近年来，随着工业互联网、传感器、云计算、边缘计算、大数据和仿真技术等快速发展，数字孪生技术进入了快速增长阶段，连续多年被Gartner列为未来十年最有前途的十大技术趋势之一。同时，我国制造业数字化、智能化转型升级近年来高速推进，逐渐开始关注数字孪生技术与工业的融合与应用创新。但目前，产业界对数字孪生的认知比较混乱和粗浅，在一定程度上阻碍了数字孪生技术在工业领域的深度应用与技术发展。
为此，结合专家分享的工业数字孪生应用案例，围绕什么样的孪生能真正对制造业有价值？基于机理模型的数字孪生是否将引领数字孪生的发展？结合辽宁装备、汽车制造的特点，数字孪生可以在哪些场景助力转型等问题，2023年7月5日CCF YOCSEF沈阳分论坛于东北大学国际学术交流会议中心举办了“数字孪生如何赋能工业转型升级”深度论坛。
本次论坛由CCF YOCSEF沈阳分论坛主席、中国科学院沈阳自动化研究所研究员刘意杨与CCF YOCSEF沈阳分论坛学术秘书、中国科学院沈阳自动化研究所助理研究员付昱凯担任执行主席，邀请了来自东北大学、西安交通大学、华南理工大学、中国科学院沈阳自动化研究所、中国信息通信研究院、辽宁省先进装备制造业基地建设工程中心、杭州西奥电梯有限公司以及本地高校和企业20余人参加。
论坛首先由执行主席刘意杨对本次论坛探讨的主题进行简要介绍，提出本次论坛的目的是为了进一步深化对数字孪生的认知，明确数字孪生在工业应用的场景和前景，构建出工业数字孪生助力辽宁智造强省的应用途径，从而助力辽宁，乃至全国制造业数字化、智能化转型升级。之后介绍了本次论坛的参与嘉宾，并进入正式的会议阶段。
本次深度论坛分为上下午两场，分别针对“数字孪生如何赋能辽宁工业转型升级”以及“数字孪生赋能工业的技术路径”两个主题进行思辨。
第一位引导嘉宾是中国科学院沈阳自动化所智能产线与系统研究室副主任王军义研究员，他带来的引导发言题目为“技能型装配数字孪生工艺规划技术及案例”。王军义研究员提出装配是装备制造的重要环节，占制造工作量的40～70%。随着机械加工自动化智能化程度的发展，装配已经成为航空航天高端装备制造的瓶颈环节。在此基础上王军义研究员介绍了技能型装配数字孪生工艺规划的关键技术，其中包括基于实测的高精度几何孪生建模，装配过程高精度高实时干涉计算，装配路径高精度高实时在线规划等，最后提出未来规划，计划构建数字孪生装配工艺规划通用软件平台，以适应于不同装配工艺以及场景。
第二位引导嘉宾是东北大学软件学院数字媒体技术系系主任高天寒教授，他带来的引导发言题目为“泛虚拟现实与数字孪生”。高天寒教授首先解释了泛虚拟现实的概念，即扩展现实，是VR、AR、MR等多种技术的统称，是由计算机图形和可穿戴设备生成的所有真实和虚拟环境，将真实世界与虚拟环境无缝融合，为体验者带来 3I：Immersion-Interaction-Imagination (Intelligence)。之后讲到XR技术与数字孪生技术的结合， 提出XR提供的沉浸式交互方式使得数字化世界在感官和体验上更加接近于物理世界，让“孪生”一词变得更为精妙。最后展示了数字孪生技术在工业，教培以及医疗等领域的应用场景。
上午最后一位引导嘉宾是西安交通大学张超副教授，他带来的引导发言题目为“数字孪生驱动的车间智能制造技术与系统及应用”。张超首先介绍了智能车间的背景，即是一套多种软硬件结合，基于对车间制造要素的全面精细化感知，支持生产过程科学决策和精细化管理的新一代智能制造系统，并提出了数字孪生已成为智能车间的关键支撑技术。另外张超分别介绍了数字孪生+智能工艺规划，数字孪生+智能工艺规划，数字孪生+智能装配等应用范式，具体阐述了数字孪生技术如何在智能车间中发挥作用。
上午的引导发言结束之后，正式进入到了集体思辨环节，上午的主思辨点为“数字孪生赋能工业的技术路径”，针对其中三个分思辨点与会嘉宾进行了讨论：
分思辨点1 “数字孪生技术的演进阶段”
刘意杨首先分享了他总结的数字孪生演进阶段，从初级的以虚拟实，实现数字胚胎；到中级阶段的以虚映实，实现数字映射；到高级阶段的以虚控实，实现孪生智能。
李宇表示，在这个基础上可以再细分成五个阶段，第一阶段为数字描述，构建物理对象静态模型，第二阶段为虚实融合，对模型加数据进行动态描述，第三阶段为实时诊断，即使判断当前发生的问题，第四阶段为分析预测，预测未来可能出现的问题，第五阶段为自主控制，实现决策优化反馈的闭环优化。
经过几轮交流，嘉宾们普遍认同数字孪生从数字胚胎，到数字映射，再到孪生智能的演进阶段，其它更多的分类基本上是围绕上述三个阶段的细分过程。基于这个共同认知，嘉宾们进入第二个思辨点。
分思辨点2 “基于机理模型的数字孪生是否将引领数字孪生的发展”
李宇认为机理模型一定是会引领数字孪生技术的发展，目前数字孪生主要实现的是虚实联动，还是比较初级的阶段，如果要完全实现虚实共生，需要引入更加准确描述物理世界的机理模型。
陈刚表示：机理模型的数字孪生是否将引领数字孪生还是需要分领域来看待，对可解释性和可靠性要求比较高的领域还是要依赖于机理模型，但是针对可解释性和可靠性要求不高的领域还是可以通过数据驱动模型来实现数字孪生的，因此这里单纯论述机理模型引领数字孪生还是不准确的。
刘意杨认同陈刚的说法：确实还是要针对应用场景来判断，对于高价值或者比较重要的场景机理模型可能相对更加适用，对有一定容错和试错空间，并且机理模型相对难以构建的场景也是可以利用数据驱动的方式去建模的。
经过激烈的思辨，嘉宾们最后认为：首先，基于机理模型的数字孪生和基于数字驱动、AI训练的数字孪生应用场景不尽相同，很难说哪种孪生将引领技术发展；其次，未来的趋势应该是将机理模型、数据驱动、AI融合起来，从而取长补短，这可能是未来的发展趋势。
分思辨点3 “数字孪生是否需要实时计算与仿真”
冉金川认为传统意义上离线孪生应该不需要实时仿真，在线孪生就应该需要实时计算和仿真，但只要提到数字孪生就应该是实时计算与仿真，不分离线和在线，都需要数据支撑跟实际物理世界达成一致，否者只能称为数字场景或者数字内容。
张超的观点略有不同，实时本身也是一个相对的概念，在数字孪生的定义中提到的是多尺度，多物理量，概率化的仿真模型，多尺度就是针对不同应用场景的实时性要求，有的场景可能会要求毫秒级，有的可能只是要求秒级甚至分钟级。因此这里还是需要对实时性有一个定义，来判断是否需要实时。
刘意杨由此提出了另一个问题，就是我们如果去想去发展数字孪生技术的实时性，应该是从计算能力入手，还是应该通过在边缘侧构建低保真度模型等方式去减低计算量，以牺牲模型精度的代价来提升计算和仿真的实时性。
陈刚表示：主要问题在于能不能用低保真度模型来刻画物理过程的关键参数，如果能够实现的话那么通过牺牲模型精度的代价来提升计算效率，达成实时仿真计算的数字孪生是可行的。
通过一上午的交流和思辨，嘉宾们初步对数字孪生的技术发展趋势和热点问题达成了一致，为下午梳理出数字孪生如何赋能辽宁智造强省奠定了基础。
下午的论坛由执行主席付昱凯主持，开场简单总结了上午针对“数字孪生赋能工业的技术路径”集体思辨的结论，并介绍了下午的思辨引导嘉宾，之后开始下午的论坛环节。
下午第一位引导嘉宾是中国信息通信研究院湖南创新中心负责人李宇，他带来的引导发言题目为“工业数字孪生技术体系与应用趋势 ”。李宇先生首先介绍了数字孪生技术的体系架构，并提出数字孪生技术覆盖多类数字化技术交叉融合，其中数字线程、模型融合和模型修正是其核心技术。随后对工业数字孪生技术的应用场景进行了分析，提出目前工业数字孪生主要针对“点状场景”的能力提升，而在全生命周期应用、复杂系统应用等方面稍显不足。在此基础上分析了我国针对工业数字孪生技术的发展现状，提出虽然我国已基本搭建数字孪生理论框架和标准体系框架,但是在数字孪生技术、产业和应用仍然存在短板。最后李宇先生总结到工业数字孪生创新与发展的大幕刚刚拉开，数据与模型、模型与模型的集成融合是工业数字孪生本质内涵，尤其是仿真建模与数据科学的集成优化将成为未来发展主线。
第二位引导嘉宾是辽宁省先进装备制造业基地建设工程中心智能制造部技术负责人陈莹女士，她带来的引导发言题目为“创新赋能产业蝶变智造推动转型升级-数字辽宁 智造强省专项解读”。
陈莹女士首先介绍了辽宁省针对数字辽宁 智造强省专项的相关政策，并解读了辽宁省深入推进结构调整“三篇大文章”三年行动方案以及辽宁全面振兴新突破三年行动方案。随后细致分析了智造强省专项的主要内容，其中包括组织架构，支持条件，支持内容等，为数字孪生技术在辽宁省内的实施提供了政策保障。
下午第三位引导嘉宾是华南理工大学陈刚副教授，他带来的引导发言题目为“数字孪生技术在智能装备系统设计、控制、验证与状态监测中的应用 ”。陈刚老师首先介绍了数字孪生技术，表示目前并没有标准化的定义，同时介绍了数字孪生技术的成熟度划分。随后介绍了形式化方法与数字孪生应用的相关探索，并提出了形式化方法具有可验证，可证明的特点，广泛应用于安全攸关系统验证中，基于数字孪生的形式化验证具有成本低、效率高的特点。在此之后详细介绍了形式化方法与数字孪生相结合的技术在产品设计，系统验证，智能生产规划，状态监控等方面的应用。最后总结到数字孪生在智能装备设计、控制、验证和监控方面有着广泛的应用前景。另外形式化方法可与数字孪生结合，促进数字孪生中物理模型与虚拟模型的实时交互，验证交互的有效性。
下午第四位引导嘉宾是杭州西奥电梯有限公司张雪健总监，他带来的引导发言题目为“杭州西奥电梯有限公司数字孪生建设探索”。张雪健先生首先简单介绍了公司情况，杭州西奥电梯有限公司是民族品牌第一，行业排名第四的电扶梯制造企业，同时介绍了西奥公司的数字化进程，从2015-2017年的新技术和能力搭建，到2017-2021年个性化、网络化、服务延伸模式创新，最后到现阶段实现自感知、自决策、自执行。随后分别介绍了生产工艺组态监控系统以及数字孪生智能化生产方案。最后阐述目前西奥电梯实现全面自动化、数字化、智能化，建立了全球首家单体容量十万台未来工厂，与此同时创建大规模生产个性化定制标准，在该行业内唯一实现五个工作日交付，并成为行业内首家搭建服务共享平台标准的企业，实现传统制造业向服务型制造业转型。
上午的引导发言结束之后，正式进入到了集体思辨环节，上午的主思辨点为“数字孪生如何赋能辽宁工业转型升级”，针对其中三个分思辨点与会嘉宾进行了热烈的交流和探讨：
分思辨点1“辽宁工业的主要类别与特点”
陈莹女士表示：辽宁省省长李乐成在浑南区的一次对话栏目中，对整个辽宁省的工业进行了介绍，提出辽宁省具备非常丰富的工业场景资源，在41个工业大类中辽宁占有其中的40项，在200多个工业种类中，辽宁有200余种，因此辽宁具备开拓数字孪生技术的具体工业场景优势。对于工信这个领域，我们重点支持的是3个万亿级的产业集群，包括装备，石化和冶金这三个方向，也是辽宁重点打造的三个方向。
那么除了装备，石化和冶金这三个万亿级的产业集群省里是否还有其他支持的方向呢？辽宁省是这样规划的：今年围绕着这几个主要的产业集群进行了进一步的划分，由不同部门牵头对22个细分的产业集群进行支持，其中包括：精细化工产业集群，压缩机和制冷装备产业集群，数控机床产业集群，先进有色金属材料产业集群，电力装备产业集群，高品质钢铁材料产业集群，软件工业互联网集群、集成电路集群，先进医疗装备、生物医疗产业集群，船舶与海工装备产业集群，航空装备集群、轨道交通集群、新能源集群、氢能产业集群，人工智能集群，机器人及无人机产业集群等，针对相关产业集群省里会有相应的政策推动工信方向的研发以及产业化推广，数字孪生技术可以在其中发挥重要的作用。
初步凝练出工业数字孪生在辽宁赋能的抓手以后，嘉宾们针对分思辨点2“什么样的数字孪生能够赋能辽宁工业（虚实映射、离线孪生还是在线孪生）”进行了交流
王军义表示：针对辽宁的三个万亿产业集群，装备，石化和冶金方向都可以通过数字孪生技术进行赋能，其中核心问题在于如何深入做下去，如何深入产业中的实际问题，将科研人员的科研成果与产业的实际需求相结合起来，去做落地的项目，实现产学研结合。主要需要解决的技术问题还是目前数字孪生模型的可靠性怎么保证。
刘意杨提到：目前的趋势是将机理模型结合数据模型进行模型构建，单纯基于机理的模型构建无法真实刻画实际的生产制造过程，因此如何能结合生产过程数据以此来优化孪生模型也是比较关键的方向，另外数字孪生技术真正可以赋能辽宁产业对于实时性要求还是比较高，因此相比于离线孪生，在线孪生更有可能发挥作用。在这个环节，嘉宾们基本梳理出虚实映射、离线孪生、在线孪生分别适合的应用场景以及与辽宁产业的对应关系。
分思辨点3“数字孪生赋能辽宁工业的典型场景”
张超表示：西安交大之前主要研究加工和装配场景的数字孪生技术，也是目前辽宁工业的主要场景。团队与辽宁铁岭的一家企业做过一些数字孪生赋能的项目，针对虚实映射、离线孪生、在线孪生这几个方面我们也做了一些案例。虚实映射方面，基于数字孪生扩展我们构建了全产线的数字化工厂模型，接入数据实现以虚映实，能了解到工厂内部的实时状态。离线孪生方面在数字工厂模型的基础上增加机理模型和数据模型，完成如巡检等方面的离线应用，在线孪生主要是应用在运维方面，进行实时状态监控。另外在设计以及试制阶段通过数字孪生技术也可以减少该阶段的成本，提升效率。
中国信通院的李宇指出：数字孪生技术在赋能辽宁工业应该瞄准高端装备领域，因为只有在高附加值的工业领域数字孪生技术才能更好的部署并发挥作用，这主要也是因为实现数字孪生技术需要很高的成本。
沈阳分论坛AC委员冉金川提出：在离线孪生中，企业一是面向操作作业领域，例如电力输电以及电配的相关流程等，还有一块是面向生产安全领域，针对工业企业的制造过程潜在危险模拟仿真，目前其团队与沈阳黎明公司在进行相关合作，这两个方面都可以去应用在赋能辽宁工业的场景。
通过一下午的集体思辨，嘉宾们逐步厘清了工业数字孪生赋能辽宁智造强省的路径和应用场景。结合上午的思辨点，嘉宾们得出以下结论：
1、 辽宁具备极为丰富工业产业方向，有非常多的场景可以应用数字孪生技术进行赋能。针对辽宁的装备，石化和冶金这三个万亿级的产业集群可以分类实施数字孪生技术。
比如：针对石化、冶金两个典型流程行业，由于涉及物理、化学反应过程，涵盖从微观到宏观的跨尺度机理建模，模型极其复杂，因此应该以宏观机理模型结合数据驱动的人工智能大模型方法来实施数字孪生。
针对装备制造这个典型离散制造行业，可以将数字孪生技术赋能在装备全生命周期的3个不同阶段：
（1）在产品设计阶段，利用产品、系统离线数字孪生仿真技术，验证产品性能，通过仿真和优化设计的快速迭代，缩短产品研发试制周期；
（2）在产品工艺规划和制造环节，可以通过工艺过程在在线数字孪生技术，以加工、装配过程的机理模型为主，以数据驱动的AI技术为辅，构建出在线仿真以及仿真在环的实时优化新型控制架构，实现制造过程的在线质量监控与优化，从而提升产品质量和效率；
（3）在产品运行过程，可以使用产品的数字孪生模型在线分析其运行状态，诊断故障，预测剩余寿命，从而做到装备从研发、制造到运维的全流程数字孪生。进而提升装备的质量、智能化水平和附加值。
2、 数字孪生的发展需要结合各个领域的技术优势，例如机理模型构建，基于AI的数据驱动技术，面向实时计算的超大算力要求等等，才能发挥更大的作用。
3、 未来基于机理模型的数字孪生和基于数据驱动的大模型孪生系统将会深度融合，从而解决机理模型存在大量不确定性的问题，但融入大模型以后的模型可解释性较差，应该开展更多针对机理+AI模型可信度评估的研究，从而提高基于机理+AI模型的数字孪生系统可用性和有效性。
经过一天的深度论坛会议，与会嘉宾对于数字孪生技术的发展以及如何赋能辽宁产业进行了深度思辨，并有了更深层次的认知，本次深度论坛后期会将会议思辨内容整理成建言，提交到辽宁省政府，以此来推进数字孪生技术在辽宁省内更好地赋能相关工业产业。
