任何一個新技術的提出及實踐推廣過程中，必然面臨諸多疑問。如數字孿生，當前社會各界對其還存在一定的疑惑。本文將從數字孿生的認識和理解、研究和技術、應用和實踐等三個角度出發，結合數字孿生學術研究現狀統計分析結果，嘗試對數字孿生10個有關問題進行分析和討論。以期拋磚引玉，引發不同人士從不同維度、不同需求、不同領域對數字孿生相關問題進行思考和討論，共同正確認識和理性對待數字孿生。

01 何為數字孿生？

以下從不同的角度出發，闡釋了對數字孿生的不同理解和認識。

模型維度

從模型維度，數字孿生是三維模型、物理實體的復制，或是虛擬樣機。理想的數字孿生模型涉及幾何模型、物理模型、行為模型、規則模型等多維多時空多尺度模型，且應具有高保真、高可靠、高精度等特征，進而能真實刻畫物理世界。此外，有別于傳統模型，數字孿生模型還強調虛實之間交互，能實時更新與動態演化，從而實現對物理世界的動態真實映射。

數據維度

從數據維度，一種觀點認為，數字孿生是產品全生命周期管理PLM；另一種觀點認為，數字孿生是數據/大數據（Digital Shadow/Digital Thread）。這些認識側重于數字孿生在產品全生命周期數據管理、數據分析與挖掘、數據集成與融合等方面的價值。數據是數字孿生的核心驅動力，不僅包括貫穿產品全生命周期的全要素、全流程、全業務等相關數據，而且強調相關數據的融合，如信息物理虛實融合和多源異構融合等。此外，數字孿生在數據維度還應具備實時動態更新、實時交互、及時響應等特征。

連接維度

從連接維度，數字孿生指物聯網平臺或工業互聯網平臺，該類觀點側重從物理世界到虛擬世界的感知接入、可靠傳輸、智能服務。從滿足信息物理全面連接映射與實時交互的角度和需求來看，理想的數字孿生不僅要支持跨接口、跨協議、跨平臺的互聯互通，而且需要實現不同維度（物理實體、虛擬實體、孿生數據、服務/應用）間的雙向連接、雙向交互、雙向驅動，并且強調實時性，從而形成信息物理閉環系統。

服務/功能維度

從服務和功能維度，數字孿生要符合仿真、虛擬驗證、可視化。目前，數字孿生已在不同行業得到應用。基于模型和數據雙驅動，數字孿生不僅可在仿真、虛擬驗證和可視化等方面體現應用價值，還可針對不同的對象和需求，在產品設計、運行監測、能耗優化、智能管控、故障預測與診斷、設備健康管理、循環與再利用等方面提供相應的功能與服務。

物理維度

從物理維度，數字孿生是物理實體的數字化表達。實踐與應用表明，數字孿生的模型、數據、功能/服務與物理實體對象密不可分，具體來看，數字孿生模型因物理實體對象而異、數據因物理實體特征而異、功能/服務因物理實體需求而異。此外，信息物理交互是數字孿生區別于其他概念的重要特征之一，若數字孿生概念范疇不包括物理實體，則交互缺乏對象。

目前，對數字孿生存在多種不同認識和理解，尚未形成統一共識的定義，但物理實體、虛擬模型、數據、連接和服務等是數字孿生核心要素。不同階段（如產品的不同階段）的數字孿生會呈現出不同的特點，對數字孿生的認識與實踐離不開具體對象、具體應用與具體需求。

數字孿生理想特征

02 誰在關注數字孿生？

當前，全球50多個國家、1000多個研究機構、上千名專家學者開展了數字孿生的相關研究并有研究成果發表。具體可分為以下五個層面：

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達的國家。

2 德國亞琛工業大學、美國斯坦福大學、英國劍橋大學、瑞典皇家理工學院、清華大學等各國一流大學。

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。

4 美國NASA、美國空軍研究實驗室、法國國家科學研究中心、俄羅斯科學院等世界頂尖國家級研究機構。

5 具有智能制造、航空航天、醫療健康、城市管理等各研究背景的專家學者。

目前，數字孿生已得到十多個行業關注并開展了應用實踐。其不僅在制造領域被關注和應用，還被應用于電力、醫療健康、城市管理、鐵路運輸、環境保護、汽車、船舶、建筑等領域，并展現出巨大的應用潛力。

03 中、美、德如何對數字孿生進行研究？

近年來，數字孿生在德國、美國和中國在數字孿生論文發表數量均處于前三名。從時間維度分析，中國、美國和德國的數字孿生研究可以分為以下 3個階段：

1

截止至2019年12月31日，德國累計發文總數已位居世界第一。德國在提出工業4.0后，力求能讓工業4.0落地的使能技術。數字孿生相對其他概念更易落地實施，正契合德國工業4.0需求。德國弗勞恩霍夫研究院的Sauer表示，數字孿生是工業4.0的關鍵技術。以西門子、亞琛工業大學為代表的工業4.0主推和實施機構，開展了大量數字孿生研究與實踐，發表了大量數字孿生文章，其中，亞琛工業大學發文數量位列世界第一，西門子位列第三。

2

截止至2019年12月31日，美國累計發表數字孿生文章總數位居世界第二。美國是最早開展數字孿生研究與應用的國家，2011-2016年，美國單年論文發表總數位居第一，累計發表總數位居世界第一。早期，以NASA、美國空軍研究實驗室等為代表的研究機構主要將數字孿生應用于航空航天的健康監測、運行維護、壽命預測等方面。近年來，佐治亞理工學院、國家標準技術研究所、賓夕法尼亞州立大學等研究機構在智能工廠、智慧城市、3D打印等方面開展了應用探索。

3

截止至2019年12月31日，中國累計發表數字孿生文章總數位居世界第三。2017年1月，《計算機集成制造系統》期刊上發表的“數字孿生車間：一種未來車間運行新模式”論文，得到國內學術界尤其是青年學者對數字孿生的關注，國內12家高校于2017年7月共同發起并在北航召開“第一屆數字孿生與智能制造服務學術會議”，大量高校學者開始關注數字孿生在制造中的研究與應用。會后，2018年1月，來自15個單位的22位作者在《計算機集成制造系統》期刊上發表了“數字孿生及其應用探索”的論文，由此，更多高校學者開始關注數字孿生。

04 數字孿生與智能制造的關系是什么？

智能制造是當前世界制造業的共同發展趨勢。而如何實現制造信息世界和物理世界的互聯互通與集成共融，是邁向智能制造的瓶頸之一。數字孿生是實現信息物理融合的有效手段。

一方面，數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“數據感知-實時分析-智能決策-精準執行”實時智能閉環。

另一方面，數字孿生能夠將運行狀態、環境變化、突發擾動等物理實況數據與仿真預測、統計分析、領域知識等信息空間數據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。
以下為當前各領域發表的所有數字孿生研究成果：

1

數字孿生與工業4.0、CPS、智能裝備/工廠/服務等相結合的論文最多，占當前所發表數字孿生論文總數的一半以上。

2

美國、中國、德國發表數字孿生論文數全球最多，論文主要來自各國智能制造相關領域的高校與科研院所。

3

在工業界，西門子、戴姆勒、ABB等踐行智能制造理念的企業發文量最多。

相關統計結果表明，學術界和工業界都將數字孿生作為踐行智能制造的關鍵使能技術之一。

05 數字孿生能與新興信息技術融合？

從數字孿生五維模型的角度出發，新興信息技術對數字孿生的實現和落地應用起到重要支撐作用。

數字孿生五維模型與新興信息技術的關系

數字孿生與物聯網

對物理世界的全面感知是實現數字孿生的重要基礎和前提，物聯網通過射頻識別、二維碼、傳感器等數據采集方式為物理世界的整體感知提供技術支持。此外，物聯網通過有線或無線網絡為數據孿生實時、可靠、高效傳輸等方面提供了幫助。

數字孿生與3R（AR、VR、MR）

虛擬模型是數字孿生的核心部分，為物理實體提供多維度、多時空尺度的高保真數字化映射。實現可視化與虛實融合是使虛擬模型真實呈現物理實體以及增強物理實體功能的關鍵。3R技術為此提供支持：VR技術利用計算機圖形學、細節渲染、動態環境建模等實現虛擬模型對物理實體屬性、行為、規則等方面層次細節的可視化動態逼真顯示；AR與MR技術利用實時數據采集、場景捕捉、實時跟蹤及注冊等實現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、驗證及引導等方面功能。

數字孿生與邊緣計算

邊緣計算技術可將部分從物理世界采集到的數據在邊緣側進行實時過濾、規約與處理，從而實現用戶本地即時決策、快速響應與及時執行。結合云計算技術，復雜的孿生數據可被傳送到云端進行進一步處理，從而實現針對不同需求的“云-邊數據”協同處理，進而提高數據處理效率、減少云端數據負荷、降低數據傳輸時延，為數字孿生的實時性提供保障。

數字孿生與云計算

數字孿生的規模彈性很大，單元級數字孿生可能在本地服務器即可滿足計算與運行需求，而系統級和復雜系統級數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，可使數字孿生使用龐大的云計算資源與數據中心，從而動態地滿足數字孿生不同的計算、存儲與運行需求。

數字孿生與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數字孿生的關鍵。虛擬模型的精準程度、物理實體的快速反饋控制能力、海量物理設備互聯對數字孿生的數據傳輸容量、傳輸速率、傳輸響應時間提出了更高要求。5G通信技術具有高速率、大容量、低時延、高可靠的特點，能夠契合數字孿生的數據傳輸要求，滿足虛擬模型與物理實體的海量數據低延遲傳輸、大量設備的互通互聯，從而更好推進數字孿生應用落地。

數字孿生與大數據

數字孿生中的孿生數據集成了物理感知數據、模型生成數據、虛實融合數據等高速產生的多來源、多種類、多結構的全要素/全業務/全流程的海量數據。大數據能夠從數字孿生高速產生的海量數據中提取更多有價值的信息，以解釋和預測結果和過程。

數字孿生與區塊鏈

區塊鏈可對數字孿生的安全性提供可靠保證，確保孿生數據不可篡改、全程留痕、可跟蹤、可追溯等。獨立性、不可變和安全性的區塊鏈技術，可防止數字孿生被篡改而出現錯誤和偏差，以保持數字孿生的安全。此外，通過區塊鏈建立起的信任機制可以確保服務交易的安全，讓用戶安心使用數字孿生提供的各種服務。

數字孿生與人工智能（AI）

數字孿生憑借其準確、可靠、高保真的虛擬模型，多源、海量、可信的孿生數據，以及實時動態的虛實交互為用戶提供了仿真模擬、診斷預測、可視監控、優化控制等應用服務。AI通過智能匹配最佳算法，可在無需數據專家的參與下，自動執行數據準備、分析、融合對孿生數據進行深度知識挖掘，從而生成各類型服務。數字孿生有了AI的加持，可大幅提升數據的價值以及各項服務的響應能力和服務準確性。

數字孿生的實現和落地應用離不開新興信息技術的支持，與新興信息技術深度融合的數字孿生，才能實現物理實體真實全面感知、多維多尺度模型的精準構建，全要素、全流程、全業務數據的深度融合，智能化、人性化、個性化服務的按需使用以及全面、動態、實時的交互。

06 數字孿生是否存在科學問題？

數字孿生在制造和相關領域的實踐應用過程中，圍繞相關五維模型，存在著系列科學問題和難點：

1

在物理實體維度，如何實現多源異構物理實體的智能感知與互聯互通，實時獲取物理實體對象多維度數據，從而深入認識和發掘相關規律和現象，實現物理實體的可靠控制與精準執行？

2

在虛擬模型維度，如何構建動態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，如何實現多源多學科多維模型的組裝與集成等？

3

在孿生數據維度，如何實現海量大數據和異常小數據的變頻采集，如何實現全要素/全業務/全流程多源異構數據的高效傳輸，如何實現信息物理數據的深度融合與綜合處理，如何實現孿生數據與物理實體、虛擬模型、服務/應用的精準映射與實時交互等？

4

在連接與交互維度，如何實現跨協議/跨接口/跨平臺的實時交互，如何實現數據-模型-應用的迭代交互與動態演化等？

5

在服務/應用維度，如何基于多維模型和孿生數據，提供滿足不同領域、不同層次用戶、不同業務應用需求的服務，并實現服務按需使用的增值增效等？

上述問題是當前數字孿生研究與落地應用亟待解決的系列難題。此外，在數字孿生商業化過程中，商業化平臺和工具研發和商業模式推廣應用等方面也存在難題有待研究和解決。

07 數字孿生何用？

數字孿生以數字化的形式在虛擬空間中構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信息交互反饋與數據融合，能夠模擬對象在物理世界中的行為，監控物理世界的變化，反映物理世界的運行狀況，評估物理世界的狀態，診斷發生的問題，預測未來趨勢，優化和改變物理世界。

數字孿生能夠突破許多物理條件的限制，通過數據和模型雙驅動的仿真、預測、監控、優化和控制，實現服務的持續創新、需求的即時響應和產業的升級優化。基于模型、數據和服務等各方面的優勢，數字孿生正在成為提高質量、增加效率、降低成本、減少損失、保障安全、節能減排的關鍵技術，同時，數字孿生應用場景正逐步延伸拓展到更多和更寬廣的領域。

數字孿生功能與作用

08 數字孿生適用準則是什么？

企業在應用數字孿生前，面臨的首要決策問題是：本企業是否需要用數字孿生？是否適用數字孿生？是否值得使用數字孿生？事實上，數字孿生并非適用于所有對象和企業。

數字孿生適用準則

09 數字孿生需要的標準是什么？

數字孿生在落地應用過程中缺乏標準的指導與參考。相關技術標準委員會及應用企業前期共同探索建立了數字孿生標準體系框架，從數字孿生基礎共性標準、關鍵技術標準、工具和平臺標準、測評標準、安全標準、應用標準等6個方面對數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字孿生具體標準內容，仍需進一步的研究與制定。

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

數字孿生的發展與落地應用需標準的指導與參考，相關國際標準的制定是當前各國關注的重點。

10 數字孿生需要的商業化工具與平臺？

隨著數字孿生應用價值逐步顯現，越來越多企業期望利用數字孿生來提高企業效率和改進產品質量。而在實踐數字孿生過程中，“使用什么工具/平臺來構建和應用數字孿生”是企業所面臨的問題。

據報道，已有相關商業工具和平臺可支持數字孿生構建和應用，如 MATLAB的Simulink，ANSYS的TwinBuilder，微軟的Azure，達索的3D Experience等。

從功能性的角度來看，這些工具和平臺大多側重某一或某些特定維度，當前還缺乏考慮數字孿生綜合功能需求的商業化工具和平臺。

從開放性和兼容性的角度來看，相關使能工具和平臺主要針對自身產品形成封閉的軟件生態，不同工具和平臺間模型和數據交互與集成難、協作難，兼容性差，缺乏系統開放、兼容性強的數字孿生構建工具和平臺。

此外，因掌握相關的具體數據、流程、工藝、原理等，產品研制者或提供者相對容易實現數字孿生的構建，而第三方（如系統集成商、產品終端用戶、產品運營維護者等）在構建數字孿生中存在諸多困難，導致數字孿生的構建成為其應用推廣的瓶頸之一。

隨著相關技術的發展與產品研發模式的演變，未來，構建數字孿生可能不再是困擾用戶的關鍵難題，但會要求研制者或提供者在提供產品物理實體的同時，也必須提供相應的數字孿生模型。如何基于不同用戶提供的數字孿生，針對復雜產品、復雜系統、復雜過程的數字孿生構建需求，實現不同數字孿生的組裝與集成將成為一個新的難點，這需要相關商業化的數字孿生集成工具與平臺支撐。