数字孪生相关国内外研发动向：政策与技术的深度解析

介绍

近日，日本研究开发战略中心发布题为《数字孪生相关国内外研发动向》的报告指出，近5年来，以工程和计算科学领域为中心，数字孪生相关研究急剧增加。美国、德国、英国、中国等国的研发十分活跃，各国大学、公共研究机构、民间企业等合作的研究项目正在进行中。报告分析了欧盟、德国、英国、美国、中国、日本等国的政策动向和领域重点，提出了构建和利用数字孪生的四个阶段，指出许多国家各领域的项目都致力于相关技术领域，特别是模型相关的研发。

一，

数字孪生的基本概念

数字孪生是一种信息物理系统（CPS）日本数字农业日本数字农业，它通过高精度测量和观测从现实世界收集的数字数据，在网络空间虚拟复制物理产品和服务，是一种可以预测未来各种可能发生事件的模拟技术。

数字孪生的基础是跨制造、材料、结构、强度、机械、燃烧、传热、流体、振动、化学和电等技术领域的复杂现象模型的开发和验证。因此，推动复杂现象的分析并纳入模型，进一步推动模型的集成化，是数字孪生未来发展的重要方向之一。同时，数字孪生的应用范围不仅在制造业，还在城市、交通、能源、气象、健康和教育等领域不断扩大。

二，

各国重点解析

1.制造领域

在制造业领域，不同国家侧重的技术重点不同。美国侧重构建可互换使用的平台和以分层建模和材料为中心的制造过程建模；欧盟侧重通过制造过程建模降低能耗；德国侧重平台建设、中间件开发和材料等制造过程建模；英国侧重于制造过程建模；中国侧重于数据收集、建模和构建平台所需的基础技术；日本侧重于制造相关的各种现象、设备设计和制造过程的生产分析。

在研究课题方面，美国倾向于提高互操作性，扩大已有的数字解决方案的规模，这需要线性比例的成本；欧盟倾向于构建CPS，以提高生产效率和为安全降低能耗进行系统技术开发；德国倾向于实现数据的统一管理，提高机器间的互操作性；英国倾向于针对特定机器或用例，建立基于数字孪生技术和经验证据的设备控制方法；中国倾向于通过标准化来提高互操作性；日本倾向于构建网络空间与物理空间高度融合的网络体系。

此外，报告指出，从近期目标（至2025年左右）来看，制造领域的技术重点主要围绕建模，例如以3D打印机为代表的分层建模、材料等；从中远期目标（至2030年左右）来看，则主要围绕整个制造流程的建模（概念）展开。

2. 能源与城市地区

在能源与城市领域，美国重点发展以城市（交通、建筑）、飞行器、核能发电为中心的建模、面向人工智能的模型嵌入与自动化；欧盟重点发展城市（建筑）、建设过程、飞行器、风力发电的安全与建模；德国注重数字化智慧城市生态系统的设计与建设；英国重点发展以城市（基础设施）和飞行器为中心的建模；中国重点发展数据采集、建模与平台构建所需的基础技术；日本重点发展三维城市模型的制备、利用、数据开放化，以及面向灾害防御的城市数字孪生技术建设。

主题方面，美国倾向降低能源消耗、建立下一代发电技术、改善建模技术；欧盟倾向改善降低能源消耗的建模技术；德国倾向关注复杂数字孪生出现故障时可能对城市生活造成的严重影响；英国倾向关注数字孪生技术的对接，以及利用数字孪生技术的商业模式和概念的探索；中国的研究主题较为复杂，与其他国家相比，项目方向不明确，主张深化基础研究，强调与产业界的合作；日本则倾向关注下一代火力发电系统和海上风电场。

报告指出，从近期目标看（至2025年左右），能源与城市领域的技术研究将主要集中在城市三维数据构建、城市整体建模（交通、建筑、电力、海洋和农业等）、建设流程、飞行器与发电等；从中远期目标看（至2030年左右），主要侧重于各类模型的集成（概念化）以及下一代能源系统的开发，如核能发电系统的建模与实验等。

三，

报告的主要结论

报告认为，数字孪生分为四个阶段：第一是数据采集，是在模型探讨阶段初期，收集数据、推动数字化的阶段，用于解决问题。此阶段不包括数字孪生，一般认为是数字化。第二是数据利用。随着数据利用的推进，可预测的数字孪生已经建立，可以称为局部数字孪生。对于每个主题，分别讨论所收集的数据、模型和仿真方法。第三是数据集成。随着数据集成的进行，海量数据以可理解的形式可视化，并反映在模型构建中。在构建能够捕获复杂事件的数字孪生时，可以称为综合数字孪生。第四是模型精细化。随着模型集成和精细化的推进，数字孪生用于捕获多个复杂事件并解决复杂问题。这是自主功能的数字孪生（自主数字孪生）和自主运行的数字孪生技术阶段。

此外，在未来研发方向方面，报告指出，一是深入探讨数字孪生构建及运用阶段的议题；二是深入探讨研发主题与技术议题，提升个别模型间的互操作性；三是深入探索数字孪生技术相关领域的合作，建构数字孪生生态系统，进而实现日本社会5.0。

四、启示与建议

从报告中可以得到以下三点启示：一是可以参考其他国家的研发重点，探索符合我国国情的研发课题和发展方向；二是在孪生技术项目课题上，我国的研发方向缺乏目标性，需要制定更加明确具体的研发方向，可以参考欧美国家的先进范例，探讨各领域的路线图；三是需要关注数字技术在气象、气候等领域的应用。未来是数字绿色发展的时代，在双碳目标下，我国需要寻求更好的解决方案。从报告内容来看，欧盟在气象、气候领域已经取得了一些成绩，其他国家仍需探索数字孪生技术在该领域的深度应用。

关于作者

李默，吉林省科技情报研究所，初级研究员，主要研究领域为科技情报信息（日本方向）

志玲

志玲，中国工程院、中国工程科技知识中心官方订阅号。关注科技动态，普及科技知识，弘扬院士精神，传播科学思想。