数字孪生是什么？业界首份白皮书你要读

12月19日，由中国电子信息产业发展研究院推出的《数字孪生白皮书（2019）》在2019通信产业大会暨第十四届通信技术年会上正式发布，赛迪工业互联网首席研究员袁晓庆对该白皮书进行了解读。

【后台回复“20191220”即可获取白皮书完整版】

2018年底到2019年初，短短五个月波音737Max8机型接连两次出现坠毁事故，引起人们对数字孪生技术的关注，如果能为物理世界找到一个数字映射，能让飞机故障被及时察觉，甚至被预测到，让维修变得更精准，将有效避免事故的发生。不少业内人士认为，2019年，数字孪生技术广受关注，也是由新闻事件推动的。

数字孪生正成为全球信息技术发展的新焦点

当前，数字孪生已经成为全球信息技术发展的新焦点，Gartner认为2019年数字孪生处于期望膨胀期顶峰，将在未来5年将产生破坏性创新。

袁晓庆表示，目前数字孪生正成为不少跨国企业在业务布局的新方向，像西门子、PTC、达索、ESI等企业均有布局。

不仅如此，目前数字孪生技术发展已上升到国家策略层面，袁晓庆表示，数字孪生正成为不少国家数字化转型的新抓手，例如，美国的工业互联网联盟将数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键、德国工业4.0参考架构将数字孪生作为重要内容等。

同时，不少国家以数字孪生为抓手，设立智慧城市的建设目标，比如，我国的雄安新区数字城市及杭州城市大脑、新加坡的虚拟新加坡、法国的数字孪生巴黎、加拿大的多伦多高科技社区。

在车联网领域，数字孪生技术也已经成为一项关键技术，与此同时还涌现出不少相关的知名公司，如，中国的百度、华为、腾讯、阿里等，美国的特斯拉、福特等，日本的丰田、本田等，德国的西门子等。

数字孪生是什么？ 

数字孪生究竟是什么？白皮书给出具体的解答。

袁晓庆表示，白皮书指出数字孪生是因建模仿真技术而起、因传感技术而兴，并将随着新一代信息技术群体突破和融合发展而发展壮大。经历技术积累、概念提出、应用萌芽、快速发展四个阶段。而目前数字孪生正处于是第四阶段快速发展阶段。

而针对具体的定义，不少国外研究机构及国内行业专家都给出对数字孪生的理解，但通俗来讲就是“数字双胞胎”，两个人内部结构都是一样，只不过一个是在物理世界存在，一个是在“数字世界”存在。

袁晓庆表示，白皮书给出数字孪生定义是，实现物理空间在赛博空间交互映射的通用使能技术。综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、诊断、预测、决策，进而实现物理空间与赛博空间的交互映射。

其中，白皮书指出数字孪生主要涵盖“12345”五大内容。

一项通用技术：支撑经济社会数字化转型的通用使能技术；两大孪生空间：物理空间与赛博空间交互反馈；三大技术要素：数据是基础、数据驱动模型、软件是载体；四大功能等级：描述、诊断、预测、决策；五大典型特征：数据驱动、模型支撑、软件定义、精准映射、智能决策。

袁晓庆还表示，数字孪生典型特征主要体现在数据驱动、模型支撑、软件定义、精准映射、智能决策五方面。

在数据驱动方面，本质是就是在比特的汪洋中重构原子的运行轨道，以数据的流动实现物理世界的资源优化。在模型支撑方面，核心是面向物理实体和逻辑对象建立机理模型或数据驱动模型，形成物理空间在赛博空间的虚实交互。在软件定义方面，关键是将模型代码化、标准化，以软件的形式动态模拟或监测物理空间的真实状态、行为和规则。在精准映射方面，通过感知、建模、软件等技术，实现物理空间在赛博空间的全面呈现、精准表达和动态监测。在智能决策方面，未来数字孪生将融合人工智能等技术，实现物理空间和赛博空间的虚实互动、辅助决策和持续优化。

此外，关于数字孪生技术架构，袁晓庆表示分为物理层、数据层、模型层、功能层四层，可以从三个视角来看。

从应用视角来看，数字孪生的主要应用在智能工厂、车联网、智慧城市、智慧建筑、智慧医疗等应用场景。

其中，在智能工厂领域的应用是最为广泛的，不仅可以实现产品迭代式创新、生产制造全过程数字化管理，而且还可以开展设备预测性维护。

从功能视角来看，主要包括描述、诊断、预测、决策四个能力等级。

其中，描述是通过感知设备采集到的数据，对物理实体各要素进行监测和动态描述；诊断是分析历史数据、检查功能、性能变化的原因；预测是揭示各类模式的关系，预测未来；决策是在分析过去和预测未来的基础上，对行为进行指导。

从部署视角，主要包括设想、确定方案、试运行、产业化、效果后评价五个阶段。

设想阶段是设想并评估当前应用场景，拟定数字孪生适用流程；确定方案阶段是确定最适合该应用场景的方案；试运行阶段是运用数字孪生模型模拟物理实体运行；产业化阶段是推进试行项目虚体，以虚控实，实现产业化；效果后评价阶段是评价产业化效果和投资效益。

数字孪生六大应用场景 

数字孪生技术不仅可以让我们看到产品外部的变化，更重要的是可以看到产品内部的每一个零部件的工作状态。

袁晓庆指出，白皮书从数字化设计、虚拟工厂、设备预测性维护、智慧城市、车联网、智慧医疗六个方面介绍了数字孪生的应用场景。

在数字化设计方面，数字孪生+产品创新。达索、PTC、波音等公司综合运用数字孪生技术打造产品设计数字孪生体，在赛博空间进行体系化仿真，实现反馈式设计、迭代式创新和持续性优化。目前，在汽车、轮船、航空航天、精密装备制造等领域已普遍开展原型设计、工艺设计、工程设计、数字样机等形式的数字化设计实践。

在虚拟工厂方面，数字孪生+生产制造全过程管理。西门子、洛马等国外公司，以及华龙迅达、东方国信、石化盈科等国内公司，在赛博空间打造映射物理空间的虚拟车间、数字工厂，推动物理实体与数字虚体之间数据双向动态交互，根据赛博空间的变化及时调整生产工艺、优化生产参数，提高生产效率。

在设备预测性维护方面，数字孪生+设备管理。GE、空客等公司开发设备数字孪生体并与物理实体同步交付，实现了设备全生命周期数字化管理，同时依托现场数据采集与数字孪生体分析，提供产品故障分析、寿命预测、远程管理等增值服务，提升用户体验，降低运维成本，强化企业核心竞争力。

在智慧城市方面，数字孪生+城市运行管理。通过建设城市数字孪生体，以定量与定性结合的形式，在数字世界推演天气环境、基础设施、人口土地、产业交通等要素的交互运行，绘制“城市画像”，支撑决策者在物理世界实现城市规划“一张图”、城市难题“一眼明”、城市治理“一盘棋”的综合效益最优化布局。

在车联网方面，数字孪生+V2X。以百度、谷歌、腾讯等为代表的企业，积极探索数字孪生技术在车联网中的应用，有效实现了车与人、车、路、设施的全面连接，极大推动了自动驾驶智能化水平、交通安全保障水平和公共交通服务效率的提升。

在智慧医疗方面，数字孪生+医疗服务。达索、海信等公司尝试将数字孪生与医疗服务相结合，实现人体运行机理和医疗设备的动态监测、模拟和仿真，可加快科研创新向临床实践的转化速度、提高医疗诊断效率、优化医疗设备质控管理。

数字孪生前景展望

在未来，物理世界中的各种事物都将可以使用数字孪生技术进行复制。

对此，袁晓庆表示，白皮书对数字孪生未来的发展前景从宏观、中观及微观进行展望。

从宏观来看，数字孪生不仅仅是一项通用使能技术，也将会是数字社会人类认识和改造世界的方法论。从中观来看，数字孪生将成为支撑社会治理和产业数字化转型的发展范式。从微观来看，数字孪生落地的关键是“数据+模型”，亟需分领域、分行业编制数字孪生模型全景图谱。

但袁晓庆表示，白皮书也指出，数字孪生的出现不是概念炒作，而是信息化发展到一定程度的必然性结果，数字孪生正成为人类解构、描述、认识物理世界的新型工具。

此外，数字孪生是一套支撑数字化转型的综合技术体系，技术在发展，应用在深化，体系在演进，其应用推广也是一个动态的、演进的、长期的过程。

从具体的技术发展来看，数字孪生主要是由数据、模型、软件三部分构成，但我国在数据采集、模型积累、软件开发等方面还存在诸多短板，成为制约数字孪生发展的瓶颈。

对于如何突破数字孪生发展的“短板”，白皮书指出，当前，要坚持需求牵引和价值导向，以需求迫切、基础较好、潜力巨大的应用场景为突破口，在重点领域、重点环节率先实现突破，树立一批典型模式和样板。

2019通信产业大会暨第十四届通信技术年会以“5G商用时代的网络建设与商业创新”为主题，通过21个高质量的专业报告分析当下、前瞻趋势，为行业企业发展提供决策支撑与商业判断。中国通信产业大会暨中国通信技术年会始于2006年，至今已连续成功举办13届，汇聚通信产业政府主管领导、两院院士与专家、杰出企业家，成为中国通信产业一年一度最高规格盛会。大会每年发布的本年度十大事件和下年度十大技术趋势，已成为行业风向标。

推荐阅读

文/《工业互联网世界》&《通信产业报》王改静

编辑/王改静