業界首份《數字孿生白皮書》發布

王改靜

12月19日，由中國電子信息產業發展研究院推出的《數字孿生白皮書（2019）》在2019通信產業大會暨第十四屆通信技術年會上正式發布，賽迪工業互聯網首席研究員袁曉慶對該白皮書進行了解讀。

數字孿生正成為全球信息技術發展的新焦點

當前，數字孿生已經成為全球信息技術發展的新焦點，Gartner認為，2019年數字孿生處于期望膨脹期頂峰，將在未來5年產生破壞性創新。

袁曉慶表示，目前數字孿生正成為不少跨國企業業務布局的新方向，像西門子、PTC、達索、ESI等企業均有布局。

不僅如此，目前數字孿生技術發展已上升到國家戰略層面，袁曉慶表示，數字孿生正成為不少國家數字化轉型的新抓手，例如，美國的工業互聯網聯盟將數字孿生作為工業互聯網落地的核心和關鍵、德國工業4.0參考架構將數字孿生作為重要內容等。

同時，不少國家以數字孿生為抓手，設立智慧城市的建設目標，比如，我國的雄安新區數字城市及杭州城市大腦、新加坡的虛擬新加坡、法國的數字孿生巴黎、加拿大的多倫多高科技社區。

在車聯網領域，數字孿生技術也已經成為一項關鍵技術，與此同時還涌現出不少相關的知名公司。

數字孿生是什么？

數字孿生究竟是什么？白皮書給出具體的解答。

袁曉慶表示，白皮書指出數字孿生是因建模仿真技術而起、因傳感技術而興，并將隨著新一代信息技術群體突破和融合發展而發展壯大。經歷技術積累、概念提出、應用萌芽、快速發展四個階段。

而針對具體的定義，不少國外研究機構及國內行業專家都給出了對數字孿生的理解，但通俗來講就是“數字雙胞胎”，兩個“人”內部結構都是一樣的，只不過一個是在物理世界存在，一個是在“數字世界”存在。

袁曉慶強調，白皮書給出的數字孿生定義是，實現物理空間在賽博空間交互映射的通用使能技術。綜合運用感知、計算、建模等信息技術，通過軟件定義，對物理空間進行描述、診斷、預測、決策，進而實現物理空間與賽博空間的交互映射。

其中，白皮書指出，數字孿生主要涵蓋“12345”五大內容。

袁曉慶還表示，數字孿生典型特征主要體現在數據驅動、模型支撐、軟件定義、精準映射、智能決策五方面。

在數據驅動方面，本質是就是在比特的汪洋中重構原子的運行軌道，以數據的流動實現物理世界的資源優化。

在模型支撐方面，核心是面向物理實體和邏輯對象建立機理模型或數據驅動模型，形成物理空間在賽博空間的虛實交互。

在軟件定義方面，關鍵是將模型代碼化、標準化，以軟件的形式動態模擬或監測物理空間的真實狀態、行為和規則。

在精準映射方面，通過感知、建模、軟件等技術，實現物理空間在賽博空間的全面呈現、精準表達和動態監測。

在智能決策方面，未來數字孿生將融合人工智能等技術，實現物理空間和賽博空間的虛實互動、輔助決策和持續優化。

此外，關于數字孿生技術架構，袁曉慶表示分為物理層、數據層、模型層、功能層四層，可以從三個視角來看。

從應用視角來看，數字孿生的主要應用在智能工廠、車聯網、智慧城市、智慧建筑、智慧醫療等應用場景。其中，在智能工廠領域的應用是最為廣泛的，不僅可以實現產品迭代式創新、生產制造全過程數字化管理，而且還可以開展設備預測性維護。

從功能視角來看，主要包括描述、診斷、預測、決策四個能力等級。其中，描述是通過感知設備采集到的數據，對物理實體各要素進行監測和動態描述;診斷是分析歷史數據、檢查功能、性能變化的原因;預測是揭示各類模式的關系，預測未來;決策是在分析過去和預測未來的基礎上，對行為進行指導。

從部署視角來看，主要包括設想、確定方案、試運行、產業化、效果后評價五個階段。

數字孿生六大應用場景

數字孿生技術不僅可以讓我們看到產品外部的變化，更重要的是可以看到產品內部的每一個零部件的工作狀態。

袁曉慶指出，白皮書從數字化設計、虛擬工廠、設備預測性維護、智慧城市、車聯網、智慧醫療六個方面介紹了數字孿生的應用場景。

在數字化設計方面，數字孿生與產品創新融合。達索、PTC、波音等公司綜合運用數字孿生技術打造產品設計數字孿生體，在賽博空間進行體系化仿真，實現反饋式設計、迭代式創新和持續性優化。

在虛擬工廠方面，數字孿生與生產制造全過程管理融合。西門子、洛馬等國外公司，以及華龍迅達、東方國信、石化盈科等國內公司，在賽博空間打造映射物理空間的虛擬車間、數字工廠，推動物理實體與數字虛體之間數據雙向動態交互。

在設備預測性維護方面，數字孿生與設備管理融合。GE、空客等公司開發設備數字孿生體并與物理實體同步交付，實現了設備全生命周期數字化管理，同時依托現場數據采集與數字孿生體分析，提供產品故障分析、壽命預測、遠程管理等增值服務，提升用戶體驗，降低運維成本，強化企業核心競爭力。

在智慧城市方面，數字孿生與城市運行管理融合。通過建設城市數字孿生體，以定量與定性結合的形式，在數字世界推演天氣環境、基礎設施、人口土地、產業交通等要素的交互運行，繪制“城市畫像”，支撐決策者在物理世界實現城市規劃“一張圖”、城市難題“一眼明”、城市治理“一盤棋”的綜合效益最優化布局。

在車聯網方面，數字孿生與V2X融合。以百度、谷歌、騰訊等為代表的企業，積極探索數字孿生技術在車聯網中的應用，有效實現了車與人、車、路、設施的全面連接，極大推動了自動駕駛智能化水平、交通安全保障水平和公共交通服務效率的提升。

在智慧醫療方面，數字孿生與醫療服務融合。達索、海信等公司嘗試將數字孿生與醫療服務相結合，實現人體運行機理和醫療設備的動態監測、模擬和仿真，可加快科研創新向臨床實踐的轉化速度，提高醫療診斷效率、優化醫療設備質控管理。

數字孿生前景展望

在未來，物理世界中的各種事物都將使用數字孿生技術進行復制。

對此，袁曉慶表示，白皮書對數字孿生未來的發展前景從宏觀、中觀及微觀進行展望。

從宏觀來看，數字孿生不僅僅是一項通用使能技術，也將會是數字社會人類認識和改造世界的方法論。從中觀來看，數字孿生將成為支撐社會治理和產業數字化轉型的發展范式。從微觀來看，數字孿生落地的關鍵是“數據+模型”，亟需分領域、分行業編制數字孿生模型全景圖譜。

但袁曉慶表示，白皮書也指出，數字孿生的出現不是概念炒作，而是信息化發展到一定程度的必然性結果，數字孿生正成為人類解構、描述、認識物理世界的新型工具。

此外，數字孿生是一套支撐數字化轉型的綜合技術體系，技術在發展，應用在深化，體系在演進，其應用推廣也是一個動態的、演進的、長期的過程。

從具體的技術發展來看，數字孿生主要是由數據、模型、軟件三部分構成，但我國在數據采集、模型積累、軟件開發等方面還存在諸多短板，成為制約數字孿生發展的瓶頸。

對于如何突破數字孿生發展的“短板”，白皮書指出，當前，要堅持需求牽引和價值導向，以需求迫切、基礎較好、潛力巨大的應用場景為突破口，在重點領域、重點環節率先實現突破，樹立一批典型模式和樣板。