數(shù)字孿生（Digital Twin），即現(xiàn)實(shí)世界（系統(tǒng)）的數(shù)字化。具體而言，數(shù)字孿生是指一種在信息化平臺(tái)內(nèi)建立實(shí)體系統(tǒng)的數(shù)字映射，模擬物理實(shí)體、流程或者系統(tǒng)的技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)可對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行分析和優(yōu)化，并可借助依賴傳感器數(shù)據(jù)了解物理實(shí)體狀態(tài)，對(duì)變化做出響應(yīng)，幫助改進(jìn)操作，因此對(duì)推動(dòng)智能制造發(fā)展具有重要意義。隨著企業(yè)數(shù)字化的進(jìn)一步推動(dòng)，越來(lái)越多的國(guó)家和組織都逐步重視數(shù)字孿生技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

一、數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展迅猛正與人工智能深度結(jié)合

數(shù)字孿生技術(shù)并非今天才產(chǎn)生，其源頭可以追溯到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的出現(xiàn)。如此算來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)走過(guò)了幾十年的發(fā)展歷程，其確切概念2003年由美國(guó)密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里弗斯正式提出。格里弗斯認(rèn)為，通過(guò)物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個(gè)可以表征該物理設(shè)備的虛擬實(shí)體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。2012 年，NASA發(fā)布“建模、仿真、信息技術(shù)和處理”路線圖，數(shù)字孿生概念正式進(jìn)入公眾視野。2013 年，美空軍發(fā)布《全球地平線》頂層科技規(guī)劃文件，將數(shù)字線索和數(shù)字孿生并列視為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機(jī)遇，并從 2014 財(cái)年起組織洛馬、波音、諾格、通用電氣、普惠等公司開(kāi)展了一系列應(yīng)用研究項(xiàng)目。就此，數(shù)字孿生理論與技術(shù)體系初步建立，美國(guó)防部、NASA、西門(mén)子等公司開(kāi)始接受這一概念并對(duì)外推廣。

數(shù)字孿生發(fā)展歷程

實(shí)際上，自從有了諸如CAD等數(shù)字化的“創(chuàng)作”手段，數(shù)字孿生已經(jīng)開(kāi)始萌芽；有了CAE仿真手段，研究手段從計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單輔助向自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，數(shù)字虛體和物理實(shí)體走得更近；有了系統(tǒng)仿真，研究對(duì)象從簡(jiǎn)單物體向復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，虛擬實(shí)體更像物理實(shí)體；直至有了比較系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，研究目標(biāo)從單體動(dòng)力學(xué)向多體動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變，研究形式從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。

目前階段，數(shù)字孿生正在與人工智能技術(shù)深度結(jié)合，促進(jìn)信息空間與物理空間的實(shí)時(shí)交互與融合，以在信息化平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行更加真實(shí)的數(shù)字化模擬，并實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。將數(shù)字孿生系統(tǒng)與機(jī)器學(xué)習(xí)框架學(xué)習(xí)結(jié)合，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以根據(jù)多重的反饋源數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，從而幾乎實(shí)時(shí)地在數(shù)字世界里呈現(xiàn)物理實(shí)體的真實(shí)狀況，并能夠?qū)磳l(fā)生的事件進(jìn)行推測(cè)和預(yù)演。數(shù)字孿生系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)除了可以依賴于傳感器的反饋信息，也可通過(guò)歷史數(shù)據(jù)，或者是集成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，正在不斷的自我學(xué)習(xí)與迭代中，模擬精度和速度將大幅提升。

二、數(shù)字孿生對(duì)推動(dòng)智能制造發(fā)展具有重要意義

數(shù)字孿生技術(shù)可以在網(wǎng)絡(luò)空間中復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)，并使產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字空間模型和物理空間模型處于實(shí)時(shí)交互中，二者之間能夠及時(shí)地掌握彼此的動(dòng)態(tài)變化并實(shí)時(shí)地做出響應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)智能制造提供了有力的保障，同時(shí)也進(jìn)一步加速了智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)融合。

近年來(lái)，數(shù)字孿生這一前沿技術(shù)已經(jīng)得到了工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。全球最具權(quán)威的IT研究與顧問(wèn)咨詢公司Gartner 將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一。目前，數(shù)字孿生主要被應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域，國(guó)際數(shù)據(jù)公司(IDC)表示現(xiàn)今有40%的大型制造商都會(huì)應(yīng)用這種虛擬仿真技術(shù)為生產(chǎn)過(guò)程建模，數(shù)字孿生已成為制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0的解決方案。到2020年，估計(jì)有210億個(gè)連接的傳感器和終端服務(wù)于數(shù)字孿生，在不久的將來(lái)數(shù)字化孿生將存在數(shù)十億種。

隨著工業(yè)4.0，智能制造等技術(shù)和發(fā)展戰(zhàn)略的不斷出臺(tái)，數(shù)字孿生技術(shù)逐步成為智能制造的一個(gè)基本要素，并得到了各方的普遍關(guān)注。洛克希德馬丁公司于2017年11月將數(shù)字孿生列為2018年未來(lái)國(guó)防和航天工業(yè)頂尖技術(shù)之首；英國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施委員會(huì)于2017年12月發(fā)布《數(shù)據(jù)的公共利益報(bào)告》(Public Good report)，提出創(chuàng)建一個(gè)與國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，并于2019年1月啟動(dòng)相關(guān)計(jì)劃；Gartner公司連續(xù)3年(2017-2019年)將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一。

黨的十九大報(bào)告明確提出要加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，《中國(guó)制造 2025》指出“將智能制造作為兩化融合的主攻方向，推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平”。在此背景下，數(shù)字孿生技術(shù)受到廣泛關(guān)注，將產(chǎn)生巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

三、數(shù)字孿生加速融合各領(lǐng)域發(fā)展

據(jù)相關(guān)研究分析，數(shù)字孿生目前在11個(gè)領(lǐng)域中擁有45個(gè)細(xì)分類的應(yīng)用。具體領(lǐng)域包括：安全急救、環(huán)境保護(hù)、航空航天、電力領(lǐng)域、汽車制造、油氣行業(yè)、健康醫(yī)療、船舶航運(yùn)、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)和建筑建設(shè)等。

從應(yīng)用階段來(lái)看，數(shù)字孿生技術(shù)貫穿了產(chǎn)品生命周期中的全階段，它同產(chǎn)品生命周期管理（PLM,Product Lifecycle Management）的理念是不謀而合的?？梢哉f(shuō)，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展將PLM的能力和理念，從設(shè)計(jì)階段真正擴(kuò)展到了全生命周期。數(shù)字孿生以產(chǎn)品為主線，并在生命周期的不同階段引入不同的要素，形成了不同階段的表現(xiàn)形態(tài)。

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，借助數(shù)字孿生技術(shù)可提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并驗(yàn)證產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中的性能。主要功能包括：數(shù)字模型設(shè)計(jì)、模擬和仿真。對(duì)產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)、使用性能和機(jī)械性能（強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等）進(jìn)行仿真，便于優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)性能同時(shí)降低成本。目前，法國(guó)達(dá)索公司、美國(guó)歐特克公司及美國(guó)ANSYS公司等企業(yè)開(kāi)發(fā)的建模與分析軟件已廣泛運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。2018年5月，美國(guó)通用電氣公司與美國(guó)海軍研究辦公室簽署了一份價(jià)值900萬(wàn)美元的合同，借助數(shù)字孿生技術(shù)，按需制造零件，加速武器裝備的制造。

在產(chǎn)品的制造階段，借助數(shù)字孿生技術(shù)可以加快產(chǎn)品導(dǎo)入的時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品的交付速度。產(chǎn)品階段的數(shù)字孿生是一個(gè)高度協(xié)同的過(guò)程，通過(guò)數(shù)字化手段構(gòu)建起來(lái)的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)以下功能：生產(chǎn)過(guò)程仿真、數(shù)字化產(chǎn)線、關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控和過(guò)程能力評(píng)估。美國(guó)洛馬公司使用數(shù)字孿生技術(shù)提升F-35戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)效率，將單架飛機(jī)制造周期從22個(gè)月縮減至17個(gè)月。

數(shù)字孿生技術(shù)同樣可應(yīng)用于產(chǎn)品的服務(wù)階段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和傳感器成本的下降，很多工業(yè)產(chǎn)品，從大型裝備到消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，都使用了大量的傳感器來(lái)采集產(chǎn)品運(yùn)行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來(lái)避免產(chǎn)品的故障，改善用戶對(duì)產(chǎn)品的使用體驗(yàn)。服務(wù)階段的數(shù)字孿生，可以實(shí)現(xiàn)如下的功能：遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維修、優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標(biāo)、產(chǎn)品使用反饋。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與管理中，數(shù)字孿生技術(shù)可用于市政設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化管理、交通遠(yuǎn)程調(diào)度及輪機(jī)、鍋爐等復(fù)雜設(shè)施的管理。俄羅斯南烏拉爾國(guó)立大學(xué)研發(fā)電驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)字孿生技術(shù)，用于輔助電驅(qū)動(dòng)裝置維護(hù)，以預(yù)測(cè)故障，提高生產(chǎn)的可靠性與安全性。

四、數(shù)字孿生應(yīng)用中的安全風(fēng)險(xiǎn)不容忽視

當(dāng)前，人工智能、大數(shù)據(jù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)迅猛發(fā)展，推動(dòng)數(shù)字化世界的邊界急速擴(kuò)張。以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)的智能制造的虛擬空間與物理空間之間的連接以及過(guò)程中各組成部分之間的連接都建立在網(wǎng)絡(luò)信息流傳遞的基礎(chǔ)之上，隨著數(shù)字孿生技術(shù)與智能制造的加速融合，由封閉系統(tǒng)向開(kāi)放系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變勢(shì)在必行，系統(tǒng)性的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)將集中呈現(xiàn)。

一方面，智能制造的基礎(chǔ)設(shè)備和控制系統(tǒng)面臨未知網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。原有的基礎(chǔ)設(shè)備多為長(zhǎng)期運(yùn)行在封閉系統(tǒng)環(huán)境下的簡(jiǎn)單設(shè)備，相關(guān)的硬件芯片、軟件控制系統(tǒng)等都可能存在一定的未知安全漏洞，同時(shí)由于缺乏應(yīng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的固有安全措施，極易遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)紊亂、管理失控乃至系統(tǒng)致癱等網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。

另一方面，智能制造系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)攻擊方式的不斷變化，智能制造系統(tǒng)產(chǎn)生和存儲(chǔ)了生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)以及工廠外部數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能是通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)存儲(chǔ)，也可能分布在用戶、生產(chǎn)終端、設(shè)計(jì)服務(wù)器等多種設(shè)備上，任何一個(gè)設(shè)備的安全問(wèn)題都可能引發(fā)數(shù)據(jù)是泄密風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，隨著智能制造與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的融合，以及第三方協(xié)作服務(wù)的深度介入、大量異構(gòu)平臺(tái)的多層次協(xié)作等因素，網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)急劇增加，帶來(lái)更多的入侵方式和攻擊路徑，進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)。

作為一種前沿技術(shù)，數(shù)字孿生以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，在智能制造、智慧城市建設(shè)等方面都將發(fā)揮重大推動(dòng)作用。但作為一種開(kāi)放共享的新興技術(shù)，在其與互聯(lián)網(wǎng)加速融合的過(guò)程中勢(shì)必面臨系列網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。為此，開(kāi)展數(shù)字孿生領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)安全管理體系建設(shè)，提前研判風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)對(duì)措施將成為促進(jìn)相關(guān)技術(shù)發(fā)展的必要舉措。