美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟認(rèn)為數(shù)字孿生是資產(chǎn)、過(guò)程或系統(tǒng)的正式數(shù)字表示，能捕獲對(duì)應(yīng)實(shí)體的屬性和行為，并在特定語(yǔ)義中進(jìn)行通信、存儲(chǔ)、解釋或處理。數(shù)字孿生包括但不限于以下幾類(lèi)信息的組合：1）物理模型和數(shù)據(jù)；2）分析模型和數(shù)據(jù)；3）時(shí)間序列數(shù)據(jù)和歷史；4）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；5）主數(shù)據(jù)；6）可視化模型和7）各種計(jì)算。

根據(jù)業(yè)務(wù)需求不同，可構(gòu)建復(fù)雜程度不同的數(shù)字孿生。如圖1所示，針對(duì)關(guān)鍵零部件，構(gòu)建零部件孿生體；針對(duì)設(shè)備，構(gòu)建包含多個(gè)關(guān)鍵零部件孿生體的設(shè)備孿生體；針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，構(gòu)建包含多個(gè)設(shè)備孿生體的系統(tǒng)孿生體。

數(shù)字孿生之間的關(guān)系主要有三種：層次型、關(guān)聯(lián)型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型。為了實(shí)現(xiàn)虛擬信息空間與實(shí)際物理世界的深度融合，孿生體在信息空間的關(guān)系與其對(duì)應(yīng)物理實(shí)體在物理世界的關(guān)系相同，如圖2所示。層次型，如單個(gè)零部件孿生體與多個(gè)零部件孿生體組建的復(fù)合孿生體之間的關(guān)系。關(guān)聯(lián)型，如天然氣管道數(shù)字孿生體與天然氣生產(chǎn)使用設(shè)備孿生體之間的關(guān)系。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型，如電網(wǎng)中多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)孿生體之間的關(guān)系。

數(shù)字孿生解決信息孤島問(wèn)題，為全局優(yōu)化決策提供重要支撐。現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中包含大量信息，由于多源異構(gòu)、異地分散的特征易形成信息孤島，影響信息自動(dòng)流通沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有價(jià)值。例如生產(chǎn)制造中，各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息保存在各自固件里，導(dǎo)致產(chǎn)線(xiàn)或車(chē)間無(wú)法基于各設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化決策。數(shù)字孿生技術(shù)利用每個(gè)孿生體為代理，收集對(duì)應(yīng)實(shí)體數(shù)據(jù)、利用不同模型進(jìn)行計(jì)算分析決策、通過(guò)集成接口提供給不同業(yè)務(wù)目的的應(yīng)用，保障生命周期信息流通實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化決策。例如通過(guò)建立關(guān)鍵設(shè)備孿生體構(gòu)建車(chē)間孿生體，利用感知設(shè)備收集對(duì)應(yīng)實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)集成接口將決策信息下達(dá)各設(shè)備控制系統(tǒng)優(yōu)化全車(chē)間范圍的生產(chǎn)運(yùn)行活動(dòng)。

數(shù)字孿生提供單一接口，為實(shí)體全生命周期信息流暢提供重要保障。實(shí)體的孿生體是訪(fǎng)問(wèn)其生命周期信息單一接口。如圖3所示，產(chǎn)品制造商在數(shù)字空間構(gòu)建產(chǎn)品類(lèi)型的孿生體，包含市場(chǎng)分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)文檔；構(gòu)建產(chǎn)品的孿生體，在其中包含產(chǎn)品生產(chǎn)信息、從客戶(hù)那收集的維保信息等；產(chǎn)品類(lèi)型孿生體和產(chǎn)品孿生體構(gòu)成復(fù)合產(chǎn)品孿生體，為產(chǎn)品制造商提供所有信息單一接口。

數(shù)字孿生能為工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)巨大商業(yè)價(jià)值。一是數(shù)字孿生與人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)互為基礎(chǔ)協(xié)同發(fā)展。二是數(shù)字孿生促進(jìn)高精度虛擬傳感器研發(fā)，解決關(guān)鍵物理量無(wú)法測(cè)量問(wèn)題。三是數(shù)字孿生助力傳感器失靈漂移矯正，提高感知質(zhì)量避免誤報(bào)警誤停機(jī)等事故。四是數(shù)字孿生減少信息查詢(xún)、格式轉(zhuǎn)換、信息導(dǎo)入時(shí)間，助力協(xié)同工程。五是數(shù)字孿生助力運(yùn)維問(wèn)題，減少宕機(jī)時(shí)間經(jīng)濟(jì)成本。六是數(shù)字孿生使用實(shí)時(shí)更新，助力提質(zhì)增效。七是數(shù)字孿生不受時(shí)間地點(diǎn)限制快速準(zhǔn)確響應(yīng)，最大化利用專(zhuān)家知識(shí)。

數(shù)字孿生由數(shù)據(jù)、模型和服務(wù)接口組成。如圖4所示，數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的重要基礎(chǔ)，主要由建模所需的物理實(shí)體信息組成，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)交易數(shù)據(jù)。模型是數(shù)字孿生的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)，主要包括計(jì)算分析模型和運(yùn)行控制模型，前者用于描述、理解和預(yù)測(cè)孿生體的運(yùn)行狀態(tài)和行為，后者用于指導(dǎo)物理實(shí)體運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)。服務(wù)是數(shù)字孿生的呈現(xiàn)表達(dá)，用于多個(gè)孿生體之間數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和功能調(diào)用，以及連接孿生體與其對(duì)應(yīng)物理實(shí)體。

建立孿生體間、孿生體內(nèi)多組件間的互操作性。互操作性是兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)交換信息并相互使用已交換信息的能力。建立孿生體多組件間的互操作機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生互操作性的基礎(chǔ)。一方面，保障每個(gè)孿生體中都具備一些公共數(shù)據(jù)屬性和模型的通用結(jié)構(gòu)，以便通過(guò)常用方法訪(fǎng)問(wèn)和調(diào)用。另一方面，對(duì)接國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或區(qū)域互認(rèn)的通信協(xié)議來(lái)定義信息語(yǔ)法、信息語(yǔ)義、預(yù)期行為和信息交換方式，解決多個(gè)孿生體間的互操作性、孿生體內(nèi)各種應(yīng)用程序互操作性、孿生體與其對(duì)應(yīng)物理實(shí)體的互操作性、孿生體與其物理信息源的互操作性。

美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟認(rèn)為構(gòu)建數(shù)字孿生時(shí)要著重考慮八大技術(shù)領(lǐng)域，包括信息建模、信息遷移、信息同步、服務(wù)接口、連接、部署、安全及互操作性。

一是信息建模方面，信息是數(shù)字孿生的核心元素，貫穿整個(gè)生命周期，建模時(shí)要著重元模型、結(jié)構(gòu)化模塊化及擴(kuò)展機(jī)制、映射機(jī)制、信息關(guān)系建模機(jī)制、組件建模方法。

二是信息遷移方面，從各信息源到孿生體遷移時(shí)要著重不同來(lái)源信息遷移機(jī)制、復(fù)制引用及其組合機(jī)制、信息緩存機(jī)制、在線(xiàn)離線(xiàn)信息遷移機(jī)制等。

三是信息同步方面，要著重信息源與孿生體之間的雙向同步方法、大型復(fù)雜孿生體中多個(gè)子孿生體之間信息同步機(jī)制、信息同步頻率安全等同步規(guī)則、保障孿生體及其信息源的互操作性以促進(jìn)信息同步的標(biāo)準(zhǔn)方法。

四是服務(wù)接口方面，要著重離線(xiàn)信息訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制、在線(xiàn)信息訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制、批量流失信息交換機(jī)制、跨供應(yīng)商互操作的應(yīng)用服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

五是連接識(shí)別方面，要著重唯一識(shí)別孿生體與其對(duì)應(yīng)實(shí)體并建立連接的機(jī)制、在網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)發(fā)現(xiàn)實(shí)體并連接對(duì)應(yīng)孿生體的機(jī)制、發(fā)現(xiàn)其他孿生體并建立連接的機(jī)制、不同供應(yīng)商的孿生體可互操作的連接標(biāo)準(zhǔn)。

六是部署機(jī)制方面，要著重靈活部署機(jī)制（可邊緣可云部署）、分布式孿生體的組件部署機(jī)制、多態(tài)部署機(jī)制。

七是安全保障方面，要著重孿生體內(nèi)數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)的安全控制機(jī)制、復(fù)合孿生體中各子孿生體的供應(yīng)商訪(fǎng)問(wèn)安全控制機(jī)制、物理實(shí)體與其孿生體之間的雙向通信安全機(jī)制，以及保障信息、模型和其他元數(shù)據(jù)真實(shí)性的方法。

八是互操作方面，需要著重多個(gè)孿生體間互操作的協(xié)議機(jī)制、保障不同應(yīng)用和孿生體間互操作的協(xié)議機(jī)制、孿生體與其對(duì)應(yīng)實(shí)體間互操作的協(xié)議機(jī)制、孿生體與其他信息源之間互操作的協(xié)議機(jī)制。

美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟初步梳理了現(xiàn)有和在研的數(shù)字孿生相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作。一是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO、IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)等發(fā)起的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)研制工作。例如ISO/TC 184成立了數(shù)字孿生體標(biāo)準(zhǔn)研制組；IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)發(fā)起了IEEE P2806項(xiàng)目研究工廠(chǎng)環(huán)境下物理實(shí)體數(shù)字表示的系統(tǒng)架構(gòu)；ISO/AWI 23247也用類(lèi)似方法研究數(shù)字孿生制造框架，該框架側(cè)重于孿生體的服務(wù)接口和功能性以實(shí)現(xiàn)孿生體能即插即用。二是出現(xiàn)了一些未明確提及數(shù)字孿生術(shù)語(yǔ)但是與其密切相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)。例如IEC 6283標(biāo)準(zhǔn)定義了以數(shù)字工廠(chǎng)資產(chǎn)表示為中心的數(shù)字工廠(chǎng)框架，但是沒(méi)有明確提及數(shù)字孿生；ISO/IEC JTC1的新興技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合組認(rèn)為數(shù)字孿生是15個(gè)新興技術(shù)中急需深入研究的領(lǐng)域，該聯(lián)合組正積極探索與開(kāi)源社區(qū)的合作模式。

數(shù)字孿生是推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的先進(jìn)使能技術(shù)和方法，廣受學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。當(dāng)前，全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展如火如荼，為數(shù)字孿生提供良好孵化床，各種應(yīng)用場(chǎng)景加速落地，應(yīng)用領(lǐng)域范圍不斷拓寬。美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的《工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價(jià)值、設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例)》白皮書(shū)，提供了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)視角下的數(shù)字孿生定義、商業(yè)價(jià)值、體系架構(gòu)以及工業(yè)數(shù)字孿生的部署實(shí)施路徑，通過(guò)不同行業(yè)實(shí)際應(yīng)用案例描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與其孿生體的關(guān)系，為進(jìn)一步數(shù)字孿生技術(shù)研究及工業(yè)中的應(yīng)用推廣奠定了重要基礎(chǔ)。隨著我國(guó)“新基建”的快速推進(jìn)，將會(huì)推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的深入應(yīng)用與蓬勃發(fā)展，從而激發(fā)出無(wú)限的產(chǎn)業(yè)潛力與市場(chǎng)動(dòng)能。