數字孿生技術發展趨勢與安全風險淺析

數字孿生（Digital Twin），即現實世界（系統）的數字化。具體而言，數字孿生是指一種在信息化平台內建立實體系統的數字映射，模擬物理實體、流程或者系統的技術。數字孿生技術可對物理實體進行分析和優化，並可藉助依賴感測器數據了解物理實體狀態，對變化做出響應，幫助改進操作，因此對推動智能製造發展具有重要意義。隨著企業數字化的進一步推動，越來越多的國家和組織都逐步重視數字孿生技術在生產生活中的應用。

一、數字孿生技術發展迅猛

正與人工智慧深度結合

數字孿生技術並非今天才產生，其源頭可以追溯到計算機輔助設計（CAD）技術的出現。如此算來，數字孿生技術已經走過了幾十年的發展歷程，其確切概念2003年由美國密歇根大學教授邁克爾·格里弗斯正式提出。格里弗斯認為，通過物理設備的數據，可以在虛擬（信息）空間構建一個可以表徵該物理設備的虛擬實體和子系統，並且這種聯繫不是單向和靜態的，而是在整個產品的生命周期中都聯繫在一起。2012 年，NASA發布「建模、模擬、信息技術和處理」路線圖，數字孿生概念正式進入公眾視野。2013 年，美空軍發布《全球地平線》頂層科技規劃文件，將數字線索和數字孿生並列視為「改變遊戲規則」的顛覆性機遇，並從 2014 財年起組織洛馬、波音、諾格、通用電氣、普惠等公司開展了一系列應用研究項目。就此，數字孿生理論與技術體系初步建立，美國防部、NASA、西門子等公司開始接受這一概念並對外推廣。

數字孿生髮展歷程

實際上，自從有了諸如CAD等數字化的「創作」手段，數字孿生已經開始萌芽；有了CAE模擬手段，研究手段從計算機簡單輔助向自動化轉變，數字虛體和物理實體走得更近；有了系統模擬，研究對象從簡單物體向複雜系統轉變，虛擬實體更像物理實體；直至有了比較系統的數字樣機技術，研究目標從單體動力學向多體動力學轉變，研究形式從靜態向動態轉變。

目前階段，數字孿生正在與人工智慧技術深度結合，促進信息空間與物理空間的實時交互與融合，以在信息化平台內進行更加真實的數字化模擬，並實現更廣泛的應用。將數字孿生系統與機器學習框架學習結合，數字孿生系統可以根據多重的反饋源數據進行自我學習，從而幾乎實時地在數字世界裡呈現物理實體的真實狀況，並能夠對即將發生的事件進行推測和預演。數字孿生系統的自我學習除了可以依賴於感測器的反饋信息，也可通過歷史數據，或者是集成網路的數據學習，正在不斷的自我學習與迭代中，模擬精度和速度將大幅提升。

二、數字孿生對推動智能

製造發展具有重要意義

數字孿生技術可以在網路空間中復現產品和生產系統，並使產品和生產系統的數字空間模型和物理空間模型處於實時交互中，二者之間能夠及時地掌握彼此的動態變化並實時地做出響應，為實現智能製造提供了有力的保障，同時也進一步加速了智能製造與工業互聯網、物聯網融合。

近年來，數字孿生這一前沿技術已經得到了工業界與學術界的廣泛關注。全球最具權威的IT研究與顧問諮詢公司Gartner 將數字孿生列為十大戰略科技發展趨勢之一。目前，數字孿生主要被應用於製造業領域，國際數據公司(IDC)表示現今有40%的大型製造商都會應用這種虛擬模擬技術為生產過程建模，數字孿生已成為製造企業邁向工業4.0的解決方案。到2020年，估計有210億個連接的感測器和終端服務於數字孿生，在不久的將來數字化孿生將存在數十億種。

隨著工業4.0，智能製造等技術和發展戰略的不斷出台，數字孿生技術逐步成為智能製造的一個基本要素，並得到了各方的普遍關注。洛克希德馬丁公司於2017年11月將數字孿生列為2018年未來國防和航天工業頂尖技術之首；英國國家基礎設施委員會於2017年12月發布《數據的公共利益報告》(Public Good report)，提出創建一個與國家基礎設施相對應的數字孿生體，並於2019年1月啟動相關計劃；Gartner公司連續3年(2017-2019年)將數字孿生列為當年十大戰略科技發展趨勢之一。

黨的十九大報告明確提出要加快建設製造強國，《中國製造 2025》指出「將智能製造作為兩化融合的主攻方向，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平」。在此背景下，數字孿生技術受到廣泛關注，將產生巨大的發展潛力。

三、數字孿生加速融合各領域發展

據相關研究分析，數字孿生目前在11個領域中擁有45個細分類的應用。具體領域包括：安全急救、環境保護、航空航天、電力領域、汽車製造、油氣行業、健康醫療、船舶航運、城市管理、智慧農業和建築建設等。

從應用階段來看，數字孿生技術貫穿了產品生命周期中的全階段，它同產品生命周期管理（PLM,Product Lifecycle Management）的理念是不謀而合的。可以說，數字孿生技術的發展將PLM的能力和理念，從設計階段真正擴展到了全生命周期。數字孿生以產品為主線，並在生命周期的不同階段引入不同的要素，形成了不同階段的表現形態。

在產品的設計階段，藉助數字孿生技術可提高設計的準確性，並驗證產品在真實環境中的性能。主要功能包括：數字模型設計、模擬和模擬。對產品的外形設計、使用性能和機械性能（強度、剛度、模態等）進行模擬，便於優化設計、改進性能同時降低成本。目前，法國達索公司、美國歐特克公司及美國ANSYS公司等企業開發的建模與分析軟體已廣泛運用於工程設計領域。2018年5月，美國通用電氣公司與美國海軍研究辦公室簽署了一份價值900萬美元的合同，藉助數字孿生技術，按需製造零件，加速武器裝備的製造。

在產品的製造階段，藉助數字孿生技術可以加快產品導入的時間，提高產品設計的質量、降低產品的生產成本和提高產品的交付速度。產品階段的數字孿生是一個高度協同的過程，通過數字化手段構建起來的虛擬生產線，將產品本身的數字孿生同生產設備、生產過程等其他形態的數字孿生高度集成起來，實現以下功能：生產過程模擬、數字化產線、關鍵指標監控和過程能力評估。美國洛馬公司使用數字孿生技術提升F-35戰鬥機生產效率，將單架飛機製造周期從22個月縮減至17個月。

數字孿生技術同樣可應用於產品的服務階段，隨著物聯網技術的成熟和感測器成本的下降，很多工業產品，從大型裝備到消費級產品，都使用了大量的感測器來採集產品運行階段的環境和工作狀態，並通過數據分析和優化來避免產品的故障，改善用戶對產品的使用體驗。服務階段的數字孿生，可以實現如下的功能：遠程監控和預測性維修、優化客戶的生產指標、產品使用反饋。在基礎設施建設與管理中，數字孿生技術可用於市政設施網路化管理、交通遠程調度及輪機、鍋爐等複雜設施的管理。俄羅斯南烏拉爾國立大學研發電驅動裝置數字孿生技術，用於輔助電驅動裝置維護，以預測故障，提高生產的可靠性與安全性。

四、數字孿生應用中的

安全風險不容忽視

當前，人工智慧、大數據和工業互聯網等技術迅猛發展，推動數字化世界的邊界急速擴張。以數字孿生技術為基礎的智能製造的虛擬空間與物理空間之間的連接以及過程中各組成部分之間的連接都建立在網路信息流傳遞的基礎之上，隨著數字孿生技術與智能製造的加速融合，由封閉系統向開放系統的轉變勢在必行，系統性的網路安全風險將集中呈現。

一方面，智能製造的基礎設備和控制系統面臨未知網路風險。原有的基礎設備多為長期運行在封閉系統環境下的簡單設備，相關的硬體晶元、軟體控制系統等都可能存在一定的未知安全漏洞，同時由於缺乏應對互聯網環境的固有安全措施，極易遭受網路攻擊，進而引發系統紊亂、管理失控乃至系統致癱等網路安全問題。

另一方面，智能製造系統面臨數據安全風險。隨著當前網路攻擊方式的不斷變化，智能製造系統產生和存儲了生產管理數據、生產操作數據以及工廠外部數據等海量數據，這些數據可能是通過大數據平台存儲，也可能分布在用戶、生產終端、設計伺服器等多種設備上，任何一個設備的安全問題都可能引發數據是泄密風險。同時，隨著智能製造與大數據、雲計算的融合，以及第三方協作服務的深度介入、大量異構平台的多層次協作等因素，網路安全風險點急劇增加，帶來更多的入侵方式和攻擊路徑，進一步增加數據安全風險。

作為一種前沿技術，數字孿生以模擬技術為基礎，在智能製造、智慧城市建設等方面都將發揮重大推動作用。但作為一種開放共享的新興技術，在其與互聯網加速融合的過程中勢必面臨系列網路安全風險與挑戰。為此，開展數字孿生領域網路安全管理體系建設，提前研判風險和應對措施將成為促進相關技術發展的必要舉措。

參考資料：

李欣,劉秀,萬欣欣.數字孿生應用及安全發展綜述.《系統模擬學報》,2019年3月.

作者簡介

唐乾琛，國務院發展研究中心國際技術經濟研究所 研究一室 助理研究員

研究所簡介

國際技術經濟研究所（IITE）成立於1985年11月，是隸屬於國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，為中央和有關部委提供決策諮詢服務。「全球技術地圖」為國際技術經濟研究所官方微信賬號，致力於向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。

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