近日，日本研究开发战略中心发布报告《数字孪生相关国内外研发动向》指出，数字孪生相关的研究，以工学领域和计算科学领域为中心，过去5年急剧增加。美国、德国、英国和中国等地的研究开发十分活跃，各国大学、公共研究机构和民间企业合作的研究项目都在推进中。报告分析了欧盟、德国、英国、美国、中国以及日本的政策动向和领域侧重点，提出构建和活用数字孪生的4个阶段，指出多国各领域的项目都在致力于与此相关的技术领域，特别是模型相关的研究开发。
一、关于数字孪生的基础概念
数字孪生是信息物理系统（CPS：Cyber Physical System）的一种形态，基于通过高精度的测量和观测，从现实世界中收集到的数字数据在网络空间上虚拟复制物理产品和服务。这是一种能够预测将来各种可能发生事件的模拟技术。
数字孪生的根基是横跨制造、材料、结构、强度、机械、燃烧、传热、流体、振动、化学和电气等技术领域的复合现象模型的开发和验证，因此推进解析复合现象，并将其纳入模型中，进一步推进该模型的一体化是未来数字孪生发展的重要方向之一。同时，不仅是制造业，城市、交通、能源、气象、健康和教育等领域数字孪生的应用也在扩大。
二、各国侧重点分析
1·制造领域
制造领域方面，各国侧重的技术重点不尽相同。美国注重构筑可相互运用的平台和以层叠造型、材料领域为中心的制造过程的建模；欧盟注重通过建模制造过程来削减能源消耗；德国注重平台构筑、中间件等的开发和材料等制造过程的建模；英国注重制造过程的建模；中国注重数据收集、建模和构筑平台所需的基础技术；日本注重制造相关的各种现象、设备的设计及制造工序的生产分析。
课题研究上，美国倾向于提高相互运用性和现有的数字解决方案的规模提升，需要线性比例成本；欧盟倾向于构建CPS提高生产效率和面向削减能源消耗的安全性等的系统技术开发；德国倾向于实现数据的一元管理，由此来完善机器之间的相互运用性；英国倾向于确立基于数字孪生技术的设备控制方法和针对特定机器或用例的实证；中国倾向于通过标准化等来完善相互运用性；日本倾向于高度融合网络空间和物理空间的网络系统的构建。
此外，报告指出，从短期（截止到2025年左右）目标来看，制造领域的技术重点主要围绕建模，比如以3D打印机为代表的叠层造型和材料；从中长期（截止到2030年左右）目标来看，主要集中在整个制造过程的建模（概念）。
2·能源和都市领域
在能源和都市领域，美国注重以城市（交通、建筑物）、飞机、原子能发电为中心的建模和用于AI的模型嵌入、自动化；欧盟注重安全和城市（建筑物）、建设流程、飞机和风力发电等的建模；德国注重数字智能城市生态系统的设计开发；英国注重以城市（基础设施）、飞机为中心的建模；中国注重数据收集、建模和构筑平台所需的基础技术；日本注重3D城市模型的整备、活用、开放数据化和防灾方面的城市数字孪生技术的构建。
课题方面，美国倾向于削减能源消耗量、确立下一代发电技术，提高建模技术；欧盟倾向于提高面向削减能源消耗量的建模技术；德国倾向于复杂的数字孪生发生故障时，可能会对城市生活产生的严重影响；英国倾向于数字孪生技术之间的连接和利用数字孪生技术的商业模式、概念的探索；中国的课题研究较为繁杂，与其他国家相比，项目的方向性不明确，主张基础研究的深化，强调与产业界的合作；日本倾向于下一代火力发电系统和海上风力发电场。
报告指出，从短期（截止到2025年左右）目标来看，能源和都市领域的技术研究主要集中于城市3D数据的构建，整个城市（交通、建筑物、电力、海洋和农业等）、建设过程、飞机和发电方面的建模；从中长期（截止到2030年左右）目标来看，主要注重各模型的整合（概念）和下一代能源系统开发，比如原子能发电系统的建模和实验。
三、报告主要结论
报告认为，数字孪生分为4个阶段：一是数据收集，在面向课题解决的模型讨论的初期阶段，收集数据，推进数字化的阶段。这个阶段不包括数字孪生，一般认为是数字化。二是数据活用，随着数据利用的推进，已经建立了可以预测的数字孪生，并且可以称为局部数字孪生。对于各个课题，分别探讨了收集的数据、模型和模拟方法。三是数据整合，随着数据整合的进行，以能够理解的形式将庞大的数据可视化，并将其反映在模型构建中。在构建能够捕捉复杂事件的数字孪生，可以称为全面的数字孪生。四是模型高度化，随着模型整合和高度化的推进，利用数字孪生捕捉多个复杂事件，解决复杂问题的阶段。是自律性地功能的数字孪生（自主的数字孪生），自主运行数字孪生技术阶段。
此外，在未来研发方向上，报告指出一是深入挖掘构建数字孪生和活用阶段的课题；二是深入挖掘研发主题和技术课题，从而提高个别模型之间的相互运用性；三是深入挖掘数字孪生技术相关领域的合作，构筑数字孪生的生态系统，从而实现日本社会5.0。
四、启示与建议
从报告可得到以下3点启示：一是可参考其他国家的研发侧重点，挖掘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，我国的研发方向目标性有所欠缺，需要制定更清晰明确的研发方向，可参考欧美国家的先进事例，针对各个领域的路线图进行研讨；三是需要重视数字技术在气象和气候领域的应用，未来是数字化绿色发展的时代，我国在双碳目标下，需要寻求更好的解决方案。从报告书内容来看，以欧盟为代表在气象和气候方面有所建树，其他国家仍需要探索数字孪生技术在该领域的深入应用。
作者：李沫，吉林省科学技术信息研究，初级研究员，主要研究领域为科技情报信息（日本方向）
