層次細節(jié)的可視化動態(tài)逼真顯示；AR 與 MR 技術(shù)利用實時數(shù)據(jù)采集，場景捕捉，實時跟蹤及注冊等實現(xiàn)虛擬模型與物理實體在時空上的同步與融合，通過虛擬模型補充增強物理實體在檢測、驗證及引導(dǎo)等方面的功能。

（3）數(shù)字孿生與邊緣計算 邊緣計算技術(shù)可將部分從物理世界采集到的數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進行實時過濾、規(guī)約與處理，從而實現(xiàn)了用戶本地的即時決策、快速響應(yīng)與及時執(zhí)行。結(jié)合云計算技術(shù)，復(fù)雜的孿生數(shù)據(jù)可被傳送到云端進行進一步的處理，從而實現(xiàn)了針對不同需求的云-邊數(shù)據(jù)協(xié)同處理，進而提高數(shù)據(jù)處理效率、減少云端數(shù)據(jù)負荷、降低數(shù)據(jù)傳輸時延，為數(shù)字孿生的實時性提供保障。

（4）數(shù)字孿生與云計算 數(shù)字孿生的規(guī)模彈性很大，單元級數(shù)字孿生可能在本地服務(wù)器即可滿足計算與運行需求，而系統(tǒng)級和復(fù)雜系統(tǒng)級數(shù)字孿生則需要更大的計算與存儲能力。云計算按需使用與分布式共享的模式可使數(shù)字孿生使用龐大的云計算資源與數(shù)據(jù)中心，從而動態(tài)地滿足數(shù)字孿生的不同計算、存儲與運行需求。

（5）數(shù)字孿生與 5G 虛擬模型的精準映射與物理實體的快速反饋控制是實現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵。虛擬模型的精準程度、物理實體的快速反饋控制能力、海量物理設(shè)備的互聯(lián)對數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)傳輸容量、傳輸速率、傳輸響應(yīng)時間提出了更高的要求。5G 通信技術(shù)具有高速率、大容量、低時延、高可靠的特點，能夠契合數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)傳輸要求，滿足虛擬模型與物理實體的海量數(shù)據(jù)低延遲傳輸、大量設(shè)備的互通互聯(lián)，從而更好的推進數(shù)字孿生的應(yīng)用落地。

（6）數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù) 數(shù)字孿生中的孿生數(shù)據(jù)集成了物理感知數(shù)據(jù)、模型生成數(shù)據(jù)、虛實融合數(shù)據(jù)等高速產(chǎn)生的多來源、多種類、多結(jié)構(gòu)的全要素/全業(yè)務(wù)/全流程的海量數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)能夠從數(shù)字孿生高速產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中提取更多有價值的信息，以解釋和預(yù)測現(xiàn)實事件的結(jié)果和過程。

（7）數(shù)字孿生與區(qū)塊鏈 區(qū)塊鏈可對數(shù)字孿生的安全性提供可靠保證，可確保孿生數(shù)據(jù)不可篡改、全程留痕、可跟蹤、可追溯等。獨立性、不可變和安全性的區(qū)塊鏈技術(shù)，可防止數(shù)字孿生被篡改而出現(xiàn)錯誤和偏差，以保持數(shù)字孿生的安全，從而鼓勵更好的創(chuàng)新。此外，通過區(qū)塊鏈建立起的信任機制可以確保服務(wù)交易的安全，從而讓用戶安心使用數(shù)字孿生提供的各種服務(wù)。

（8）數(shù)字孿生與人工智能（AI）數(shù)字孿生憑借其準確、可靠、高保真的虛擬模型，多源、海量、可信的孿生數(shù)據(jù)，以及實時動態(tài)的虛實交互為用戶提供了仿真模擬、診斷預(yù)測、可視監(jiān)控、優(yōu)化控制等應(yīng)用服務(wù)。AI 通過智能匹配最佳算法，可在無需數(shù)據(jù)專家的參與下，自動執(zhí)行數(shù)據(jù)準備、分析、融合對孿生數(shù)據(jù)進行深度知識挖掘，從而生成各類型服務(wù)。數(shù)字孿生有了 AI 的加持，可大幅提升數(shù)據(jù)的價值以及各項服務(wù)的響應(yīng)能力和服務(wù)準確性。

綜上所述，數(shù)字孿生的實現(xiàn)和落地應(yīng)用離不開 New IT 的支持，只有與 New IT 的深度融合數(shù)字孿生才能實現(xiàn)物理實體的真實全面感知、多維多尺度模型的精準構(gòu)建、全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的深度融合、智能化/人性化/個性化服務(wù)的按需使用以及全面/動態(tài)/實時的交互。

06 看點

數(shù)字孿生是否存在科學(xué)問題？

數(shù)字孿生在制造和相關(guān)領(lǐng)域的實踐應(yīng)用過程中，存在著系列科學(xué)問題和難點。圍繞數(shù)字孿生五維模型：

①在物理實體維度，如何實現(xiàn)多源異構(gòu)物理實體的智能感知與互聯(lián)互通，實時獲取物理實體對象多維度數(shù)據(jù)，從而深入認識和發(fā)掘相關(guān)規(guī)律和現(xiàn)象，實現(xiàn)物理實體的可靠控制與精準執(zhí)行；

②在虛擬模型維度，如何構(gòu)建動態(tài)多維多時空尺度高保真模型，如何保證和驗證模型與物理實體的一致性/真實性/有效性/可靠性，如何實現(xiàn)多源多學(xué)科多維模型的組裝與集成等；

③在孿生數(shù)據(jù)維度，如何實現(xiàn)海量大數(shù)據(jù)和異常小數(shù)據(jù)的變頻采集，如何實現(xiàn)全要素/全業(yè)務(wù)/全流程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效傳輸，如何實現(xiàn)信息物理數(shù)據(jù)的深度融合與綜合處理，如何實現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)與物理實體、虛擬模型、服務(wù)/應(yīng)用的精準映射與實時交互等；

④在連接與交互維度，如何實現(xiàn)跨協(xié)議/跨接口/跨平臺的實時交互，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)-模型-應(yīng)用的迭代交互與動態(tài)演化等；

⑤在服務(wù)/應(yīng)用維度，如何基于多維模型和孿生數(shù)據(jù)，提供滿足不同領(lǐng)域、不同層次用戶、不同業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的服務(wù)，并實現(xiàn)服務(wù)按需使用的增值增效等。

上述科學(xué)問題是當(dāng)前數(shù)字孿生研究與落地應(yīng)用亟待解決的系列難題。此外，在數(shù)字孿生商業(yè)化過程中，如商業(yè)化平臺和工具研發(fā)，商業(yè)模式推廣應(yīng)用等方面，也存在一些難題有待研究和解決。

07 看點

數(shù)字孿生何用？

數(shù)字孿生以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構(gòu)建了與物理世界一致的高保真模型，通過與物理世界間不間斷的閉環(huán)信息交互反饋與數(shù)據(jù)融合，能夠模擬對象在物理世界中的行為，監(jiān)控物理世界的變化，反映物理世界的運行狀況，評估物理世界的狀態(tài)，診斷發(fā)生的問題，預(yù)測未來趨勢，乃至優(yōu)化和改變物理世界。

數(shù)字孿生能夠突破許多物理條件的限制，通過數(shù)據(jù)和模型雙驅(qū)動的仿真、預(yù)測、監(jiān)控、優(yōu)化和控制，實現(xiàn)服務(wù)的持續(xù)創(chuàng)新、需求的即時響應(yīng)和產(chǎn)業(yè)的升級優(yōu)化?；谀Ｐ?、數(shù)據(jù)和服務(wù)等各方面的優(yōu)勢，數(shù)字孿生正在成為提高質(zhì)量、增加效率、降低成本、減少損失、保障安全、節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)，同時數(shù)字孿生應(yīng)用場景正逐步延伸拓展到更多和更寬廣的領(lǐng)域。數(shù)字孿生具體功能、應(yīng)用場景及作用如表2所示。

表2 數(shù)字孿生功能與作用

08 看點

數(shù)字孿生適用準則是什么？

企業(yè)在應(yīng)用數(shù)字孿生前，面臨的首要決策問題是本企業(yè)是否需要用數(shù)字孿生？是否適用數(shù)字孿生？是否值得使用數(shù)字孿生？事實上，數(shù)字孿生并非適用于所有對象和企業(yè)。為輔助企業(yè)根據(jù)自身情況做出正確決策，本節(jié)嘗試從產(chǎn)品類型、復(fù)雜程度、運行環(huán)境、性能、經(jīng)濟與社會效益等不同維度總結(jié)數(shù)字孿生適用準則，如表3所示，以供參考。

表3 數(shù)字孿生適用準則

09 看點

數(shù)字孿生需要標準？

數(shù)字孿生在落地應(yīng)用過程中缺乏標準的指導(dǎo)與參考。筆者團隊與相關(guān)技術(shù)標準委員會及應(yīng)用企業(yè)前期共同探索建立了數(shù)字孿生標準體系框架，從數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性標準、關(guān)鍵技術(shù)

標準、工具/平臺標準、測評標準、安全標準、應(yīng)用標準 6 個方面對數(shù)字孿生標準體系進行了研究。但針對所建立的標準體系中各數(shù)字孿生具體標準內(nèi)容，仍需進一步的研究與制定。

此外，據(jù)報道，國際標準化組織自動化系統(tǒng)與集成技術(shù)委員會（ISO/TC184）正在開展數(shù)字孿生構(gòu)建原則、參考架構(gòu)、物理制造元素的數(shù)字表示、信息互換及數(shù)字孿生可視化元素等方面標準研究；IEEE 數(shù)字孿生標準工作（IEEEP2806）正在開展智能工廠物理實體的數(shù)字化表征與系統(tǒng)架構(gòu)等相關(guān)標準研究；ISO/IEC 信息技術(shù)標準化聯(lián)合技術(shù)委員會數(shù)字孿生咨詢組在數(shù)字孿生的術(shù)語、標準化需求、相關(guān)技術(shù)、參考模型等方面開展研究，但尚未有數(shù)字孿生具體標準發(fā)布。

綜上所述，數(shù)字孿生的發(fā)展與落地應(yīng)用需標準的指導(dǎo)與參考，數(shù)字孿生國際標準的制定是當(dāng)前各國關(guān)注的重點。

10 看點

數(shù)字孿生需要商業(yè)化工具與平臺？

隨著數(shù)字孿生應(yīng)用價值逐步顯現(xiàn)，越來越多的企業(yè)期望利用數(shù)字孿生來提高企業(yè)效率和改進產(chǎn)品質(zhì)量。而在實踐數(shù)字孿生過程中，“使用什么工具/平臺來構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)字孿生”是企業(yè)所面臨的問題。

據(jù)報道，已有相關(guān)商業(yè)工具和平臺可支持數(shù)字孿生構(gòu)建和應(yīng)用，如 MATLAB的 Simulink，ANSYS 的 TwinBuilder，微軟的 Azure，達索的 3D Experience等。

但從功能性的角度出發(fā)，這些工具和平臺大多側(cè)重某一或某些特定維度，當(dāng)前還缺乏考慮數(shù)字孿生綜合功能需求的商業(yè)化工具和平臺。另一方面，從開放性和兼容性的角度出發(fā)，相關(guān)使能工具/平臺主要針對自身產(chǎn)品形成封閉的軟件生態(tài)，不同工具和平臺間模型和數(shù)據(jù)交互與集成難、協(xié)作難，兼容性差，缺乏系統(tǒng)開放、兼容性強的數(shù)字孿生構(gòu)建工具和平臺。

此外，因掌握相關(guān)的具體數(shù)據(jù)、流程、工藝、原理等，產(chǎn)品研制者或提供者相對容易實現(xiàn)數(shù)字孿生的構(gòu)建，而第三方（如系統(tǒng)集成商、產(chǎn)品終端用戶、產(chǎn)品運營維護者等）在構(gòu)建數(shù)字孿生中存在諸多困難，導(dǎo)致數(shù)字孿生的構(gòu)建成為其應(yīng)用推廣的瓶頸之一。

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)品研發(fā)模式的演變，未來構(gòu)建數(shù)字孿生可能不再是困擾用戶的關(guān)鍵難題，如龍頭企業(yè)為提高自身產(chǎn)品的質(zhì)量與研發(fā)效率，未來會要求研制者或提供者在提供產(chǎn)品物理實體的同時，也必須提供相應(yīng)的數(shù)字孿生模型。未來如何基于不同用戶提供的數(shù)字孿生，針對復(fù)雜產(chǎn)品、復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜過程的數(shù)字孿生構(gòu)建需求，實現(xiàn)不同數(shù)字孿生的組裝與集成將成為一個新的難點，需要相關(guān)商業(yè)化的數(shù)字孿生集成工具與平臺支撐。

綜上分析，數(shù)字孿生的落地與推廣應(yīng)用需功能綜合、系統(tǒng)開放與兼容、集成性強的商業(yè)化工具和平臺的支持。此外，當(dāng)前還缺乏數(shù)字孿生評估與測試的商業(yè)化工具和平臺。

End 看點

結(jié)束語

任何一個新技術(shù)的提出及實踐推廣過程中，必然面臨諸多疑問。數(shù)字孿生也一樣，當(dāng)前針對數(shù)字孿生存在的疑問與困惑，遠不止本文提及和討論的 10 個。

限于篇幅，本文從數(shù)字孿生的認識和理解、研究和技術(shù)、應(yīng)用和實踐 3 個角度出發(fā)，結(jié)合數(shù)字孿生學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀統(tǒng)計分析結(jié)果，嘗試對數(shù)字孿生 10 個有關(guān)問題進行分析和討論。以期拋磚引玉，引發(fā)不同人士從不同維度、不同需求、不同領(lǐng)域?qū)?shù)字孿生相關(guān)問題進行思考和討論，共同正確認識和理性對待數(shù)字孿生。文章內(nèi)容難免有不妥當(dāng)之處，懇請國內(nèi)外專家和同行批評指正。

作者:北京航空航天大學(xué)，自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，數(shù)字孿生研究組

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