读《数字孪生体-第四次工业革命的通用目的技术》摘要

1、丑小孩综合征：大家只关心最终结果，而对于前期工作则难以客观反馈和修正，正如母亲不愿意也不能事先知道自己怀的婴儿有可能是丑小孩。美国国防装备研制也面临着丑小孩综合征，具体表现为：

（1）装备研制中的风洞和试飞两项工作时间太长，风洞实验长达48小时，试飞则长达96个月，两项工作时间加起来占了研制周期85%的时间，这对于数字时代作战难以接受。

（2）从研制成本来看，技术研发和风险分析阶段的综合拥有成本非常高，占据80%以上的总体拥有成本。

话句话说就是风洞和试飞两个过程小号了大量的时间，但是难以通过不断的增加投入来解决该问题。大幅消耗自己的研发资源和资金，势必会减少其他领域的投入，从而并不能有效维持美国的竞争优势。为了解决这个问题，于是引进了物理学概念“数字孪生体”的概念，逐渐形成了以数字驱动的数字孪生技术。

2、数字孪生的定义目前比较模糊也比较多，其中ISO 23247给出的定义为：数字孪生体为通过可见制造元素和以适当同步的数字表达融合的手段。

3、通用目的技术通常包含三个阶段：

（1）第一阶段为发现通用目的技术。

（2）第二阶段为企业获得模板。

（3）第三阶段为在特定领域加以应用。

4、目前有四种新一代通用目的技术，分别是：人工智能、数字孪生体、5G/6G和物联网。

5、通用目的技术的类型：

（1）组织技术：包括工厂系统、大规模生产和精益生产等。

（2）流程技术：包括植物家养、动物家养、矿石冶炼、书写、印刷和生物技术等。

（3）产品技术：包括轮子、铜器、铁器、电、汽车、飞机、计算机、互联网、人工智能、数字孪生体、5G/6G和物联网等。

6、数字孪生体主要应用方向为：城市、建筑、能源、汽车、航空航天、交通、医疗健康、材料和国防九个领域。可以分为三大类：

（1）资产类：包括城市、建筑和能源，这三大领域的主要目标是对物理设备建模，仿真不是它的主要目的，通过对这些设备建模，形成数字化资产，以便实现健康管理或预测性维护。

（2）控制类：包括汽车、航空航天和交通，它们对实时控制的要求较高，虽然也有资产管理的需求，但那不是这三大领域数字孪生体的核心价值。

（3）仿真类：包括医疗健康、材料和国防，总体来说，这些领域涉及目标 物理对象各种机理的真实性描述，这实际上就是仿真性能指标要求，通常与物理、化学或生物科学息息相关。

7、数字孪生技术分为：数字孪生化、数字线程和数字孪生体平台三大类。

8、数字孪生分为五种等级：几何模型、数据描述、数据融合、动态孪生和自主孪生。

9、通用电气数字公司在介绍数字孪生体应用的时候，主推的也是资产管理。在数字孪生城市、数字孪生建筑、数字孪生航空航天等领域，其本质也体现为资产管理，甚至在目前可见的案例中，90%以上的应用只是实现了可视化的资产管理。

10、数字孪生体联盟正在孵化OpenCAD系统。

11、新技术基础设施包括人工智能、云计算、数字孪生体和区块链等新一代技术。

12、融合基础设施与互联网、大数据和人工智能等技术有紧密的关系，自然难以逃脱应用大量的开源软件，由于这些软件涉及开发者建立生态或获得数据交换的目的，大部分都是通过开源软件的方式发布的。

13、数字孪生体的核心应用场景是城市管理。

14、标准战略研究显示，在新技术范式形成的同时开展标准研究，结合知识产权保护，可以加强先发优势，这对保护自身利益颇有帮助。数字孪生体作为新一代数字技术，目前正处于标准建设初期，全球不少组织积极推进数字孪生体标准研制工作，大大促进了数字孪生体产业的发展。

15、从数字技术标准研制的新模式来看，基于开源项目开发相关标准，有助于加快标准与应用的对接，避免传统方法带来的标准研制周期长的困境。

16、传统互联网企业的成功经验告诉我们，“赢家通吃”是平台生态演变的最终结果。这一点已经可以从全球市值排名前十的上市公司看出，七家公司都是平台运营者，它们牢牢的控制了平台生态的标准和准则，形成了垄断地位，同时，它们利用平台运营者的身份，轻松进入其他领域，成为实实在在的“赢家通吃”典范。

17、数字孪生体目前还谈不上拥有成熟的标准，主要是因为它是通用目的技术，从处于核心的航空航天领域不断的降维发展，很多领域还处于初步应用阶段，难以短期内做出完整的标准体系。

18、由于数字孪生体在多个行业都会有应用的机会，传统的国际标准组织不见得反应那么快，它们固有的流程会阻碍其适应颠覆性创新的节奏，行业和技术联盟在这轮数字孪生体标准战中可能会发挥至关重要的作用。

19、与国内数字孪生城市建设不同不用考虑成本不同，韩国建设数字孪生城市非常敏感，如果有可以降低成本的方式，更容易受到政府的欢迎。

20、在第四次工业革命到来之际，全球工业化程度已经较为深入，要在新时代获得竞争优势，任何国家、产业或者企业都必须关注标准带来的挑战和机遇，如果还沉迷于过去的标准研制方法，将无法达成预定的平台生态建设目标。只有采用更加开放的基于开源的标准研制方法，才是数字孪生体时代的生存之道。

21、数字孪生体技术是第四次工业革命的通用目的技术，具有颠覆性技术的特征，产生于美国国防部的应用，主要为了解决战斗机维护上的需要，后来应用到工程设计、生产制造等环节，进而实现军民应用发展，开始在更多低端领域应用，例如城市管理、建筑、能源和医疗健康等行业，这正好是颠覆性创新发展的常态过程。

22、大型企业通常遵循研发、管理和商业化的流程。为了满足一个足够大的市场需求，企业的研发部门会尽量选择可靠的手段研制解决方案，通过严格的研发流程保障投资回报，当解决方案得到验证之后，将通过公司组织中的生产、营销、管理和服务等部门通力协作，最终交付给客户。为了保证最大的利益，企业资源会尽量配置给可持续创新、实现利润最大的业务和服务。

23、处于先机的数字孪生体应注意打造具有路径依赖的核心竞争力，争取把潜在的竞争对手锁定在行业之外。

24、具体来说，选择数字孪生体颠覆性创新路径的企业，应及早打造标准体系、平台生态、人才团队和品牌影响力等，为后进入市场的企业设置障碍，让他们即便考虑转型到数字孪生体领域，也会因自身在仿真、物联网等领域投入过大而难以下定决心改变原有战略。

25、数字孪生的三大流派：

（1）数据派：坚持数据驱动的模式。

（2）链接派：为物联网应用模式，通过为产品生命周期提供新的视角。

（3）仿真派：技术路径由仿真企业推动，强调基于仿真的系统工程。

26、数字孪生体在航空航天等高端领域有一些典型的应用案例，但这些案例大都是不计成本、不计代价完成的，如美国空军研究实验室启动机身数字孪生体项目等。这些技术远超普通行业的需求，如果人们把这些技术引入普通行业，并不见得是有效的。

27、只有通过满足客户的刚性需求，才可能获得客户对数字孪生技术的信任，不断的逼近共性问题，才可以一步步推动数字孪生体演变为通用目的技术。

28、数字孪生技术分为数字孪生化、数字线程和数字孪生平台。

29、任何技术的应用，都需要与需求匹配和场景匹配。美国的新技术应用大都来自军事需求，而中国则主要来自政府推进的相关项目和应用。

30、日本从80年代开始，在“人工智能+制造业”上探索的案例剖析，寻找制造业的痛点，以期解决制造业发展中的个性化需求。1989年日本通产省委托国际机器人工程自动化技术中心对智能制造系统计划做调研，该中心专门成立了只能制造系统国际项目讨论委员会和工作组，后来迅速在当年10月即形成了相关计划草案。到1999年，日本共有100多家企业和大学参与其中，并启动了16个项目。

虽然日本围绕制造现场来推进智能制造系统，但是却高估了自己对未来制造的理解，同时缺乏基础技术方案的深刻认识，导致其对制造技术趋势发展做出了错误判断。日本在20世纪80年代提出的第五代计算机、模拟高清电视机、软件工业计划以及智能制造系统都失败了。日本的工业哲学不仅强调设备之间的高度集成，还要求人与机器之间的紧密协同，这样的指导思想必然会把重点放在生产现场，这在工业数字化成都不高的时候是有效的，因为工业控制级别的数字只能解决生产控制问题，并不能解决生产决策的挑战。从目前日本制造业对技术路径的认识来看，日本似乎还钟情于高度集成的工业手段，对于开放架构驱动的数字自动化趋势反应并不明显。

31、数据驱动的制造模式是一种新模式，它代表了工业决策的数字化转型，与过去50年所追求的工业控制数字化转型是不同的目标。推动这种新制造模式的技术即为数字孪生体，只有它的开放架构才可以承载融合人工智能、数据科学、物联网等新一代技术的能力。

32、相关国家经验表明，人均GDP突破1万美元之后，经济增长开始进入提高质量为主的稳定增长阶段，这主要体现为人们需要更为个性化的产品和服务。通常被学者称为“后工业化时代”。

33、后工业化时代的几个特点：

（1）出现新的一代人群，在美国这一代人大致在2000年成人，成为互联网的主要消费者。

（2）后工业化时代意味着工业化程度比较高，产品供应总体表现为过剩，大家开始从追求低价转向追求个性需求，这将迫使制造企业提供小规模的产品和服务。

（3）后工业化时代的制造产品供应非常充足，导致服务业快速发展，以满足获得较高收入的工薪阶层的需求。

34、以产业专业化分工的角度来看，数字孪生制造实现的难点在于缺乏统一的标准，这在设备领域尤为明显，传统的设备提供商不愿意采用开放的标准和接口，避免被低价竞争者抢夺市场。

35、可以预见，随着传感器的价格继续下跌，物联网能力越来越强，各个设备厂商的议价能力逐步降低，甚至在产业资本的驱动下，生产开放架构的装备系统可能性比较大，自行集成为一个数字孪生工厂，也不是不可能的事。

36、真正意义的数字孪生工厂应满足以下条件：

（1）可以对需求变化进行调整，比传统方式更简单，成本不会增加太多，这意味着实现了小批量、多批次的生产管理效果。

（2）对供应链实现实时管理，对生产排产实现实时调整；

（3）现场人员大幅减少，较为高级的数字孪生工厂可以实现无人化。

（4）数字孪生工厂对产品运行应用有远程配置和维护能力，当产品出现故障时，可以通过远程维修或及时召回进行维护。

37、苹果公司的优势是通过生态战略确定了硬件、软件、应用和内容四位一体的竞争优势，利用品牌领先优势占据了智能手机市场的主导地位，它对工厂的处置方式是加强生产现场的透明化，通过多家工厂为其代工，不断维持其行业主导力。特斯拉则是一家进入电动汽车领域的制造企业，它的核心竞争力在其数字孪生工厂，通过从NASA引入相关技术人才和技术，已经实现了数字孪生制造，即实现了供应链的数字孪生化，还实现了产品的个性化使用体验的控制，其长期竞争优势非常明显。

38、对于特斯拉电动汽车来说，从购买之出，人们就借助数字孪生模型选择自己喜好的个性化车辆，到用户开始使用该车辆，通过特斯拉数字孪生体平台，获得及时的运行维护服务。当然随着特斯拉升级软件系统或推出新功能，可以为车辆提供更好的使用体验。

39、数字孪生体来自航空航天领域，在降维策略的指引下，从要求较低的城市管理、建筑和能源领域率先应用，推动技术完善和产业链专业化分工，这有助于数字孪生体产业的发展。

40、从2010年开始，IBM智慧地球（特别是智慧城市）的概念深得不少国家政府的喜爱，诸如新加坡、英国、韩国和中国等。各国纷纷依照IBM描绘的智慧城市蓝图，开始设计本地地方案。根据IBM提出的概念，智慧城市应该满足3I特征，即感知（Instrumented）、连接（Interconnnected）和智能（Intelligent）。感知指的是通过监控设备、传感器等设备打造广泛的感知；连接是指通过宽带、无线网和移动通讯网络形成全面的物联网；智能则要求利用数据科学等大数据分析手段，形成更深入的智能效果。

41、数字孪生城市的七大主要内容：

政务服务：集成各项公共服务，节省使用者的时间。

运输：利用数字技术，减少拥堵，提高道路的应用效率。

能源和公共设施：通过实时信息改善供求关系，提高利用率。

医疗健康：提供以患者为中心的高质量服务。

电信：提供宽带通信基础设施。

教育：帮助学生获得个性化的教育服务。

公共安全：能够保证个人隐私，实现可靠的运行。

42、平台运行者掌握了平台核心技术和能力，可以获得锁定客户的优势，具有天然的核心竞争力；同时，数字孪生城市平台采用生态运行模式，把平台能力开放出来，让更多的利益相关者参与开发新功能，丰富平台生态价值，假以时日，如果该平台的规模足够大，足以形成网络效应，这正是平台生态的核心价值。

43、虽然各地政府投入了巨额资金来建设平台和系统，但一直不能解决数据之间共享的问题，这导致建设周期较长，成本较高。究其原因，主要是承建方和参与方因为各种理由不愿意共享自己的私有标准，为了解决这个问题，数字孪生城市实验室将基于智能杆网关开放标准，打造一个智能杆网关开源项目，让所有利益相关者参与进来。

44、5G基站是数字经济发展的基础。

45、在技术要求较低的城市管理领域应用数字孪生技术，可以较为轻松的解决一些难题，这正是降维策略的核心思想。

46、积极采用数字孪生体的概念，通过几年时间的研究，初步确定了工程实践的两大重点：一是对航空航天飞行器结构进行研发和验证，以是实现个性化维护；二是对关键资产建立数字孪生体，实现使用过程中的定制要求，达到个性化体验的目的。

47、NASA对数字孪生鉴定的方法有浓厚的兴趣，其原因在于它可以降低成本，还可以加速原有的鉴定周期，这显然是数字孪生体时代鉴定标准要求。不过，要实现实时的数字孪生鉴定，还有不少技术需求突破，NASA保守地认为要到2025年左右才可能实现。如果对NASA虚拟数字机队有了深入了解，那么大家对航空航天领域的一些先进技术就有了基本了解，也不会惊讶，看似先进的技术，至少十年前，NASA就对此做了完整规划，目前进展真实体现了数字孪生体技术的进步。

48、数字孪生电网是建立物理系统在数字空间的数字孪生模型基础之上的，它既可以承载历史数据，还为物理系统和数字孪生模型之间的数据同步提供了前提。历史数据可以帮助数字孪生电网平台进行离线分析，为其运行提供更有效的建议；实时数据同步可以为电网的实时控制提供方便，这可以大大提高电网的运行效率，也可以满足更丰富的应用场景需求。

49、数字孪生电网主要应用包括：

（1）基于数字孪生的电网监控。其目的是为了发现系统运行中心的异常，实现数字孪生的运维，降低电网运行的各种风险，提高电网的可用性，实现高可靠性的质量管理目标。

（2）基于数字孪生体的运行管理。利用数字孪生电网提供的数据，调动系统的可控资源，降低运行成本，提高能源使用效率，并为电网支持经济和产业发展提供有效保障。

50、数字孪生电网的运行方向是与其他城市运行单元建立数据交换或分享机制，从而实现两个目标：

（1）一是获得相关数据，例如市政规划数据、小区数据等，有助于做好电网配电的规划工作；

（2）二是提供数据给城市管理单位，建立多种数据源驱动的数字孪生城市，以便提供更好的公共服务和促进产业发展。

51、如果数字孪生电网可以利用网络和数据优势，为每座建筑提供检测报告和个性化服务方案，将有助于我国降低单位面积的能源消耗，提高能源利用率，既具有经济效益，还具有很强的社会效应。数字孪生电网这些能力的输出，可以以数字孪生应用的方式来实现，体现了电力领域的数字孪生创新生态建设之目标和价值。

52、英国石油对探索数字孪生体应用做出总结：

（1）虽然没有必要改变核心信息系统，但如果考虑未来需要，还是要建立现代架构的数字孪生基础设施。

（2）数据湖是开始而不是结果，它自身不能解决任何问题；

（3）应该建立设备级的数字孪生体，而不是针对每个应用建立一个案例；

（4）鼓励数据拥有创建和维护数字孪生模型，以释放数据的价值；

（5）应该尽量从新的供应商学习数字孪生体技术，不能只依赖传统的合作方。

53、数字孪生体应用主要有两个挑战：

（1）一是分离的数据如何聚合到一起的问题；

（2）二是高昂的仿真解决方案成本问题。

54、数字孪生体作为一种通用目的技术，在第四次工业革命到来之际，开始往各个行业渗透和应用，在能源领域的数字孪生体应用，体现了数字孪生体技术在高价值资产领域的巨大潜力。

55、由于数字孪生体技术与传统的线性工程方法不同，它是基于模型的系统工程，包含了大量的软件工程，从投入上来说，它堪称“数字曼哈顿项目”，项目一旦成功，将对全球军事工程的竞争格局产生至关重要的影响，这也是它被拿来与80年前的原子弹曼哈顿项目相比的原因所在。

56、美国空军研究实验室继续成为数字孪生体研究的主力军，不仅在机身数字孪生体项目上取得突破成就，而且利用数字孪生体单一数据来源的特点，构建了武器系统的数据自动化。

57、由于美国武器系统的成本不断上升和复杂度不断增加，数字孪生体作为一种革命性的工程方法，被引入到武器系统的研制中来，节约了大量研发成本。

58、在实施数字孪生体和数字线程的时候，具有以下挑战：

（1）需要大量的计算能力。由于战斗机的材料、制造和运维等环节都需要建模和仿真，因此需要大量的计算能力。如果还是采用传统仿真方式，这个问题显然无解。

（2）需要大量掌握专业技能的人。利用数字孪生体和数字线程系列工具，不需要工作人员掌握复杂的计算技术，让他们专注工程问题的解决即可。

（3）需要足够的资金投入。现代数字工程通常规模比较大，管理也非常复杂，这需要投入足够的资金，才可能产生有意义的结果。

59、通过十年时间的探索和实践，数字孪生国防已经进入了新的历史阶段，这为国防领域的数字化转型提供了新思路、新模型和新实践。数字孪生体技术在武器装备研制和运行维护等多个领域取得了难以想象昂的发展，美国空军在数字孪生军人上的探索，有可能成为下一个十年的重要方向。