數(shù)字孿生（Digital Twin），即現(xiàn)實世界（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內(nèi)建立實體系統(tǒng)的數(shù)字映射，模擬物理實體、流程或者系統(tǒng)的技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)可對物理實體進行分析和優(yōu)化，并可借助依賴傳感器數(shù)據(jù)了解物理實體狀態(tài)，對變化做出響應(yīng)，幫助改進操作，因此對推動智能制造發(fā)展具有重要意義。隨著企業(yè)數(shù)字化的進一步推動，越來越多的國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算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)的出現(xiàn)。如此算來，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)走過了幾十年的發(fā)展歷程，其確切概念2003年由美國密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里弗斯正式提出。格里弗斯認為，通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個可以表征該物理設(shè)備的虛擬實體和子系統(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”的顛覆性機遇，并從 2014 財年起組織洛馬、波音、諾格、通用電氣、普惠等公司開展了一系列應(yīng)用研究項目。就此，數(shù)字孿生理論與技術(shù)體系初步建立，美國防部、NASA、西門子等公司開始接受這一概念并對外推廣。

數(shù)字孿生發(fā)展歷程

實際上，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)開始萌芽；有了CAE仿真手段，研究手段從計算機簡單輔助向自動化轉(zhuǎn)變，數(shù)字虛體和物理實體走得更近；有了系統(tǒng)仿真，研究對象從簡單物體向復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，虛擬實體更像物理實體；直至有了比較系統(tǒng)的數(shù)字樣機技術(shù)，研究目標從單體動力學(xué)向多體動力學(xué)轉(zhuǎn)變，研究形式從靜態(tài)向動態(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，促進信息空間與物理空間的實時交互與融合，以在信息化平臺內(nèi)進行更加真實的數(shù)字化模擬，并實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。將數(shù)字孿生系統(tǒng)與機器學(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)進行自我學(xué)習(xí)，從而幾乎實時地在數(shù)字世界里呈現(xiàn)物理實體的真實狀況，并能夠?qū)磳l(fā)生的事件進行推測和預(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)字孿生對推動智能制造發(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時交互中，二者之間能夠及時地掌握彼此的動態(tài)變化并實時地做出響應(yīng)，為實現(xiàn)智能制造提供了有力的保障，同時也進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，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)展趨勢之一。目前，數(shù)字孿生主要被應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域，國際數(shù)據(jù)公司(IDC)表示現(xiàn)今有40%的大型制造商都會應(yīng)用這種虛擬仿真技術(shù)為生產(chǎn)過程建模，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，估計有210億個連接的傳感器和終端服務(wù)于數(shù)字孿生，在不久的將來數(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，數(shù)字孿生技術(shù)逐步成為智能制造的一個基本要素，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年未來國防和航天工業(yè)頂尖技術(shù)之首；英國國家基礎(chǔ)設(shè)施委員會于2017年12月發(fā)布《數(shù)據(jù)的公共利益報告》(Public Good report)，提出創(chuàng)建一個與國家基礎(chǔ)設(shè)施相對應(yīng)的數(shù)字孿生體，并于2019年1月啟動相關(guān)計劃；Gartner公司連續(xù)3年(2017-2019年)將數(shù)字孿生列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。

黨的十九大報告明確提出要加快建設(shè)制造強國，《中國制造 2025》指出“將智能制造作為兩化融合的主攻方向，推進生產(chǎn)過程智能化，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個領(lǐng)域中擁有45個細分類的應(yīng)用。具體領(lǐng)域包括：安全急救、環(huán)境保護、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、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)和建筑建設(shè)等。

從應(yīng)用階段來看，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，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展將PLM的能力和理念，從設(shè)計階段真正擴展到了全生命周期。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)計階段，借助數(shù)字孿生技術(shù)可提高設(shè)計的準確性，并驗證產(chǎn)品在真實環(huán)境中的性能。主要功能包括：數(shù)字模型設(shè)計、模擬和仿真。對產(chǎn)品的外形設(shè)計、使用性能和機械性能（強度、剛度、模態(tài)等）進行仿真，便于優(yōu)化設(shè)計、改進性能同時降低成本。目前，法國達索公司、美國歐特克公司及美國ANSYS公司等企業(yè)開發(fā)的建模與分析軟件已廣泛運用于工程設(shè)計領(lǐng)域。2018年5月，美國通用電氣公司與美國海軍研究辦公室簽署了一份價值900萬美元的合同，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)入的時間，提高產(chǎn)品設(shè)計的質(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)字孿生是一個高度協(xié)同的過程，通過數(shù)字化手段構(gòu)建起來的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來，實現(xiàn)以下功能：生產(chǎn)過程仿真、數(shù)字化產(chǎn)線、關(guān)鍵指標監(jiān)控和過程能力評估。美國洛馬公司使用數(shù)字孿生技術(shù)提升F-35戰(zhàn)斗機生產(chǎn)效率，將單架飛機制造周期從22個月縮減至17個月。

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，從大型裝備到消費級產(chǎn)品，都使用了大量的傳感器來采集產(chǎn)品運行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來避免產(chǎn)品的故障，改善用戶對產(chǎn)品的使用體驗。服務(wù)階段的數(shù)字孿生，可以實現(xiàn)如下的功能：遠程監(jiān)控和預(yù)測性維修、優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標、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、交通遠程調(diào)度及輪機、鍋爐等復(fù)雜設(shè)施的管理。俄羅斯南烏拉爾國立大學(xué)研發(fā)電驅(qū)動裝置數(shù)字孿生技術(shù)，用于輔助電驅(qū)動裝置維護，以預(yù)測故障，提高生產(chǎn)的可靠性與安全性。

四、數(shù)字孿生應(yīng)用中的安全風險不容忽視

當前，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，推動數(shù)字化世界的邊界急速擴張。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)向開放系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變勢在必行，系統(tǒng)性的網(wǎng)絡(luò)安全風險將集中呈現(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)風險。原有的基礎(chǔ)設(shè)備多為長期運行在封閉系統(tǒng)環(huán)境下的簡單設(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，同時由于缺乏應(yīng)對互聯(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)安全問題。

另一方面，智能制造系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)安全風險。隨著當前網(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)可能是通過大數(shù)據(jù)平臺存儲，也可能分布在用戶、生產(chǎn)終端、設(shè)計服務(wù)器等多種設(shè)備上，任何一個設(shè)備的安全問題都可能引發(fā)數(shù)據(jù)是泄密風險。同時，隨著智能制造與大數(shù)據(jù)、云計算的融合，以及第三方協(xié)作服務(wù)的深度介入、大量異構(gòu)平臺的多層次協(xié)作等因素，網(wǎng)絡(luò)安全風險點急劇增加，帶來更多的入侵方式和攻擊路徑，進一步增加數(shù)據(jù)安全風險。

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)揮重大推動作用。但作為一種開放共享的新興技術(shù)，在其與互聯(lián)網(wǎng)加速融合的過程中勢必面臨系列網(wǎng)絡(luò)安全風險與挑戰(zhàn)。為此，開展數(shù)字孿生領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)安全管理體系建設(shè)，提前研判風險和應(yīng)對措施將成為促進相關(guān)技術(shù)發(fā)展的必要舉措。