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我國工業正在經歷數字智能化的崛起，我們曾經頭頂光環 (IPv6) 站在世界之巔，網絡空間霸權也使我們腳踏塵沙，“雪人計劃”讓我們終于迎來機會，工業重構必然是燎原烈火。隨著新賽道的開啟，以及信息化、數字化、融合化、智能化的發展，工業智能化未來可期。雖然供給側結構性改革能解決快速實施的問題，但是網絡安全發展越來越復雜化，IoT融合安全道阻且長，網絡安全必須向更進化。虛擬化、數字孿生是提升實力的必由之路，各個行業需借助數字孿生技術推進行業的創新發展。

工業網絡的核心是控制系統，工業網絡安全建設的終目的也是保護工業安全，但當我們不了解其機理、狀態和問題駐留情況時，就好像在自己家里放了一個放射物質，我們卻全然不知。雖然我國對DCS系統的研究發展與國外幾乎沒有技術代差，但是仍存在一定差距。在硬件方面，核心芯片受制于人，工業軟件發展緩慢,工業控制技術影響先進工藝流程的開發和發展，因此很難進入某些高端行業領域或特殊工藝的業務場景。由于我國在早期大量引入國外DCS系統，也造成的自主品牌在很長一段時間舉步維艱，一旦市場或國際形勢發生變化，很容易造成斷供、斷貨，工業行業亟待開啟新的征程。

順大勢，謀未來。數字化新時代的大門已經敞開，新的機遇與挑戰紛至沓來。如何順應工業互聯大趨勢、運籌帷幄，終搶占時代先機?作為國民經濟的重要信息安全支撐產業，網絡安全(尤其是工控安全行業) 也在積極尋求突破，拓“智”能發展，“維”新路徑，助力行業產業鏈以及宏觀經濟的可持續發展。本文講述依據數字孿生技術開發DCS數字孿生體，構建DCS的眾測驗證平臺，在DCS物理世界中，通過數字孿生技術復制n份數字孿生體，為DCS系統提供設計驗證、故障模擬數據聯動、智能預警、智能控制等功能應用控制和操作環境。

數字孿生背景

通俗來講，數字孿生（Digital Twin，DT）是指針對物理世界中的物體，通過數字化的手段構建一個在數字世界中一模一樣的實體，借此實現對物理實體的了解、分析和優化。從技術角度而言，數字孿生集成了建模與仿真、虛擬現實、物聯網、云邊協同以及人工智能等技術，通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態，通過指令來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，合理有效地調度資源或對相關設備進行維護。

2002年10月在美國制造工程協會管理論壇上，當時的產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）咨詢顧問Michael Grieves 博士提出了數字孿生早的概念模型。但是，當時“數字孿生”一詞還未被正式提出，Grieves博士將這一設想稱之為“PLM 的概念設想（Conceptual Ideal for PLM）”。

2009年，美國空軍實驗室提出“機身數字孿生（Airframe Digital Twin）”概念，將數字孿生概念應用于航空航天制造領域。2010年，美國國家航空航天局在《建模、仿真、信息技術和處理》和《材料、結構、機械系統和制造》兩份技術路線圖中直接使用了“數字孿生”這一名稱，并將其定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統或飛行器仿真過程”。2011年，Grieves博士在其所著的《智能制造之虛擬完美模型：驅動創新與精益產品》中正式定義了數字孿生概念，并一直沿用至今。

2012年美國空軍研究室將數字孿生應用到戰斗機的維護中，而這與航空航天行業早建設基于模型的系統工程（MBSE）息息相關，能夠支撐多類模型敏捷流轉和無縫集成。近些年，數字孿生應用已從航空航天領域向工業各領域全面拓展，西門子、GE等工業巨頭紛紛打造數字孿生解決方案，賦能制造業數字化轉型。數字孿生蓬勃發展的背后與新一代信息技術的興起、工業互聯網在多個行業的普及應用有著莫大聯系。

各國數字孿生發展情況

(一) 美國

美國從戰略規劃、應用實踐、產業創新等方面全方位布局數字孿生發展。

一是“政產研”合力推動數字孿生上升為國家戰略。二是依托航空航天基礎優勢，探索形成了成熟的應用路徑。三是供給側企業加快技術創新，利用新一代信息技術優化數字孿生應用效果。如在“IoT+仿真”方面，ANSYS和PTC公司合作構建水泵的數字孿生體，實現實時數據驅動下的仿真診斷，相較于傳統離線仿真，大大提升了診斷的及時性和準確性。在“AI+仿真”方面，MathWorks將數據分析工具MATLAB和仿真產品Simulink打通，將MATLAB人工智能訓練數據集輸入Simulink 中進行仿真及驗證分析，極大地優化了仿真結果。

因此，美國數字孿生的綜合優勢體現在在三個方面：一是構建了基于模型的系統工程方法論，通過統一語義和語法標準、給定系統集成路徑，為數字孿生應用提供理論指導。二是擁有強大的仿真產業，ANSYS、MathWorks、Altair等企業為數字孿生應用提供基礎建模工具。三是擁有豐富的應用數據和模型，空客公司、洛克希德馬丁公司、特斯拉公司等企業在產品研制過程中積累了大量機理模型，持續優化數字孿生精度。

(二) 德國

德國立足標準體系基礎，加快打造數字孿生競爭優勢。

德國立足標準制定基礎優勢，面向數字孿生打造了數據互聯、信息互通、模型互操作的標準體系（即管理殼理論），實現各類數字化資產（數據、信息、模型）之間的無縫集成融合，提升物理實體在虛擬空間映射的度。在數據互聯和信息互通方面，德國在OPC UA協議中內嵌信息模型，實現通信數據格式一致性。在模型互操作方面，德國依托戴姆勒的Modolica標準開展多學科聯合仿真，目前已經是全球仿真模型互操作的主流標準。同時，2020年9月，德國VDMA、ZVEI、Bitkom聯合20家歐洲企業（ABB、西門子、施耐德、SAP等）成立了工業數字孿生協會，其目標是通過統一各個企業數字化工具標準，提升數字孿生體的并行開發效率。

此外，相較于美國更多開展“裝備級”數字孿生，德國具有單點優勢，西門子是全球極少數能夠提供“工廠級”數字孿生的工業服務商。近10年來，工業自動化巨頭西門子花費100多億美元收購了幾乎全類別的工業軟件，涵蓋了產品生命周期管理（Teamcenter）、計算機輔助設計(NX)、電子設計自動化(Mentor)、事件仿真(Simcenter)、制造運營管理系統（Opcenter）等，并持續將各類工業軟件集成到MindSphere工業互聯網平臺。在此基礎上，西門子能夠基于平臺構建全工廠數字孿生，不僅能夠實現虛實映射，還能基于工業自動化優勢完成閉環控制。

(三) 中國

中國數字孿生市場活躍，多主體參與市場，但創新能力有待提升。

中國各類主體積極參與數字孿生實踐，在理論研究、政策制定、產業實踐等方面開展探索，但整體上應用深度和廣度還需進一步拓展，仍待挖掘更多的工業應用場景。

在理論研究方面，中國關于數字孿生思想的研究由來已久，1978年錢學森提出系統工程理論，由此開創國內學術界研究系統工程的先河。2004年，繼美國提出數字孿生概念，中國科學院自動化研究所的王飛躍研究員聚焦解決復雜系統方法論，提出平行系統的概念，將系統工程與新一代信息技術結合。

在政策制定方面，2021年我國各部委和地方政府開始紛紛出臺數字孿生相關政策文件。國家發展和改革委員會的“上云用數賦智”、中國科協的“未來先進技術”、工業和信息化部的“智能船舶標準”均將數字孿生列為未來發展的關鍵技術，上海和海南在其城市規劃中也提出要打造數字孿生城市。

在產業實踐方面，我國多類主體均開展數字孿生探索，如恒力石化、中廣核技等企業積極構建三維數字化工廠，湃睿科技、摩爾軟件等企業利用AR、VR提升數字孿生的人機交互效果，工業自動化企業華龍迅達構建虛實聯動的煙草設備數字孿生。盡管我國多類主體探索數字孿生的熱情高漲，但大多數產業實踐停留在簡單的可視化和數據分析，與國外基于復雜機理建模的分析應用還存在一定差距。

與數字孿生相關的政策措施

2020年，“新型基礎設施建設”寫入2020年政府工作報告，“數字孿生”被不少人大代表和政協委員所提及。2020年4月，國家發展和改革委員會印發《關于推進“上云用數賦智”行動培育新經濟發展實施方案》，方案中提出要解決企業數字化轉型所面臨的數字基礎設施、通用軟件和應用場景等難題，利用數字孿生等數字化轉型共性技術、關鍵技術的研發應用，引導各方參與提出數字孿生的解決方案。數字孿生技術的受關注程度和云計算、人工智能、5G一樣，已經上升到國家高度。

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