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数字孪生化水平五大等级L1-L5

无论是初期DARPA提出的数字孪生体，还是在美国空军研究实验

室提出的机身数字孪生体，抑或2019年帕梅拉·科布伦在“工程前沿

学术研讨会”的演讲中对数字孪生体的论述，都阐释了一个基本事实：

数字孪生体应用都是基于对物理世界设备或产品的数字表达（Digital

Representation）。由此可见，在数字空间给出物理世界的物体对应

的表达方法，成为数字孪生体工程的基础工作。

部分行业人士把数字孪生体概念扩大化，将一些简单的传感器数

据在信息系统中的表示，也简单地认为是数字孪生体；还有一些专家

把嵌入式系统或信息物理系统看成数字孪生体，并撰写了不少论文。

事实上，这些工作并没有数字孪生体概念的参与，不会提升或降低其

价值。

既然数字孪生体是第四次工业革命的通用目的技术，那么它将应

用到多个领域，不能用某个特定场景的非标准化工程方法来展示，应

该考虑更广泛的应用要求，此时设计一个全新的概念就显得很有必要。

笔者提出数字孪生化（DigitalTwinning）的说法，以表示物理世界和

数字空间不同目标的转化过程，这种过程的衡量标准为“精度”，它

们表现为从形似、仿真、神似（包含静态和动态）到难分真假，通过

这样的方式，体现了数字孪生化水平的高低。

数字孪生化的基础是物理世界中物体的几何模型，这是不容易改

变的数据源，通过对该数据的获取，可以实现对该物体基本情况的数

字表达。ISO23247、IEEEP2806等与数字孪生体相关的标准都采用

了这样的描述方法，并把数字表达作为数字孪生体工程的基本前提。

当然，数字孪生化的精度各不相同，这既与应用场景的实际需求

有关，还与投入代价有直接联系。在机械加工，特别是精密加工领域，

数字孪生化的要求非常高，例如航天军工的设备加工经常需要达到微

米级别的精度要求，但对于城市管理来说，其精度大部分不需要那么

高，部分要求只需要达到厘米级别即可。

因此，数字孪生化的精度并不是越高越好，而是需要根据应用场

景和投入能力两者均衡确定。一些行业专家把航空航天领域的数字孪

生化案例作为参考来启发对数字孪生体的理解是可以的，但如果把它

作为标杆对象就有可能东施效颦了。

因此，数字孪生化把精度作为目标，形成了不同层次的要求，这

在不同的应用场景中体现出来的效果也有一定的差异。数字孪生化水

平的五大等级情况如下，下面具体展开介绍。

第一级：以建立几何模型为目标

数字孪生体工程以建立几何模型为基础，部分工程项目不建立几

何模型，因而通常无须把该项目称为数字孪生体。几何模型是任何物

理世界设备或产品的第一个特征，通常在特定时间，该几何模型是一

个确定的状态，因此，把它作为数字孪生化的首要目标，比较容易实

现。

一些直接以几何模型建设为目标的项目，通常是为了实现“可视

化”，它的好处通常有几方面：一是为管理层提供了直观可见的数据

或场景，降低了管理的复杂度和难度；二是部分项目成果难以显性化，

为了让上级部门、主管领导或客户了解效果，把这些不可见的结果用

可视化方式展现出来；三是为更复杂的系统确定单一数据源，其他系

统可以基于该可见的信息源做进一步开发。

客观来说，以上三个方面的可视化都有价值，前两个不是数字孪

生体的核心目标，第三个是数字孪生体工程的要求。通过几何模型锚

定单一数据源，分部件、子系统、系统和系统之系统等多个层次建立

几何模型，可以为各个参与方提供一个客观的参照标准。

第二级：以仿真为目标的数据描述

为了使数字空间与物理世界的设备或产品对应的数字孪生化后的

模型更有价值，通常需要对它的材料和物理特征进行描述，以便数字

线程传递相关数据的时候，可以有更丰富的信息。

这个阶段完成的仿真工作，成为数字孪生化最具挑战的工作之一，

虽然有超级计算或云计算等仿真利器，但由于部分仿真涉及的计算量

实在太过巨大，如果不采用降阶模型技术等，仍然无法实现真正的工

程应用。

第二级数字孪生化对于高端制造可能是常态，但对于大量中低端

行业或者建筑、城市、能源等领域，利用传统仿真工具的成本往往太

高，不具有实际的应用价值，这意味着，数字孪生体在多个行业的应

用需求，呼唤低成本的数据描述工具。

第三级：多尺度场景的数据融合

当实现了设备和产品的仿真之后，数字孪生化即进入了