★首钢京唐钢铁联合有限责任公司周芳，肖激杨

1 前言

随着5G、大数据、云计算、区块链、VR、人工智能等技术的发展，近期，数字孪生、元宇宙等概念逐渐火热。2021年，工业4.0研究院院长胡权教授在他的著作《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》里，详细系统地阐述了数字孪生体的概念和发展，也提到了它与系统仿真、信息物理系统等的区别。本文借鉴胡教授提到的部分内容，展开陈述，并加入作者自身的理解和诠释。

2 数字孪生体的概念和价值体现

2009年，美国国防部研究计划局（DAPRA）首先提出了数字孪生体的概念，用来描述以物理世界和数字空间对应方式的工程体系。随后，美国空军研究实验室通过机身数字孪生体项目验证了概念可行性，行业企业迅速进入该领域。

按照胡权教授的定义：数字孪生体是物理世界和数字空间交互的概念体系，它是一种通用目的和技术，具有广泛的应用场景。

数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。

数字孪生体的主要价值体现在：

（1）低成本试错，在虚拟空间上对物理世界的行为进行模拟验证，修改参数即可以多次重复模拟，相比

现实世界，大大降低了模拟的投入成本和破坏性损失。

（2）智能化决策，能够将IoT实时数据、大数据分析和仿真模拟充分结合，预测未来可能发生的各种意外突发情况，进而作出最佳决策。

3 数字孪生体的实现方式

数字孪生体的实现可以分为五个阶段：

（1）三维建模：即将物理实体通过建模软件，在虚拟世界呈现。

（2）数据可视化：对物体实体的各项业务和数据进行采集和虚拟重现。

（3）仿真预测：基于模型和数据，在虚拟映射中进行动态仿真，并与物理实体比对，优化算法和模型，从简单到复杂，逐步建立自学习系统。

（4）辅助决策：通过分析预测结果，给出决策建议，辅助人进行辅助决策。

（5）自主决策：系统能够正确预测和处理所有状况，具备自主决策能力，可实现完全无人化托管。

数字孪生是一系列技术的集成融合创新应用，包括人机交互技术、建模分析技术、数据集成技术、感知控制技术等。其中人机交互技术，包括HMI、Web端的可视化，以及AR、VR等虚拟现实技术。

4 与其他相近概念的比较

4.1 数据可视化不是数字孪生

国内一些厂商提供的方案，仅仅是在完成三维建模的基础上，做了UI设计、动效设计等界面上的美化，接入了部分外部数据，予以实时的多种型式的展示，这并不是完整的数字孪生方案，仅仅是实现了数据可视化。完整的数字孪生方案，应该继续深入，开发出模拟现实运行的算法和模型，进行仿真、预测和决策。

当然，这涉及到深层次的业务知识，需要城市管理、工厂等相关部门资深的技术人员提供背后的流程和逻辑，再抽象到数学和物理等知识，开发出算法模型。这些都需要业务部门的支持，同时，开放这些信息给IT人员，可能也涉及到业务保密方面的限制。

所以，真正的数字孪生，笔者认为应该是“业务主导”，而不是“IT主导”，数字孪生体的开发人员，应该比一般的业务人员更懂业务，否则开发的系统只能是虚有其表。

4.2 系统仿真不是数字孪生

系统仿真（system simulation）就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的，且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

系统仿真，通常是仿真运行前设计好模型算法，给定初始数据，由系统模拟运行，根据运行结果再对系统优化。部分系统仿真供应商也提出了数字孪生的概念，不可否认，系统仿真有朝着数字孪生发展的潜力，但是传统意义上的系统仿真与数字孪生有着明显区别：第一，它不是实时数据驱动，修改测试方案需要人工修改参数后下发。第二，最终输出结果不参与系统控制，只是用于辅助设计人员和调试人员的工作。

广义上，可以把系统仿真看成数字孪生的一个子集。

4.3 信息物理系统不是数字孪生

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过计算机、通信、控制技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。

信息物理系统，似乎与数字孪生体高度相似，但是从它的特点来看，有两个主要区别：一是它的实时性，它强调对现实的实时高精度控制，而数字孪生体，可以说在实施自主决策以前，对现实世界几乎不做干预。二是信息物理系统的高效和高精度，要求它必须是嵌入式系统，而数字孪生体是开放的平台。

广义上，可以把信息物理系统看成数字孪生的一个延伸。

4.4 元宇宙不是数字孪生

元宇宙（Metaverse），最初是1992年由美国尼尔·斯蒂芬森在其科幻小说《雪崩》里提出的概念。2021年被定义为元宇宙元年，各大IT公司纷纷布局，尤其是随着Facebook公司更名为Meta，市场逐渐火爆，甚至出现泡沫化。

元宇宙也会用到数字孪生技术，将现实世界镜像到虚拟世界。但是，元宇宙与现实世界的紧密联系主要体现在经济、社交等方面，更注重个人身份的认同、朋友圈以及沉浸式体验，允许个人在虚拟世界里进行创作发挥。所以，元宇宙的终端主要是VR设备，未来还可能有脑机接口。这些都是与数字孪生体的差异所在。相比而言，元宇宙更倾向于民用，与个人生活、办公、娱乐等密切相关。

另外，数字孪生体针对不同的应用，都是单独的个体，互不关联。而元宇宙，似乎要囊括一切。最近，工业元宇宙的概念被提出，目前看来，这也只是一种沉浸式体验、参观的概念，不涉及到更深层次的分析、预测和决策。

4.5 与真实世界的紧密关系比较

从与真实世界的相似度以及交互程度，来进行比较，如图1所示。

数字孪生体，根据城市、工厂等不同应用场景，目的和要求不同，对三维模型的精度要求也不同，可以形似，也可以高精度。另外，它需要外部数据动态驱动，有一定的实时性要求。最终发展成熟以后，会实施自主决策，来干预现实。

系统仿真，由于要考虑数学、物理等诸多理论，来进行模拟仿真计算，对三维建模的精度，以及与现实实体的相似性，要求极高。另外，仿真通常是一次性输入环境参数、初始数据和算法模型等，仿真期间不需要实时动态的外部数据输入，结果通常用于辅助人来决策和优化设计、参数等，不需要输出控制。

信息物理系统，与数字孪生体类似，模型精度以及与现实世界的相似性，根据应用场景变化。但是它强调通信和控制的实时性，也要实现万物互联，所以对实时交互要求极高。

元宇宙，虽然也使用数字孪生技术，对现实世界进行三维建模，但是它更注重社会性，对视觉体验和内容交互要求高，对模型精度要求并不高。再加上元宇宙允许人们在虚拟世界中进行艺术创作和设计，随着发展，与现实世界的差异会越来越大。所以，元宇宙与现实世界有联系，但可以说是另外一个平行世界。

图1 与真实世界的紧密关系比较

4.6 包含关系比较

数字孪生、数字仿真、信息物理、元宇宙都会用到三维建模技术，人机交互技术，以及数据算法等。所以它们之间会有交集，广义来看，系统仿真可以包含在数字孪生的范畴里，信息物理系统与数字孪生体相似度较高，而元宇宙与其他三者，交集相对较少。如图2所示。

图2 包含关系比较

5 结论

数字孪生、系统仿真、信息物理、元宇宙等不同

概念，虽然在技术上有相同之处，但是都有着明显的区

别。如表1所示。

表1 数字孪生、数字仿真、信息物理、元宇宙对比

*表中所指的建模精度的高低，并不是单指视觉效果，而是综合从数学、物理等特性上的考虑。比如考虑建筑结构承重、碰撞和受力分析等。

数字孪生体是一项融合了建模、数据处理、网络、业务、数学、物理等多专业的复杂系统，目前世界上没有成熟的完整案例（至少对外公开的没有）。胡权教授认为，特斯拉公司可能已经掌握了数字孪生体的模板，但是未对外公开。

当然，技术在不断发展，向各行业渗透，也不能断言数字孪生、数字仿真、信息物理、元宇宙之间不会相互融合。比如系统仿真可能会发展并逐步融合到数字孪生体，数字孪生体也可能会借鉴一些信息物理系统的实时性数据交互技术。而未来，如果元宇宙得以实现，并吞噬一切，数字孪生体、信息物理系统未必不可能演变成为它的一个“游戏副本”。

作者简介：

周芳 （1985-），男，湖南怀化人，高级工程师，学士，现就职于首钢京唐钢铁联合有限责任公司，主要研究方向为电气自动化、智能制造、精益管理等。

肖激杨 （1969-），男，湖南永州人，高级工程师，学士，现就职于首钢京唐钢铁联合有限责任公司，主要研究方向为电气自动化、智能制造、项目管理等。

参考文献：

[1]胡权.数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术[M].北京：人民邮电出版社,2021.

摘自《自动化博览》2022年9月刊