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★首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司周芳，肖激楊

1 前言

隨著5G、大數據、云計算、區塊鏈、VR、人工智能等技術的發展，近期，數字孿生、元宇宙等概念逐漸火熱。2021年，工業4.0研究院院長胡權教授在他的著作《數字孿生體：第四次工業革命的通用目的技術》里，詳細系統地闡述了數字孿生體的概念和發展，也提到了它與系統仿真、信息物理系統等的區別。本文借鑒胡教授提到的部分內容，展開陳述，并加入作者自身的理解和詮釋。

2 數字孿生體的概念和價值體現

2009年，美國國防部研究計劃局（DAPRA）首先提出了數字孿生體的概念，用來描述以物理世界和數字空間對應方式的工程體系。隨后，美國空軍研究實驗室通過機身數字孿生體項目驗證了概念可行性，行業企業迅速進入該領域。

按照胡權教授的定義：數字孿生體是物理世界和數字空間交互的概念體系，它是一種通用目的和技術，具有廣泛的應用場景。

數字孿生是個普遍適應的理論技術體系，可以在眾多領域應用，在產品設計、產品制造、醫學分析、工程建設等領域應用較多。在國內應用最深入的是工程建設領域，關注度最高、研究最熱的是智能制造領域。

數字孿生體的主要價值體現在：

（1）低成本試錯，在虛擬空間上對物理世界的行為進行模擬驗證，修改參數即可以多次重復模擬，相比

現實世界，大大降低了模擬的投入成本和破壞性損失。

（2）智能化決策，能夠將IoT實時數據、大數據分析和仿真模擬充分結合，預測未來可能發生的各種意外突發情況，進而作出最佳決策。

3 數字孿生體的實現方式

數字孿生體的實現可以分為五個階段：

（1）三維建模：即將物理實體通過建模軟件，在虛擬世界呈現。

（2）數據可視化：對物體實體的各項業務和數據進行采集和虛擬重現。

（3）仿真預測：基于模型和數據，在虛擬映射中進行動態仿真，并與物理實體比對，優化算法和模型，從簡單到復雜，逐步建立自學習系統。

（4）輔助決策：通過分析預測結果，給出決策建議，輔助人進行輔助決策。

（5）自主決策：系統能夠正確預測和處理所有狀況，具備自主決策能力，可實現完全無人化托管。

數字孿生是一系列技術的集成融合創新應用，包括人機交互技術、建模分析技術、數據集成技術、感知控制技術等。其中人機交互技術，包括HMI、Web端的可視化，以及AR、VR等虛擬現實技術。

4 與其他相近概念的比較

4.1 數據可視化不是數字孿生

國內一些廠商提供的方案，僅僅是在完成三維建模的基礎上，做了UI設計、動效設計等界面上的美化，接入了部分外部數據，予以實時的多種型式的展示，這并不是完整的數字孿生方案，僅僅是實現了數據可視化。完整的數字孿生方案，應該繼續深入，開發出模擬現實運行的算法和模型，進行仿真、預測和決策。

當然，這涉及到深層次的業務知識，需要城市管理、工廠等相關部門資深的技術人員提供背后的流程和邏輯，再抽象到數學和物理等知識，開發出算法模型。這些都需要業務部門的支持，同時，開放這些信息給IT人員，可能也涉及到業務保密方面的限制。

所以，真正的數字孿生，筆者認為應該是“業務主導”，而不是“IT主導”，數字孿生體的開發人員，應該比一般的業務人員更懂業務，否則開發的系統只能是虛有其表。

4.2 系統仿真不是數字孿生

系統仿真（system simulation）就是根據系統分析的目的，在分析系統各要素性質及其相互關系的基礎上，建立能描述系統結構或行為過程的，且具有一定邏輯關系或數量關系的仿真模型，據此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。

系統仿真，通常是仿真運行前設計好模型算法，給定初始數據，由系統模擬運行，根據運行結果再對系統優化。部分系統仿真供應商也提出了數字孿生的概念，不可否認，系統仿真有朝著數字孿生發展的潛力，但是傳統意義上的系統仿真與數字孿生有著明顯區別：第一，它不是實時數據驅動，修改測試方案需要人工修改參數后下發。第二，最終輸出結果不參與系統控制，只是用于輔助設計人員和調試人員的工作。

廣義上，可以把系統仿真看成數字孿生的一個子集。

4.3 信息物理系統不是數字孿生

信息物理系統（Cyber-Physical Systems，CPS）是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過計算機、通信、控制技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。

信息物理系統，似乎與數字孿生體高度相似，但是從它的特點來看，有兩個主要區別：一是它的實時性，它強調對現實的實時高精度控制，而數字孿生體，可以說在實施自主決策以前，對現實世界幾乎不做干預。二是信息物理系統的高效和高精度，要求它必須是嵌入式系統，而數字孿生體是開放的平臺。

廣義上，可以把信息物理系統看成數字孿生的一個延伸。

4.4 元宇宙不是數字孿生

元宇宙（Metaverse），最初是1992年由美國尼爾·斯蒂芬森在其科幻小說《雪崩》里提出的概念。2021年被定義為元宇宙元年，各大IT公司紛紛布局，尤其是隨著Facebook公司更名為Meta，市場逐漸火爆，甚至出現泡沫化。

元宇宙也會用到數字孿生技術，將現實世界鏡像到虛擬世界。但是，元宇宙與現實世界的緊密聯系主要體現在經濟、社交等方面，更注重個人身份的認同、朋友圈以及沉浸式體驗，允許個人在虛擬世界里進行創作發揮。所以，元宇宙的終端主要是VR設備，未來還可能有腦機接口。這些都是與數字孿生體的差異所在。相比而言，元宇宙更傾向于民用，與個人生活、辦公、娛樂等密切相關。

另外，數字孿生體針對不同的應用，都是單獨的個體，互不關聯。而元宇宙，似乎要囊括一切。最近，工業元宇宙的概念被提出，目前看來，這也只是一種沉浸式體驗、參觀的概念，不涉及到更深層次的分析、預測和決策。

4.5 與真實世界的緊密關系比較

從與真實世界的相似度以及交互程度，來進行比較，如圖1所示。

數字孿生體，根據城市、工廠等不同應用場景，目的和要求不同，對三維模型的精度要求也不同，可以形似，也可以高精度。另外，它需要外部數據動態驅動，有一定的實時性要求。最終發展成熟以后，會實施自主決策，來干預現實。

系統仿真，由于要考慮數學、物理等諸多理論，來進行模擬仿真計算，對三維建模的精度，以及與現實實體的相似性，要求極高。另外，仿真通常是一次性輸入環境參數、初始數據和算法模型等，仿真期間不需要實時動態的外部數據輸入，結果通常用于輔助人來決策和優化設計、參數等，不需要輸出控制。

信息物理系統，與數字孿生體類似，模型精度以及與現實世界的相似性，根據應用場景變化。但是它強調通信和控制的實時性，也要實現萬物互聯，所以對實時交互要求極高。

元宇宙，雖然也使用數字孿生技術，對現實世界進行三維建模，但是它更注重社會性，對視覺體驗和內容交互要求高，對模型精度要求并不高。再加上元宇宙允許人們在虛擬世界中進行藝術創作和設計，隨著發展，與現實世界的差異會越來越大。所以，元宇宙與現實世界有聯系，但可以說是另外一個平行世界。

圖1 與真實世界的緊密關系比較

4.6 包含關系比較

數字孿生、數字仿真、信息物理、元宇宙都會用到三維建模技術，人機交互技術，以及數據算法等。所以它們之間會有交集，廣義來看，系統仿真可以包含在數字孿生的范疇里，信息物理系統與數字孿生體相似度較高，而元宇宙與其他三者，交集相對較少。如圖2所示。

圖2 包含關系比較

5 結論

數字孿生、系統仿真、信息物理、元宇宙等不同

概念，雖然在技術上有相同之處，但是都有著明顯的區

別。如表1所示。

表1 數字孿生、數字仿真、信息物理、元宇宙對比

*表中所指的建模精度的高低，并不是單指視覺效果，而是綜合從數學、物理等特性上的考慮。比如考慮建筑結構承重、碰撞和受力分析等。

數字孿生體是一項融合了建模、數據處理、網絡、業務、數學、物理等多專業的復雜系統，目前世界上沒有成熟的完整案例（至少對外公開的沒有）。胡權教授認為，特斯拉公司可能已經掌握了數字孿生體的模板，但是未對外公開。

當然，技術在不斷發展，向各行業滲透，也不能斷言數字孿生、數字仿真、信息物理、元宇宙之間不會相互融合。比如系統仿真可能會發展并逐步融合到數字孿生體，數字孿生體也可能會借鑒一些信息物理系統的實時性數據交互技術。而未來，如果元宇宙得以實現，并吞噬一切，數字孿生體、信息物理系統未必不可能演變成為它的一個“游戲副本”。

作者簡介：

周芳 （1985-），男，湖南懷化人，高級工程師，學士，現就職于首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，主要研究方向為電氣自動化、智能制造、精益管理等。

肖激楊 （1969-），男，湖南永州人，高級工程師，學士，現就職于首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，主要研究方向為電氣自動化、智能制造、項目管理等。

參考文獻：

[1]胡權.數字孿生體：第四次工業革命的通用目的技術[M].北京：人民郵電出版社,2021.

摘自《自動化博覽》2022年9月刊