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致力于数字孪生体技术的研究与发展 通过解决方案和工程化应用造福人类 来源：计算机集成制造系统编辑部 作者：北京航空航天大学等 转载请注明来源和出处  导 读 当前数字孪生备受学术界、工业界、金融界以及政府部门关注。然而各界对数字孪生存在不同的理解和认识，对数字孪生相关新概念、新名词、新技术之间的异同存在疑惑，并且对是否适用数字孪生存在决策困惑。为理性和正确看待数字孪生，笔者团队于2019年7月27日在“第三届数字孪生与智能制造服务学术会议”上做了“数字孪生十问：分析与思考”同名题目学术交流报告，对有关问题和国内学者进行了交流讨论。为进一步了解数字孪生国内外学术研究现状，在相关报告内容及思考基础上，首先从时间分布、国家分布、来源出版物分布、研究机构和学者分布、高频关键词分布等不同维度，对2019年12月31日前发表的数字孪生学术论文进行了统计分析。 在此基础上，进一步对当前各界关注的 ①何为数字孪生？ ②谁在关注数字孪生？ ③数字孪生：中、美、德，谁更热？ ④数字孪生与智能制造的关系是什么？ ⑤数字孪生能否与新一代信息技术（New IT）融合？ ⑥数字孪生是否存在科学问题？ ⑦数字孪生何用？ ⑧数字孪生适用准则是什么？ ⑨数字孪生是否需要标准？ ⑩数字孪生是否需要商业化工具/平台？ 十个问题进行了深入分析与思考，以期抛砖引玉，为研究者更好理解数字孪生，为决策者理性和正确对待数字孪生，为实践者更好落地应用数字孪生提供参考。 关键词：数字孪生；智能制造；十问；新一代信息技术；适用准则；标准；工具与平台 引言 数字孪生作为实现虚实之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径，可将物理实体和系统的属性、结构、状态、性能、功能和行为映射到虚拟世界[1]，形成高保真的动态多维/多尺度/多物理量模型[2]，为观察物理世界、认识物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一种有效手段[3]。当前数字孪生备受学术界、工业界、金融界、政府部门关注。 在国内外专家同行指导和帮助下，近年笔者团队在数字孪生车间[4]、数字孪生五维模型及应用[2]、数字孪生使能技术与工具体系[5]、数字孪生标准体系框架[3]、数字孪生驱动的产品设计/制造/服务[6-8]等方面，和国内外学者共同开展了探索性理论研究与实践工作。和国内20多个高校和科研机构共同发起举办了“第一届数字孪生与智能制造服务学术会议”(会议已连续成功召开了3届)，并共同开展了数字孪生在制造中的应用探索[9]。针对数字孪生在理论研究与应用实践过程中的瓶颈难题，2019年在Nature发表了数字孪生评述文章[1]。相关工作以期推动数字孪生的发展和落地应用。然而，在交流与实践数字孪生过程中发现，数字孪生在理念、技术、应用等方面，以下问题备受关注： （1）从认识和理解的角度出发 当前对“何为数字孪生”，不同领域、不同学科、不同专业的专家学者存在不同的认知和理解，尚未形成一个统一的、共识的数字孪生定义，缺乏数字孪生理想特征分析。此外，当前国内各个相关会议都有关于数字孪生的交流和报道，导致存在数字孪生在中国关注多，而国际关注少的感觉，缺乏对国内外数字孪生研究现状定量方面的剖析。 （2）从研究和技术的角度出发 从事基础理论的研究者，对数字孪生是否存在或存在什么科学问题非常关注。从事应用基础或侧重技术的研究者，对数字孪生与当前新一代信息技术（如云计算、物联网、大数据、CPS、人工智能等）的区别与关联，对数字孪生、工业互联网、工业4.0、智能制造等理念间关系和相互作用不明，因而期望厘清数字孪生的科学问题以及与新技术、新理念之间的关系。
数字孪生国内外学术研究现状分析 本文选择Scopus数据库进行文献的搜索与筛选，搜索方式利用Scopus的高级搜索功能，检索式字符串为“TITLE-ABS-KEY({digitaltwin}OR{digital twins})”，即搜索摘要、论文标题或关键字字段中有“digital twin”或“digital twins”的文献。搜索结果显示1973年和1993年各有一篇文献，但这两篇文章所提及的“digital twin”并非本文所指的数字孪生。此外，2004年和2005年分别有2篇和4篇论文发表，而2006~2009年无相关论文发表。根据搜索结果分布情况，本章选取2010~2019年近10年发表收录的论文进行统计分析，以阐明近些年数字孪生的国际研究情况。 1.1 发表论文时间分布统计分析 2010~2019年10年间发表的数字孪生论文累计1177篇，如图1（a）所示（数据来源于Scopus数据库，截止2019年12月31日）。图1（b）（数据来源于Scopus数据库，截止2019年12月31日）统计了该期间各类型文献的年度发表情况，包括期刊论文、会议论文和其他类型文献（如书的章节、社论、short survey等）。从发表的文献数量分析，整体上呈增长趋势。2010~2015年发表的数字孪生文献较少，单年论文发表量少于10篇。2016~2019年数字孪生文献发表数量进入快速增长期，2016年发表24篇，2017年发表112篇，2018年发表321篇，2019年发表数量超过了600篇。其中2019年占了近10年发文总数量的50%以上。预计在未来几年，数字孪生论文发表数量还将呈迅猛增长趋势。 （a）2010-2019年数字孪生文献数量累计图 （b）2010-2019年数字孪生文献数量年度图 图1 2010-2019年数字孪生论文发表数量时间分布统计情况 此外，根据发表文章的类型分布统计可知，当前发表的论文主要以会议论文为主，但期刊论文近年呈明显增长趋势。期刊论文数量从2016年的5篇增长到2017年的40篇，到2018年的70篇，再到2019年的232篇，这种变化从侧面表明了当前对数字孪生的研究越来越深入，越来越系统。 1.2 发表论文国家分布统计分析 统计结果显示，当前已有50多个国家开展了数字孪生研究并有相关研究成果发表。如表1所示（按国家发文量排序，数据来源于Scopus数据库，截止2019年12月31日），其中研究成果主要来自美国、德国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等G7发达国家，以及中国、俄罗斯、印度、巴西、南非等发展迅速的国家。这些国家具有较高的科技水平和一定的信息化基础，能为数字孪生的研究、发展与应用提供支撑环境。 表1 已开展数字孪生研究且在学术刊物上有论文发表的国家 表1中排名前10国家的数字孪生发文量如图2所示（数据来源于Scopus数据库，截止2019年12月31日）。近10年德国、美国和中国3个国家发表的数字孪生论文总数位列前三。其中：2010~2016年期间论文发表数量美国领先，2017~2019年德国后来居上，单年论文发表数量位居世界第一，2019年中国迎头赶上，单年论文发表数量位居世界第二。相关统计数据表明，数字孪生的国际研究竞争十分激烈。此外，在统计的所有数字孪生文献中，智能制造相关的文献数量占50%以上，说明世界各国在智能制造领域的竞争十分激烈，都将数字孪生作为落地智能制造的重要技术手段。 图2 在学术刊物上发表数字孪生论文数排名前10的国家 1.3 论文出版物分布统计分析 从发表数字孪生文章的出版物来分析，出版数字孪生文章最多的10个刊物如表2所示（数据来源于Scopus数据库，截止2019年12月31日）。国际生产工程学会（CIRP）是制造领域的国际重要学术组织，在制造学科享誉盛名，其下属刊物《Procedia CIRP》发表的数字孪生文章最多，且内容与智能制造密切相关，作者主要为国际作者。《计算机集成制造系统》是我国先进制造领域的影响力非常大的中文期刊，为我国制造业信息化的研究发展起到重要推动作用，该刊物发表的数字孪生文章目前排名第2。《Lecture Notes inComputer Science》主要发表计算机领域相关的文章，当前该刊物发表的数字孪生文章总量排名第3，内容主要与人工智能、云计算等相关。发表数字孪生文章数量排名第4的刊物是《ProcediaManufacturing》，也是一个制造密切相关的刊物。由出版数字孪生论文的刊物分析可知，当前数字孪生的研究与应用主要集中在制造领域。 表2 2010~2019年出版数字孪生论文数排名前10的刊物 1.4 发表论文研究机构和学者分布统计分析 统计结果显示，截止2019年12月31日，全球已有超过1000个高校、企业和科研院所开展了数字孪生研究且有相关研究成果在学术刊物公开发表。如图3所示（数据来源于Scopus数据库，截止2019年12月31日），其中高校523所，占52.1%，其中美国大学65所，德国大学50所，中国大学67所，包括德国亚琛工业大学、英国剑桥大学、美国斯坦福大学等世界一流高校正在开展数字孪生理论研究，且这一数量呈现逐年增长趋势，足见学术界高度关注和重视数字孪生理论研究。
图3 在学术刊物上发表数字孪生论文的单位统计分析情况 在学术刊物上发表论文的数量在一定程度上能反映一个机构在相应领域的研究实力和影响力。图4（数据来源于Scopus数据库，截止2019年12月31日）为在学术刊物上近10年发表数字孪生研究成果前20的研究机构分布情况。论文数量高于10篇的高校包括德国亚琛工业大学、北京航空航天大学、瑞典查尔姆斯理工大学、俄罗斯圣彼得堡彼得大帝理工大学、德国斯图加特大学以及意大利米兰理工大学，研究机构有美国赖特-帕特森空军基地，企业有西门子。研究学者与研究机构往往是密不可分的，据统计当前全球已有上千名专家或学者参与了数字孪生研究且有相关成果在学术刊物上发表。 图4 在学术刊物上发表数字孪生论文数排名前20的单位 1.5 发表论文高频关键词分布统计分析 论文关键词能够反映研究的关注点，高频关键词能够体现一个领域的热门研究话题，因此本文统计了2017~2019数字孪生文章高频关键词，如表3所示（数据来源于Scopus数据库，截止2019年12月31日）。统计结果显示，当前全球对数字孪生的研究集中在制造领域，近三年关键词“制造（Manufacture）”出现频次增长迅速，2017年出现26次，2018年出现46次，2019年增至93次。此外，高频关键词还揭露出数字孪生与新一代信息技术（New IT）联系紧密，近三年高频关键词覆盖“大数据”“物联网”“人工智能”“虚拟现实”“增强现实”等New IT概念，可预测数字孪生未来将进一步与New IT深度集成和融合，并促进相关领域发展。 表3 2017~2019年发表的数字孪生论文中的高频关键词统计分析 |
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