導讀
INTRODUCTION
數字孿生作為一種實現資訊物理融合，促進數字化轉型和智慧化提升的有效手段，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
……
文章來源
本文來源：陶飛， 張辰源， 戚慶林， 張賀。 數字孿生成熟度模型［J］。 計算機整合製造系統， 2022， 28（5）： 1267-1281。”。
數字孿生成熟度模型
陶飛，張辰源，戚慶林，張賀
北京航空航天大學
自動化科學與電氣工程學院
01
摘要
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最佳化提升？
為解決上述問題，基於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
。為便於不同數字孿生實際應用的成熟度評價操作，基於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
，並設計了
一套數字孿生成熟度評價應用流程
。最後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。數字孿生當前還處於應用的初級階段，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
數字孿生作為實現資訊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、數字孿生資料、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， 並聚焦數字孿生車間、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最佳化提升？
上述問題可歸結為缺少針對數字孿生範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範疇、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，並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
基於數字孿生的物理實體設計驗證與等效分析
；②
基於數字孿生的物理實體執行過程視覺化監測
；③
基於數字孿生的物理實體遠端運維管控
；④
基於數字孿生的診斷與預測
；⑤
基於數字孿生的智慧決策和最佳化
；⑥
基於數字孿生的物理實體全生命週期跟蹤、回溯與管理
。透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線與互動組成了數字孿生的“最小概念”。在此基礎上，基於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）、數字孿生資料（DD）、連線互動（CI）和功能服務（FS）五個維度出發，根據連線互動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資訊空間中的數字孿生模型透過兩者間的連線進行互動，數字孿生資料則蘊含數字孿生的所有資訊，貫穿當前-未來、物理空間-資訊空間、物理實體-數字孿生模型-連線互動-功能服務。此外，
圖1中的物理實體、數字孿生模型、數字孿生資料、連線互動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，但由於圖片的資訊容量有限，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於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範疇。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徵進行描述，從而能夠在一定程度上代替物理實體進行模擬分析或實驗驗證，但數字孿生模型與物理實體之間無法透過直接的資料交換實現實時互動，主要依賴人的介入實現間接的虛實互動，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於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資料驅動執行，同步直觀呈現與物理實體相同的執行狀態和過程，輸出與物理實體執行相同的結果，從而在一定程度上突破時間、空間和環境約束對於物理實體監測過程的限制，但對於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端視覺化操控。
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執行過程，具有該能力的數字孿生處於其成熟度等級的第二等級（L2）。在該等級，資訊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資訊空間中實現較為複雜的執行過程。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資料傳輸通道，實現虛實實時雙向閉環互動，從而賦予物理實體遠端視覺化操控的能力，進一步突破空間和環境約束對於物理實體操控的限制。儘管這種控制並不一定是智慧的或最佳化的，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執行過程和狀態，具有該能力的數字孿生處於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於與物理實體的實時雙向閉環互動，動態反映物理實體當前的實際狀態，並透過合理利用數字孿生模型所描述的顯性機理和數字孿生資料所蘊含的隱性規律，實現對物理實體未來執行過程的線上預演和對執行結果的推測，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最佳化，具有該能力的數字孿生處於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於數字孿生模型實時反映物理實體的執行狀態，結合數字孿生資料預測物理實體的未來發展，還能夠在此基礎上，利用策略、演算法和前期積累沉澱的知識，實現具有時效性的智慧決策和最佳化，並基於實時互動機制實現對物理實體的智慧管控。
2。6 五級（L5）：虛實共生
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執行，甚至是在全生命週期中透過動態重構實現自主孿生，具有該能力的數字孿生處於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於雙向互動實時感知和認知對方的更新內容，並基於兩者間的差異，利用3D列印、機器人、人工智慧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，使兩者在長時間的執行過程中保持動態一致性，從而保證包括視覺化、預測、決策、最佳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範疇和階梯目標，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、數字孿生資料、連線互動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，並明確數字孿生各成熟度等級對於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 數字孿生資料維度的評價因子
表5 連線互動維度的評價因子
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範疇和階段性目標，以及數字孿生在各個發展階段所具有的能力特徵，而數字孿生成熟度評價因子則從物理實體、數字孿生模型、數字孿生資料、連線互動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，進而基於短板提供具有針對性的數字孿生最佳化建議。基於此，本文提出由評價、分析和最佳化三階段構成的
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、確定短板和提供最佳化建議三個環節。
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於指導其升級最佳化，對系統級數字孿生的成熟度評價結果用於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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