1 引言

数字孪生作为实现物理世界与数字空间双向映射、动态交互、深度融合的关键手段,已成为驱动数字化转型与智能化升级的重要力量。过去十年间,数字孪生取得了丰硕成果,经历了从概念探索到技术攻关,再到行业落地应用实施,深刻影响着制造业、航空航天、医疗健康、交通运输等领域的数字化转型与智能化升级进程。

在“十五五”开局关键节点时刻,数字孪生相关研究和实践者可能十分关注如下问题:①过去十年发生了什么? 即数字孪生在“理论-技术-工具-标准应用”等方面取得了哪些重要进展,国际交流与合作平台呈现出何种发展格局;②未来发展趋势是什么? 即在新一代人工智能、脑机接口、量子技术等前沿科技浪潮与复杂应用场景需求驱动下,数字孪生未来将如何演进,其技术内涵、应用范式与价值边界将如何延伸拓展。

为尝试探索回答上述问题,本文首先对近十年(2016至2025)数字孪生研用进展进行系统回顾与总结,并结合作者团队在数字孪生五维模型、理论-技术-工具-标准体系,以及数字孪生成熟度、数字孪生车间、数字孪生装备等方面与国内外学者共同开展的理论研究与实践工作,尝试探索讨论“数智孪生”、“数字孪生工程”、“芯载孪生”、数字孪生通用软件平台等未来十年发展方向,以期为数字孪生研究发展与进一步落地应用提供参考。

2 近十年数字孪生研用进展:2016-2025

近十年是数字孪生从概念探索走向落地应用的关键十年。在此期间,数字孪生“理论-技术-工具-标准-应用”得到了长足发展,包括多位国内外院士/Fellow 在内的专家学者从概念内涵、关键技术、应用价值等不同角度提出了重要观点,领域涵盖了智能制造、航空航天、智慧城市、水利工程、海洋工程、环境气候等。总体来说,过去十年数字孪生理论体系不断完善,关键技术不断突破,应用领域持续拓展,数字孪生已成为推动各行业、各领域数智化进展不可替代的重要使能。

2.1 理论技术:多维架构演进,方法共识逐聚

过去二十年,数字孪生从一个模糊的概念雏形逐步发展为助力各行业领域数智化转型升级的重要实践范式,数字孪生理论研究为其实践应用提供了坚实基础。

2003年Michael Grieves先生提出了镜像空间模型,该参考模型包含物理实体、虚拟实体、连接三个部分,是被普遍认为的数字孪生前身。但此后近十余年中,因各种因素,数字孪生相关的学术研究相对较少,数字孪生的实践应用更是屈指可数。

随着各行业领域对数字化转型与智能化升级的需求不断提升,如何利用模型动态刻画物理实体,如何利用数据映射分析具体问题,如何利用数字化服务赋能物理实体,从而解决现实问题和满足应用需求,成为共同追求的目标。作者团队基于十余年在航空航天、轨道交通、智能制造、工程机械等十多个行业工程实践中积累的数字化经验,从应用实践的角度总结提出了由物理实体、虚拟实体、孪生数据、连接、服务五大核心要素构成的数字孪生五维模型,并领衔中国、法国、澳大利亚、瑞典、新加坡五国学者建立了涵盖物理世界认知与控制、数字孪生模型构建、孪生数据管理、孪生应用服务、连接交互融合五方面的数字孪生技术体系。近年来,数字孪生五维模型已在智能车间、卫星工程、道路工程、空天装备、数控机床、高铁动车、大型邮轮、隧道施工、自动驾驶、流域治理、煤矿开采、电池管控等众多对象、场景、领域得到验证与深入应用。2025 年Michael Grieves先生总结数字孪生发展历程有三个阶段(Over more than two decades, DTs have experienced three major phases based on the development priorities),在阐述理论技术发展阶段(Phase2:Development of theories and technologies)时评价:“数字孪生五维模型已在复杂装备全生命周期各阶段得到广泛应用,是复杂装备全生命周期数字化的理论基础”(…the five-dimensional digital twin model has become the theoretical foundation and paved a new way for the digitalization of complex equipment throughout the entire lifecycle) 。

此外,数字孪生三元体、数字孪生四层参考架构、组织数字孪生等面向特定对象和需求的数字孪生理论技术也得到了广泛关注和研究。近十年,国内外学者从以下几方面对数字孪生开展了大量研究工作：

1.在数字孪生模型方面：国内外学者围绕数字孪生模型“建-组-融-验-校-管” 开展了大量深入研究。①针对几何、物理、行为、规则多维模型精准构建,以及数字孪生模型的组装与融合,数据驱动、机理驱动以及数模融合驱动等建模方法在学术界被广泛研究,代表性工作包括快速可迁移数字孪生模型构建技术、融合机理模型与时间序列预测模型的数字孪生模型构建技术、基于动态神经网络的数字孪生模型构建技术、基于可扩展结构的数字孪生模型重构技术等。②针对数字孪生模型精准性和有效性验证,国内外学者围绕模型验证架构、不确定性量化、周期性评估等方面开展了深入研究,其中基于物理实验的方法应用较为广泛。③针对数字孪生模型校正,基于动态数据的模型校正、基于权重分配的数据模型和机理模型融合校正、基于弥补函数的模型校正等多类方法被研究提出,具体包括基于改进高斯粒子滤波器与狄利克雷过程混合模型的模型校正、基于有向无环图区块链的模型校正、基于协调联合结构的参数在线校正等,这些方法为数字孪生虚实动态一致性提供了支撑。

2.在数字孪生数据方面：国内外研究者围绕孪生数据的“采-传-处-融-用” 开展了深入研究与大量实践。①针对物理对象状态实时感知,温度传感器、压力传感器、超声波传感器等传感器与设备本身控制系统被用于数据实时采集。②针对数据安全快速传输,无线传感器网络、二维码资产管理网络、带内网络遥测、5G/6G 等技术被广泛研究,为数字孪生的交互与信息共享提供技术支撑。③为实现数据的高效处理、融合与使用,数据表征、组织、管理架构、基于区块链的数据管理、基于本体模型的数据管理等方法被系统研究,同时通过进一步结合AR、MR 等技术实现孪生数据的可视化,为人的参与和决策过程提供支持。

3.在交互融合方面：围绕虚实交互“感知-通信-映射-联动-融合” 等核心环节,国内外学者开展了虚实空间映射、交互机制、一致性保持等方面的研究工作,以支持虚拟世界的迭代更新达到能够实时动态反映物理世界状态的目的,进而支持对物理世界的控制与优化。

4.在应用服务方面：围绕“监测-控制-预测-优化”等数字孪生驱动的服务需求,目前已开展装备或系统实时监测、生产过程动态调度、复杂装备运行维护等全生命周期应用服务的研究和实践,以及城市交通管理、个性化农业管理、月球岩石成因分析、神经发育缺陷预测等诸多行业场景的应用技术研究。

经过最近十年发展,数字孪生已从最初的概念探索阶段迈入研用迭代阶段,相关理论技术研究也逐步向数字孪生模型、数字孪生数据、连接交互与数实融合、应用服务与工业软件等方面聚焦,相关研究成果为产业数字化转型和新质生产力培育提供了使能。

2.2 软件工具:功能模块渐现,通用平台尚缺

软件工具是数字孪生从理论探索到应用实践的核心载体。学术研究者、应用开发者和企业用户均需要数字孪生软件工具,以实现仿真测试、项目低代码开发和应用快速配置迁移。经过近十年来的发展,数字孪生软件工具实现了从无到有。

世界著名软件供应商为不同领域提供了数字孪生解决方案,并推出了数字孪生相关的软件产品,如西门子Siemens Digital Twin 与MindSphere、达索公司3DEXPERIENCE SIMULIA 、Ansys TwinBuilder、微软公司Azure DigitalTwins,这些数字孪生软件已基本覆盖设计仿真、制造执行、运维管控等数字孪生的核心功能需求。国内阿里云、海尔卡奥斯、51World等企业亦围绕数字孪生软件工具研制开展了大量相关工作。然而,从功能性角度出发,现有数字孪生软件平台大多侧重某一或某些特定维度,还缺乏考虑综合功能需求的通用数字孪生平台。另一方面,从开放性和兼容性的角度出发,相关使能工具/平台主要针对自身产品形成封闭的软件生态,不同工具和平台间模型和数据交互与集成难、协作难,缺乏系统开放、兼容性强的数字孪生工具/平台。

为解决上述困境,引领数字孪生软件从分散工具走向通用化系统平台,作者团队于2023年基于数字孪生五维模型与成熟度演进理论,设计并提出了makeTwin数字孪生通用软件平台参考架构。该架构以模型、数据、算法、连接、交互、推演、可视化等功能需求为基座,系统梳理并定义了覆盖数字孪生全流程的孪生模型生成器、数据处理器、算法适配器、IoT 连接器、虚实交互配置器、孪生推演器、多维可视化工具、场景应用模板集、孪生应用部署器、孪生基础库十大核心功能模块,尝试共同构建一个面向研究者、开发者、企业用户,并支持产品设计、生产制造、运维服务等全生命周期活动的开放式通用平台范式。该平台在功能设计上,紧密对应虚拟实体、物理实体、孪生数据、连接交互与应用服务五维模型理论要素,并深度融合了多学科物理要素映射、多维度孪生模型构建、多构型孪生数据处理、多协议虚实连接交互以及多领域数模融合推演五大关键支撑技术,从而系统支撑数字孪生应用沿离线仿真、在线监测、交互控制、预测推演、智能优化到共生进化的成熟度阶梯向上演进。

参考makeTwin架构,国内外学者开展了数字孪生软件平台相关研发工作,图灵AI中心专家评价其为数字孪生多领域应用打通了道路(...recent software tools for DTs pave way for domain agnostic DT operations...) 。makeTwin 已在纺织、轨道交通、数控机床、医药、汽车等行业被参考实践,为构建协同共享的数字孪生软件平台生态提供了实践路径与重要参考。

2.3 标准规范:体系框架引领,领域标准逐增

标准是引领数字孪生技术创新、促进应用推广与成果转化、实现产业高质量发展的核心要素,更是各国掌握领域话语权、提升国际影响力的关键抓手。随着数字孪生理论技术研究不断深入,新应用、新场景不断涌现,标准化的重要性日益凸显。在数字孪生从理论探索走向产业化应用推广过程中,①不同领域、不同需求人员对数字孪生理解与认识存在差异,亟需数字孪生基础共性标准帮助理解数字孪生概念与内涵;②在实施数字孪生时,亟需数字孪生关键技术标准、测评标准、工具/平台标准、安全标准等帮助指导数字孪生的研究与实现;③面对不同行业、不同领域数字孪生应用的差异化需求,亟需行业应用标准促进数字孪生的标准化推广与应用。

数字孪生只是一个结果而不是最终目标,满足特定对象、特定问题、特点场景的实际特定问题和需求才是数字孪生的最终目标。在实现这一目标过程中,数字孪生标准起到了统一概念认知、规范技术要求、搭建工具/平台、促进推广应用等基础性、支撑性、引领性的关键作用。

2019年,作者团队牵头并联合山东大学、国家机床质量监督检验中心、北京机械工业自动化研究所、中国电子技术标准化研究院、中国信息通信研究院等18家单位共同提出了数字孪生标准体系。该标准体系包括数字孪生基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准、安全标准与行业应用标准6 类35 个共性/技术标准和若干行业应用标准,为数字孪生标准研制提供了指导方向。随后国内外数字孪生标准化工作逐步启动。

在数字孪生基础共性标准方面,2023 年ISO/IEC JTC1/SC41工作组发布了Digital twin-Concepts and terminology 标准,目标是尽可能统一和规范数字孪生相关概念与术语。近年,全国信息技术标准委员会陆续发布了《信息技术 数字孪生 第1部分:通用要求》 、《信息技术 数字孪生第2 部分:数字实体》 、《信息技术 数字孪生第3部分:信息交互》 、《信息技术 装备数字孪生系统通用要求》 、《信息技术 车间数字孪生参考架构》 、《信息技术 数字孪生能力成熟度模型》 等国家标准,目标是为数字孪生参考架构、基本要求、功能要求、能力要求、建设要求等提供规范参考。

在数字孪生关键技术标准方面,国际电联电信标准化局发布了Digital twin network-Capability levels and evaluation methods ,以期指导数字孪生网络的能力评估;IEEE 智能制造标准委员会发布的IEEE Standard for Digital Twin Maturity Model and Assessment Methodology in Industry ,给出工业领域数字孪生成熟度模型参考定义,并希望规范评估方法与流程。

在数字孪生行业应用标准方面,在制造领域,ISO/TC184/SC 4 工作组发布了Digital twin framework for manufacturing系列标准,以期从通用要求、参考架构、制造要素数字化表达以及信息交换四方面规范数字孪生的实施技术要求;在城市领域,国际电联电信标准化局发布的Requirements for digital twin federation in smart cities and communities,聚焦于智能城市和社区的数字孪生联邦需求,旨在规范其实施要求;全国信息技术标准委员会发布了《智慧城市 城市数字孪生第1部分 技术参考架构》 ,以期为数字孪生城市的应用实施提供规范化指导。

当前,ISO、ITU、IEC、IEEE等国际标准化组织已开启数字孪生领域的标准化布局,数字孪生标准话语权的国际争夺日益激烈。我国亦高度重视数字孪生的标准化工作,在正在实施的某国家科技重大专项中,设立了智能制造装备和系统数字孪生标准研制相关指南和项目,旨在促进数字孪生的理论突破、技术创新、标准研制与推广应用,以期提升我国国际话语权和国际影响力。

2.4 应用实践:应用领域拓宽,实践效果初现

数字孪生的应用价值在于利用数字孪生模型和数据分析和解决实际问题,利用数字化服务丰富和深化物理实体应用功能,重构并优化满足实际应用需求的实现路径,利用新质生产力创造新价值。

从应用广度的视角,数字孪生应用已从最初在制造与航空领域,进一步拓展至航天、汽车、船舶、医疗、城市、交通、农业、能源、网络、水利等行业领域。据行业统计报告,我国数字孪生市场规模已从2020年的41 亿元快速增长至2024 年的149 亿元预计未来将继续保持高速增长,并全面覆盖各行业领域,助力各传统行业实现数字化转型,为社会经济的可持续高质量发展提供新质生产力。

从应用深度的视角,在不断涌现的新兴技术的融合推动下,以及在不断拓展的应用场景对应用需求持续提升的拉动下,数字孪生应用从最基础的以虚仿实,逐步向以虚映实、以虚控实、以虚预实、以虚优实演进,应用潜力和价值不断拓展和提升,并在某些特定应用场景逐渐向“虚实共生” 这一理想目标迈进。

1.以虚仿实：这类应用是数字孪生最初也是最基础的应用。以虚仿实利用数字孪生模型对物理实体进行精准描述,在虚拟世界中实现对物理实体的仿真分析和实验验证。目前这类应用已基本覆盖具有数字化需求的全行业场景,如智能制造、智慧医疗、国防、建筑等。

2.以虚映实：以虚映实通过数字孪生模型和数据动态映射物理实体的实时状态与运行过程,实时刻画和反映物理世界当前正在发生什么。目前这类应用已覆盖船舶动力传动装置状态监测、模切机状态监测、桥梁结构健康监测、物理DC-DC 转换器运行状态监测、管道状态监测、飞机机翼结构状态监测、核电站热液压系统监测等场景。

3.以虚控实：从实到虚的单向映射无法影响到物理实体,而以虚控实则可以通过连接交互实现对物理实体的远程实时控制,从而更好更快地完成相关任务。目前这类应用已覆盖生产调控、交通信号自适应控制、隧道掘进机实时控制、微冲压系统自主调控、融合人机协作的精益手工装配、智能能源系统的协调与控制、盾构参数智能动态控制、铣削过程切削力自适应控制等场景。

4.以虚预实：只了解物理世界当前正在发生什么还不够,我们还希望知道未来将会发生什么。以虚预实利用动态跟随物理实体状态变化的时效数字孪生模型,实现对物理实体未来状态和运行结果的在线预测。目前这类应用已覆盖板材成形实时质量预测、复材加工质量预测、轴承剩余使用寿命预测、催化剂生产线关键工艺参数预测、慢性肾病预测、缺血性心肌病预测、车载自组织网络流量预测等场景。

5.以虚优实：预测不是目的,得到更好的结果才是我们的最终目标。以虚优实利用数字孪生模型在虚拟空间中结合实际需求进行迭代分析,从而实现对物理实体和相关决策方案的动态优化。目前这类应用已覆盖生产优化、离散制造车间布局优化、粉末压实工艺优化、高炉炼铁过程优化、供应链业务在线优化、试飞流程优化、电缆智能生产线耦合优化、固体废物收集路线优化、自动化集装箱码头运营能耗优化、切片通信网络动态性能优化等场景。

6.虚实共生：这是数字孪生应用的理想目标,物理实体和数字孪生模型可以在全生命周期内实现虚实同步和自主进化。尽管现有数字孪生应用还难以实现虚实共生,但具身智能、增材制造、机器人等重要支撑技术的快速发展与迅速成熟已经使这一目标的实现不再遥不可及。

目前,数字孪生应用领域正加速拓宽,预计未来将全面覆盖各行业领域,助力各传统行业实现数字化转型。面向各行业领域的多元需求,数字孪生应用功能也在逐渐丰富,成熟度逐步加深,为社会经济的可持续高质量发展注入新质生产力。

2.5 国际交流:多元平台初具,交叉协作加深

开放的、多元的、国际化的学术交流平台是推动数字孪生领域全球协同创新、产学研融合发展的摇篮。近年数字孪生在学术会议、学术期刊、学术组织方面取得了实质性进展。

在学术会议方面,作者团队于2017 年联合12 所高校共同发起了国内外第一个数字孪生主题学术会议“数字孪生与智能制造服务学术会议”,该会议已连续成功举办九届,第八届和第九届注册缴费参会人数规模均超过千人,已成为凝聚国内学术界与工业界共识、促进产学研合作,引领数字孪生方向研究与应用发展的重要平台。为进一步提升我国国际影响力、深入融入全球学术体系、促进国际前沿对话和交流合作,本团队于2021年发起了数字孪生国际会议(Digital Twin International Conference, DigiTwin),DigiTwin先后已在中国、澳大利亚、法国、意大利、德国成功举办五届,2026年8月份第六届数字孪生国际会议将在牛津大学举办。与此同时,专业学会组织亦积极推动相关交流平台建设,如中国计算机学会(CCF)于2024 年主办了首届CCF 数字孪生大会。IEEE、Common Ground Alliance、IET等国际组织先后举办了数字孪生相关主题会议。这些会议共同构建了覆盖全球、多元参与的学术交流体系,有效促进了数字孪生理论、技术及应用的跨国传播与交流合作。

在学术期刊方面,数字孪生作为高度学科交叉融合的领域,其研究成果长期以来广泛分布于机械、自动化、计算机、城市科学等上百余种期刊中,这种分散状态在一定程度上造成了知识体系的割裂与学术对话的隔阂。为填补数字孪生领域学术期刊的国内外空白,同时为在国际上发出并传播中国数字孪生声音,建立文化自信,践行科技自立自强,提升国际话语权,作者团队于2021年创办了全球第一个数字孪生国际期刊《Digital Twin》 ,随后《Digital Engineering and Digital Twin》、《Digital Twins and Applications》等期刊陆续创立,共同为数字孪生领域前沿研究提供了传播与交流平台。此外,《计算机集成制造系统》、《机械工程学报》、《航空学报》、《西南交通大学学报》等国内期刊,以及《Nature Computational Science》、《Journal of Manufacturing Systems》、《IEEE Internet Computing》、《Scientific Report》等国际期刊也推出了数字孪生专刊,为数字孪生学术成果发表、传播、交流提供了高质量平台。

在学术组织方面,美国、欧盟、德国分别建立了Digital Twin Consortium、Building Digital Twin Association、The Industrial Digital Twin Association 等数字孪生国际组织,其目的是加速技术创新、统一行业标准、解决互操作性等难题,并抢占各自在关键领域的话语权。在此背景下,为进一步构建开放包容、协同创新的全球合作网络,并增强我国在数字孪生学术组织方面的学术自主性与国际话语权,作者团队于2025年牵头创立国际数字工程学会(IDEA) ,以汇聚全球智慧,推进数字孪生领域的资源共建、学术共融与发展共赢,为全球科技发展与科技治理贡献中国思想与中国方案。

由中国牵头并主导的“两刊两会”(Digital Twin 国际期刊,Digital Engineering国际期刊,数字孪生国际会议DigiTwin,国际数字工程学会IDEA)数字孪生国际化工作,初步建立了高水平的学术交流与协作体系,有效促进了前沿知识的快速传播与深度融合,更在提升我国学术自主性、深度参与并引领国际规则制定方面,体现出重要的战略价值。

3 数字孪生未来研究展望与探索

3.1 融合人工智能,向数智孪生演进

过去近十年,数字孪生在诸多行业领域数字化能力建设上已取得了显著成效,面对以生成式人工智能为代表的新一代智能技术发展机遇,数字孪生将向“数智孪生”逐渐演进,旨在系统提升其智能化水平,从而为物理实体提供自主感知、动态分析与智能决策等服务。

数智孪生的内涵主要体现在两个方面:①为突破当前数字孪生在模型构建、数据分析与交互融合等方面存在的效率与成本约束,未来人工智能技术将全面赋能数字孪生本体(即AI for Digital Twins),使物理实体、虚拟模型、连接交互、数据与服务等数字孪生组成要素具备感知、生成、交互、分析与决策智能,从而数字孪生从数字镜像演进为具备内源智力的智能体,并显著提升其响应速度与自适应能力。②数字孪生可提供高逼真度的虚拟环境反哺人工智能的发展(即Digital Twins for AI)。面对智慧城市、高端装备等复杂巨系统的协同调控挑战,数字孪生将构建一个可支持AI训练、验证与进化的高保真、可编程的虚拟环境,并通过建立“虚拟现实”持续学习闭环,支撑多智能体无风险的强化学习与协同策略演化。“AI for Digital Twins”与“Digital Twins for AI”二者相辅相成,共同构成了一个可持续学习、不断进化、双向赋能的“数智孪生”。

3.2 从数字孪生到数字孪生工程

数字孪生已在单一对象、场景、任务的单点应用中取得了初步成效,但面向未来大规模系统性应用需求,仍可能存在以下问题或挑战:①现有研究多聚焦于单一对象单一环节的应用,缺乏对全生命周期的贯通覆盖,导致跨阶段、跨环节的应用协同不足;②应用对象与场景的孪生模型与孪生数据长期积累不足,数据的连续性、完整性和深度欠缺,使数字孪生仿真推演、预测预警、优化决策等核心价值难以充分释放③对数字孪生模型、数据、服务等要素自身的创建、演化、验证、维护与退役的全生命周期管理关注不够,难以支持数字孪生随物理对象或业务需求持续可信地演进;④系统内不同对象间的协同联动较弱,未能将应用场景中的多要素、多主体整合为有机整体,但局部最优往往不代表全局最优。故亟需从全局视角统筹规划。

展望未来,数字孪生将与系统工程方法相结合,充分融合MBSE 等技术在模型化、规范化、体系化方面的优势,统筹数字孪生的全生命周期,支持复杂产品或系统的数字交付以及性能管控、体系优化和智能升级。从数字孪生迈向数字孪生工程,将成为补齐全生命周期系统化能力短板、支撑其未来十年规模化与深度化应用的关键路径。

3.3 数字孪生与具身智能融合将加速物理AI改造现实世界

当前,数字孪生虽已在装备远程监控、故障预警、行为优化等方面发挥重要作用,但现有应用大多仍依赖人员参与,现有数字孪生装备仍难以在复杂任务和多变环境中进行动态分析、自主决策与精准执行,无法以独立自主的物理智能体身份参与普遍的社会分工。

未来数字孪生装备将基于以虚仿实、以虚映实、以虚控实、以虚预实、以虚优势和虚实共生能力,进一步融合具身智能的分析、思考和执行能力,共创感知、认知、决策、执行闭环的自治能力让物理AI 能够直接参与社会分工,协助人类或独立完成相应的工作内容。数字孪生与具身智能相辅相成,一方面,数字孪生作为AI技术发展的试验场和基础设施提供者,为具身智能提供高保真、低成本、易迭代的试错学习环境,为装备智能培育升级提供大量真实数据和可信模型。另一方面,具身智能作为数字孪生的物理执行器,能够赋予数字孪生装备自主行动、自我审视、自适应进化能力,同时,通过提取不同场景下的共性任务逻辑与环境特征,形成可复用的智能经验库,使数字孪生装备能够快速适配多任务甚至是多领域的差异化需求,大幅提升数字孪生装备的场景覆盖能力与部署效能。

3.4 数字孪生与空间智能将成为未来元宇宙核心基础

数字孪生强调通过虚实交互实现对物理世界的高保真复现,而元宇宙的内涵不止于对现实的镜像反映,更强调在虚拟空间中创造超越现实的交互与经济价值,即“以虚拓实”。因此,为进一步支撑元宇宙的构建与发展,需超越数字孪生现有的能力,进一步赋予其理解与塑造复杂空间关系的高级智能。空间智能的融入正是解决这一问题的关键途径,它使数字孪生能够深度理解人、机、环境等多重要素之间的复杂关联与行为逻辑,从而构建起一个既遵循物理规律约束,又支持虚拟创造与动态情境推演的“世界模型” 。

数字孪生与空间智能的结合,是将真实世界的精确性与虚拟空间的创造性进行有机结合。这种方式不仅为元宇宙提供了持续、可靠、可扩展的现实映射基础,更赋予系统以自主生成内容、动态适应变化及关系推理的能力,故数字孪生与空间智能将成为未来元宇宙核心基础。

3.5 量子计算将助力实现实时数字孪生服务应用

随着模型精度的持续提升与系统复杂性的指数级增长,数字孪生处理任务的数量与难度正面临前所未有的挑战。一个高度复杂的数字孪生模型所承载的仿真计算任务量,可能高达千亿乃至更高规模。在此量级下,传统计算架构已显乏力,单次全状态仿真或优化计算耗时可达数周甚至数月,严重制约了决策效率与应用的实时性。

量子计算凭借其并行性、叠加性与全局寻优能力,为解决上述问题开辟了途径。未来数字孪生将与量子计算深度融合,通过构建“量子-经典混合”协同计算范式,提升数字孪生模型与数据的处理效率,实现超实时仿真能力的突破与海量数据的快速分析挖掘,助力数字孪生的即时服务应用。依托量子计算的技术优势,数字孪生未来有望进一步拓展高端复杂装备实时健康预测与维护决策、智慧能源网络动态全局调度、新药研发中分子动力学模拟等对算力与时效要求极高的复杂应用场景。

3.6 脑机接口的发展将可能使人与数字孪生的交互融合更直接深入

当前数字孪生依赖的传统图形界面交互,存在效率瓶颈与认知隔阂等局限,难以满足人在特殊场景下,对复杂系统进行实时、沉浸式、高维度协同操作与决策的需求。

脑机接口技术的出现与快速发展,可能给数字孪生交互模式变革带来新机遇。一方面,借助脑机接口,数字孪生系统未来可能与大脑建立直接通信链路,支持用户通过意念直接操控虚拟模型、调用服务并下达指令,从而大幅压缩交互路径,显著提升响应速度与精准度。另一方面,脑机接口可将系统反馈的多维数据转化为大脑可高效理解的反馈,实现无损信息传递。未来数字孪生交互模式可能实现从“感官交互”到“脑机交互”的模式进阶,使人能够从传统“界面操作者”转变为数字孪生系统的“内在参与者”,让人以更直接的方式与数字孪生深度交互与融合。

3.7 危极特恶场景应用将进一步彰显数字孪生价值

数字孪生在常规场景中的应用已逐渐成熟,未来其核心价值不仅在于实现效率提升,更在于能力边界拓展,以应对高风险、高复杂度、高不确定性环境的应用需求。

未来数字孪生应用将进一步向危险任务、极限尺度、特殊需求、恶劣环境等传统技术难以覆盖的场景拓展:危险任务涉及核设施运维、深海装备作业、危化品事故处置等人员直接介入风险极高的作业;极限尺度涵盖从原子级制造的微观尺度到大飞机、卫星互联网、超大型水利工程等宏观尺度;特殊需求包括太空在轨制造、精密脑科学研究等需求;恶劣环境覆盖航空发动机极端高温高压、极地探测超低温、电子对抗强干扰、火灾等恶劣条件。这些场景应用普遍存在人员难抵达、操作成本高、安全风险大等特点,对数字孪生的需求尤为迫切。通过构建高保真虚拟空间,数字孪生能够有效突破物理限制,实现先期预演、动态优化与智能决策,从而更好地为国家重大战略与前沿探索提供核心能力支撑。

3.8 芯载孪生将拓广数字孪生应用边界

当前数字孪生应用通常部署在云平台、服务器或工控机上,尽管这种依赖算力的集中部署模式对于复杂装备、复杂系统的大规模数字化应用具有一定优势,但无法充分满足无人装备、自治装备、分布式集群装备等注重时效响应、个性化功能且要素离散分布的行业领域应用需求。

未来的数字孪生不仅能够部署在电脑上,还有可能直接部署在芯片上,芯载孪生的出现将会使深空、深海等特殊领域的装备,以及小型移动装备的数字孪生应用成为可能,数字孪生的应用边界将会被加速拓广。同时,芯载孪生通过将高保真模型、轻量化仿真与智能算法内嵌到智能芯片中,实现感知决策执行本地化、模型数据个异化、服务功能个性化,从而缩短虚实交互距离,加快响应速度并提升可靠性,方便灵活部署与功能性重构,保障数据安全并浓缩数据价值,为物理实体提供即时定制服务,为打造未来社会级智能平台奠定基础。

3.9 数字孪生标准体系逐渐完善,国际话语权竞争愈发激烈

ISO、IEC、IEEE等国际标准化组织及国内相关标委会近年来发布了数字孪生概念术语、参考架构、成熟度模型等标准,已建立起数字孪生基础共性标准和关键技术标准,推动了数字孪生在更多领域、行业、场景的标准化应用。但在工具/平台、测评、安全等标准方面仍有空白,且关键技术标准覆盖不全。未来十年,数字孪生标准的竞争将成为数字孪生产业和技术竞争的关键要素,建立前瞻、领先、完备的标准体系是赢得国际话语权、技术主导权、应用推广权的核心关键。面对日益激烈的数字孪生标准化竞争形势,要以持续发展的眼光,抢占标准制高地,加强行业标准、国家标准、国际标准的研制、衔接与转化,着力构建引领性的自主标准生态,不断促进以高标准引领高质量发展的这一重要目标实现。

3.10 数字孪生通用软件平台将出现

目前数字孪生软件工具多为面向特定功能或孤立场景的专用解决方案,存在功能分散、互操作性差、重复开发等问题,已成为制约数字孪生规模化应用的重要瓶颈之一。

未来数字孪生通用软件平台将出现,以解学术创新之渴、医工业转型之痛、纾国家发展之困。数字孪生通用软件平台将提供标准化、模块化的开放架构,通过定义统一的模型格式、数据标准和接口规范,兼容集成多源工具,支持从模型构建、数据融合、仿真推演到协同决策的全链路闭环,从而为理论研究创新提供平台支撑,并能够大幅降低开发门槛、复用已有成果,促进数字孪生在各行业领域的快速落地应用。

4 结束语

当前数字孪生正处于关键发展节点,为前瞻其未来发展方向,本文系统回顾并总结了2016-2025 年数字孪生在理论、技术、工具、标准、应用等方面的研用进展。在此基础上,本文进一步探索提出了从“数字孪生”走向“数智孪生”与“数字孪生工程”、从“感官交互”迈向“脑机交互”、从“经典计算”升级为“量子计算”、从“机载部署”发展为“芯载孪生”、从“常规场景”延伸至“极限环境”、从“标准填补”转向“生态构建”、从“专用工具”升级至“通用软件”等十大发展趋势。

本文通过十年回顾与未来十年展望,以期为深化数字孪生理论研究、突破关键技术瓶颈、构建开放协同的软件工具与标准生态提供参考。如存在不足之处,恳请国内外专家和同行批评指正! 数字孪生的未来发展需汇聚各界能力优势,共同推动跨学科、跨领域的协同创新,促进数智孪生、数字孪生工程、芯载孪生等方向的突破与发展,并通过在智能制造、航空航天、智慧城市等行业的深度实践,持续提升数字孪生解决复杂系统问题的核心能力,从而加速形成支撑经济社会高质量发展的新质生产力。

原文刊载于《计算机集成制造系统》2026 年1月 作者：陶飞 张贺 张辰源 马昕