數字孿生成熟度模型研究

數字孿生作為推動數字化轉型與智能化升級的關鍵技術，在學術界、工業界及政府部門引發廣泛關注。但在其研究與應用落地過程中，存在“如何判斷是否為數字孿生”“現有數字孿生能否滿足應用需求”“若不滿足該如何優化” 等問題。為此，本文提出一套數字孿生成熟度模型，將其成熟度劃分為六個等級，并構建評價體系與應用流程，通過案例驗證了模型的有效性。

一、數字孿生成熟度評價需求分析

數字孿生憑借信息物理融合能力備受關注，已在五維模型、建模方法、評價指標等理論層面開展研究，并在車間、裝備等領域進行應用實踐。然而，在與各方交流中發現，缺乏針對數字孿生范疇與發展階段的系統性描述及評價方法是共性難題。成熟度模型既能系統描述目標系統的概念范疇與發展階段，又能評價其發展水平，因此本文從應用角度提出數字孿生成熟度模型及評價流程。

二、數字孿生成熟度等級劃分

通過分析現有數字孿生的理論研究與應用實踐，其功能用途涵蓋設計驗證、運行監測、遠程運維等六類。物理實體、數字孿生模型及二者的連接交互構成數字孿生的“最小概念”。基于五維模型，從物理實體、數字孿生模型、數據、連接交互和功能服務五個維度，按連接交互方式與自動化程度，以功能服務為主線，將數字孿生成熟度分為六個等級。

1.零級（L0）：以虛仿實
利用數字孿生模型從幾何、物理等維度描述物理實體，可代替實體進行仿真分析，但模型與實體間無直接數據交換，需依賴人工實現虛實交互。

2.一級（L1）：以虛映實
模型由實時數據驅動，能同步呈現物理實體運行狀態，突破監測的時空限制，但實體的操作管控仍依賴現場人員。

3.二級（L2）：以虛控實
模型具備完整運動與控制邏輯，在“以虛映實” 基礎上，建設數據傳輸通道，實現虛實雙向閉環交互，賦予實體遠程可視化操控能力。

4.三級（L3）：以虛預實
模型基于實時雙向交互反映實體當前狀態，借助顯性機理與隱性規律，對實體未來運行進行在線預演與結果推測。

5.四級（L4）：以虛優實
模型不僅能反映狀態、預測未來，還能利用策略、算法及知識實現智能決策與優化，并對實體進行智能管控。

6.五級（L5）：虛實共生
這是數字孿生的理想狀態，物理實體與模型在全生命周期中通過動態重構實現自主孿生，利用技術保持兩者動態一致，實現高效可持續的數字孿生。

三、數字孿生成熟度評價因子

成熟度等級從宏觀勾勒了數字孿生的發展路徑，為實現可操作的評價，從五維模型出發，提煉出19 個影響成熟度的評價因子，并明確各等級對評價因子的要求：

• 物理實體維度：包含實體數字化程度、可測性等因子。
• 數字孿生模型維度：涉及模型完整性、精度等方面。
• 數字孿生數據維度：涵蓋數據完整性、實時性等要素。
• 連接交互維度：包括通信帶寬、交互實時性等內容。
• 功能服務維度：包含監測、預測等功能的實現程度。

四、數字孿生成熟度模型應用流程

數字孿生成熟度模型由成熟度等級與評價因子構成，等級描述了數字孿生各階段的能力特征，評價因子從細分維度明確了不同等級的能力要求。該模型主要用于評價數字孿生應用，確定其整體等級、評分及各維度短板，并給出優化建議。應用流程包括評價、分析和優化三階段，模型在確定成熟度等級與評分、識別短板和提供優化建議環節發揮關鍵作用。

五、應用案例驗證

為驗證模型及流程的有效性，對單元級數字孿生（數字孿生機器人）和系統級數字孿生（數字孿生車間）進行成熟度評價：

• 數字孿生機器人的評價結果用于指導其升級優化。
• 對兩個數字孿生車間的評價結果可比較二者的發展程度。

數字孿生目前仍處于應用初級階段，本文提出的成熟度模型為認識數字孿生、開展學術研究與推廣應用提供了參考，有助于推動數字孿生技術的發展與落地。