數字孿生成熟度模型

01

摘要

數字孿生作為一種實現信息物理融合，促進數字化轉型和智能化提升的有效手段，受到國內外學術界、工業界和政府部門的廣泛關注。然而，在數字孿生研究和落地應用過程中，存在以下疑惑和問題：①如何判斷是不是數字孿生？②如何評判現有數字孿生能否滿足應用需求？③若不滿足應用需求如何優化提升？為解決上述問題，基于團隊數字孿生前期研究基礎，本文研究提出了一套數字孿生成熟度模型，將數字孿生成熟度分為“以虛仿實（L0）、以虛映實（L1）、以虛控實（L2）、以虛預實（L3）、以虛優實（L4）、虛實共生（L5）”六個等級。為便于不同數字孿生實際應用的成熟度評價操作，基于作者團隊前期提出的數字孿生五維模型，從五個維度提出了十九項數字孿生成熟度評價因子，并設計了一套數字孿生成熟度評價應用流程。最后分別面向單元級數字孿生（如機器人）和系統級數字孿生（如車間）開展了數字孿生成熟度評價應用，驗證了本文所提出方法的可用性和有效性。數字孿生當前還處于應用的初級階段，期望本文相關工作能為進一步認識數字孿生，開展數字孿生學術研究和交流，推廣落地應用提供一些參考。

02

文章主要工作

1、數字孿生成熟度評價需求分析

數字孿生作為實現信息物理融合的有效手段，受到國內外學術界、政府部門和相關領域人士的廣泛關注與高度重視。近年來，作者團隊圍繞數字孿生五維模型、數字孿生模型構建理論、數字孿生多尺度建模方法、數字孿生模型評價指標體系、數字孿生數據、數字孿生服務、數字孿生標準體系、數字孿生使能技術與工具等開展了探索性理論研究工作, 并聚焦數字孿生車間、數字孿生裝備、數字孿生衛星等開展了一系列應用實踐工作。然而，在與國內外學者、政府部門和相關領域企業交流探討的過程中，發現存在以下共性疑問和困惑：

（1）如何判斷是不是數字孿生？

（2）如何評判現有數字孿生能否滿足應用需求？

（3）若不滿足應用需求如何優化提升？

上述問題可歸結為缺少針對數字孿生范疇和發展階段的系統性描述和評價方法，而成熟度模型是對目標系統的概念范疇、發展過程和階段性目標的系統性描述，同時，它還具有評價目標系統現階段發展水平和能力程度的功能。因此，本文從落地應用的角度出發，研究提出了一套數字孿生成熟度模型，并設計了一套數字孿生成熟度評價應用流程。

2、數字孿生成熟度等級

統計分析現有數字孿生相關理論研究和應用實踐，依據其功能和用途主要可分為以下幾類：①基于數字孿生的物理實體設計驗證與等效分析；②基于數字孿生的物理實體運行過程可視化監測；③基于數字孿生的物理實體遠程運維管控；④基于數字孿生的診斷與預測；⑤基于數字孿生的智能決策和優化；⑥基于數字孿生的物理實體全生命周期跟蹤、回溯與管理。通過對上述各類數字孿生研究和應用進行共性分析發現，物理實體、數字孿生模型和兩者間的連接與交互組成了數字孿生的“最小概念”。在此基礎上，基于作者團隊前期提出的數字孿生五維模型，從物理實體（PE）、數字孿生模型（DM）、數字孿生數據（DD）、連接交互（CI）和功能服務（FS）五個維度出發，根據連接交互方式與自動化程度的不同，以數字孿生所能提供的功能服務為主線，將數字孿生分為六個成熟度等級，如圖1所示。其中，物理空間中的物理實體與信息空間中的數字孿生模型通過兩者間的連接進行交互，數字孿生數據則蘊含數字孿生的所有信息，貫穿當前-未來、物理空間-信息空間、物理實體-數字孿生模型-連接交互-功能服務。此外，圖1中的物理實體、數字孿生模型、數字孿生數據、連接交互和功能服務在數字孿生的各成熟度等級具有不同等級的能力程度，但由于圖片的信息容量有限，圖1沒有對其進行詳細展開和具體描述，該部分內容將在第三章進行展開。

圖1 數字孿生成熟度等級

2.1 零級（L0）：以虛仿實
以虛仿實指利用數字孿生模型對物理實體描述和刻畫，具有該能力的數字孿生處于其成熟度等級的第零等級（L0），滿足此要求的實踐和應用可歸入廣義數字孿生的概念范疇。在該等級，數字孿生模型從幾何、物理、行為和規則某個或多個維度對物理實體單方面或多方面的屬性和特征進行描述，從而能夠在一定程度上代替物理實體進行仿真分析或實驗驗證，但數字孿生模型與物理實體之間無法通過直接的數據交換實現實時交互，主要依賴人的介入實現間接的虛實交互，包括對物理實體的控制和對數字孿生模型的控制與更新等。

2.2 一級（L1）：以虛映實
以虛映實指利用數字孿生模型實時復現物理實體的實時狀態和變化過程，具有該能力的數字孿生處于其成熟度等級的第一等級（L1）。在該等級，數字孿生模型由真實且具有時效性的物理實體相關數據驅動運行，同步直觀呈現與物理實體相同的運行狀態和過程，輸出與物理實體運行相同的結果，從而在一定程度上突破時間、空間和環境約束對于物理實體監測過程的限制，但對于物理實體的操作和管控依舊依賴現場人員的直接介入，仍無法實現物理實體的遠程可視化操控。

2.3 二級（L2）：以虛控實
以虛控實指利用數字孿生模型間接控制物理實體的運行過程，具有該能力的數字孿生處于其成熟度等級的第二等級（L2）。在該等級，信息空間中的數字孿生模型已具有相對完整的運動和控制邏輯，能夠接受輸入指令在信息空間中實現較為復雜的運行過程。同時，在以虛映實的基礎上，增量建設由數字孿生模型到物理實體的數據傳輸通道，實現虛實實時雙向閉環交互，從而賦予物理實體遠程可視化操控的能力，進一步突破空間和環境約束對于物理實體操控的限制。盡管這種控制并不一定是智能的或優化的，但仍可大幅提高物理實體的管控效率。

2.4 三級（L3）：以虛預實
以虛預實指利用數字孿生模型預測物理實體未來一段時間的運行過程和狀態，具有該能力的數字孿生處于其成熟度等級的第三等級（L3）。在該等級，數字孿生模型能夠基于與物理實體的實時雙向閉環交互，動態反映物理實體當前的實際狀態，并通過合理利用數字孿生模型所描述的顯性機理和數字孿生數據所蘊含的隱性規律，實現對物理實體未來運行過程的在線預演和對運行結果的推測，從而在一定程度上將未知轉化為預知，將突發和偶發問題轉變為常規問題。

2.5 四級（L4）：以虛優實
以虛優實指利用數字孿生模型對物理實體進行優化，具有該能力的數字孿生處于其成熟度等級的第四等級（L4）。在該等級，數字孿生不僅能夠基于數字孿生模型實時反映物理實體的運行狀態，結合數字孿生數據預測物理實體的未來發展，還能夠在此基礎上，利用策略、算法和前期積累沉淀的知識，實現具有時效性的智能決策和優化，并基于實時交互機制實現對物理實體的智能管控。

2.6
虛實共生作為數字孿生的理想目標，指物理實體和數字孿生模型在長時間的同步運行，甚至是在全生命周期中通過動態重構實現自主孿生，具有該能力的數字孿生處于其成熟度等級的第五等級（L5）。在該等級，物理實體和數字孿生模型能夠基于雙向交互實時感知和認知對方的更新內容，并基于兩者間的差異，利用3D打印、機器人、人工智能等技術實現物理實體和數字孿生模型的自主構建或動態重構，使兩者在長時間的運行過程中保持動態一致性，從而保證包括可視化、預測、決策、優化等諸多功能服務的有效性，實現低成本、高質量、可持續的數字孿生。

3、數字孿生成熟度評價因子

數字孿生成熟度等級從宏觀角度描述了數字孿生的概念范疇和階梯目標，以及由各階段目標串聯而成的數字孿生演進路徑。為實現可操作的數字孿生成熟度評價，從物理實體、數字孿生模型、數字孿生數據、連接交互和功能服務五個維度，進一步分析得到能夠影響數字孿生成熟度等級的十九個相關因素，將其作為評價因子進行成熟度分級，并明確數字孿生各成熟度等級對于評價因子成熟度等級的具體要求，如表1至表6所示。

表1數字孿生各成熟度等級要求

表2 物理實體維度的評價因子

表3 數字孿生模型維度的評價因子

表4 數字孿生數據維度的評價因子

表5 連接交互維度的評價因子

表6 功能服務維度的評價因子

4、數字孿生成熟度模型應用流程

上述數字孿生成熟度等級和數字孿生成熟度評價因子構成了數字孿生成熟度模型，如圖2所示。其中，數字孿生成熟度等級系統性描述了數字孿生的概念范疇和階段性目標，以及數字孿生在各個發展階段所具有的能力特征，而數字孿生成熟度評價因子則從物理實體、數字孿生模型、數字孿生數據、連接交互和功能服務五個細分維度，分別梳理了不同成熟度等級的數字孿生所需要具備的不同程度的能力，為可操作的數字孿生成熟度評價奠定了基礎。

圖2數字孿生成熟度模型構成

數字孿生成熟度模型主要用途是對數字孿生應用進行成熟度評價，確定當前數字孿生應用整體的成熟度等級和成熟度評分，以及各維度評價因子的成熟度等級，從而明確該應用目前的短板，進而基于短板提供具有針對性的數字孿生優化建議。基于此，本文提出由評價、分析和優化三階段構成的數字孿生成熟度模型應用流程，如圖3所示。其中，數字孿生模型成熟度模型主要參與確定數字孿生成熟度等級與評分、確定短板和提供優化建議三個環節。

圖3 數字孿生成熟度模型應用流程

5、應用案例

為驗證本文提出的數字孿生成熟度模型及其應用流程，分別對單元級數字孿生（數字孿生機器人）和系統級數字孿生（數字孿生車間）進行成熟度評價，分別如圖4和圖5所示。其中，對單元級數字孿生的成熟度評價結果用于指導其升級優化，對系統級數字孿生的成熟度評價結果用于比較兩個數字孿生車間的發展程度。

圖4 數字孿生機器人成熟度評價結果

圖5數字孿生車間A和數字孿生車間B的成熟度評價結果

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審核編輯 ：李倩