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我国工业正在经历数字智能化的崛起，我们曾经头顶光环 (IPv6) 站在世界之巅，网络空间霸权也使我们脚踏尘沙，“雪人计划”让我们终于迎来机会，工业重构必然是燎原烈火。随着新赛道的开启，以及信息化、数字化、融合化、智能化的发展，工业智能化未来可期。虽然供给侧结构性改革能解决快速实施的问题，但是网络安全发展越来越复杂化，IoT融合安全道阻且长，网络安全必须向更进化。虚拟化、数字孪生是提升实力的必由之路，各个行业需借助数字孪生技术推进行业的创新发展。

工业网络的核心是控制系统，工业网络安全建设的终目的也是保护工业安全，但当我们不了解其机理、状态和问题驻留情况时，就好像在自己家里放了一个放射物质，我们却全然不知。虽然我国对DCS系统的研究发展与国外几乎没有技术代差，但是仍存在一定差距。在硬件方面，核心芯片受制于人，工业软件发展缓慢,工业控制技术影响先进工艺流程的开发和发展，因此很难进入某些高端行业领域或特殊工艺的业务场景。由于我国在早期大量引入国外DCS系统，也造成的自主品牌在很长一段时间举步维艰，一旦市场或国际形势发生变化，很容易造成断供、断货，工业行业亟待开启新的征程。

顺大势，谋未来。数字化新时代的大门已经敞开，新的机遇与挑战纷至沓来。如何顺应工业互联大趋势、运筹帷幄，终抢占时代先机?作为国民经济的重要信息安全支撑产业，网络安全(尤其是工控安全行业) 也在积极寻求突破，拓“智”能发展，“维”新路径，助力行业产业链以及宏观经济的可持续发展。本文讲述依据数字孪生技术开发DCS数字孪生体，构建DCS的众测验证平台，在DCS物理世界中，通过数字孪生技术复制n份数字孪生体，为DCS系统提供设计验证、故障模拟数据联动、智能预警、智能控制等功能应用控制和操作环境。

数字孪生背景

通俗来讲，数字孪生（Digital Twin，DT）是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段构建一个在数字世界中一模一样的实体，借此实现对物理实体的了解、分析和优化。从技术角度而言，数字孪生集成了建模与仿真、虚拟现实、物联网、云边协同以及人工智能等技术，通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态，通过指令来调控物理实体对象的行为，通过相关数字模型间的相互学习来进化自身，合理有效地调度资源或对相关设备进行维护。

2002年10月在美国制造工程协会管理论坛上，当时的产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）咨询顾问Michael Grieves 博士提出了数字孪生早的概念模型。但是，当时“数字孪生”一词还未被正式提出，Grieves博士将这一设想称之为“PLM 的概念设想（Conceptual Ideal for PLM）”。

2009年，美国空军实验室提出“机身数字孪生（Airframe Digital Twin）”概念，将数字孪生概念应用于航空航天制造领域。2010年，美国国家航空航天局在《建模、仿真、信息技术和处理》和《材料、结构、机械系统和制造》两份技术路线图中直接使用了“数字孪生”这一名称，并将其定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。2011年，Grieves博士在其所著的《智能制造之虚拟完美模型：驱动创新与精益产品》中正式定义了数字孪生概念，并一直沿用至今。

2012年美国空军研究室将数字孪生应用到战斗机的维护中，而这与航空航天行业早建设基于模型的系统工程（MBSE）息息相关，能够支撑多类模型敏捷流转和无缝集成。近些年，数字孪生应用已从航空航天领域向工业各领域全面拓展，西门子、GE等工业巨头纷纷打造数字孪生解决方案，赋能制造业数字化转型。数字孪生蓬勃发展的背后与新一代信息技术的兴起、工业互联网在多个行业的普及应用有着莫大联系。

各国数字孪生发展情况

(一) 美国

美国从战略规划、应用实践、产业创新等方面全方位布局数字孪生发展。

一是“政产研”合力推动数字孪生上升为国家战略。二是依托航空航天基础优势，探索形成了成熟的应用路径。三是供给侧企业加快技术创新，利用新一代信息技术优化数字孪生应用效果。如在“IoT+仿真”方面，ANSYS和PTC公司合作构建水泵的数字孪生体，实现实时数据驱动下的仿真诊断，相较于传统离线仿真，大大提升了诊断的及时性和准确性。在“AI+仿真”方面，MathWorks将数据分析工具MATLAB和仿真产品Simulink打通，将MATLAB人工智能训练数据集输入Simulink 中进行仿真及验证分析，极大地优化了仿真结果。

因此，美国数字孪生的综合优势体现在在三个方面：一是构建了基于模型的系统工程方法论，通过统一语义和语法标准、给定系统集成路径，为数字孪生应用提供理论指导。二是拥有强大的仿真产业，ANSYS、MathWorks、Altair等企业为数字孪生应用提供基础建模工具。三是拥有丰富的应用数据和模型，空客公司、洛克希德马丁公司、特斯拉公司等企业在产品研制过程中积累了大量机理模型，持续优化数字孪生精度。

(二) 德国

德国立足标准体系基础，加快打造数字孪生竞争优势。

德国立足标准制定基础优势，面向数字孪生打造了数据互联、信息互通、模型互操作的标准体系（即管理壳理论），实现各类数字化资产（数据、信息、模型）之间的无缝集成融合，提升物理实体在虚拟空间映射的度。在数据互联和信息互通方面，德国在OPC UA协议中内嵌信息模型，实现通信数据格式一致性。在模型互操作方面，德国依托戴姆勒的Modolica标准开展多学科联合仿真，目前已经是全球仿真模型互操作的主流标准。同时，2020年9月，德国VDMA、ZVEI、Bitkom联合20家欧洲企业（ABB、西门子、施耐德、SAP等）成立了工业数字孪生协会，其目标是通过统一各个企业数字化工具标准，提升数字孪生体的并行开发效率。

此外，相较于美国更多开展“装备级”数字孪生，德国具有单点优势，西门子是全球极少数能够提供“工厂级”数字孪生的工业服务商。近10年来，工业自动化巨头西门子花费100多亿美元收购了几乎全类别的工业软件，涵盖了产品生命周期管理（Teamcenter）、计算机辅助设计(NX)、电子设计自动化(Mentor)、事件仿真(Simcenter)、制造运营管理系统（Opcenter）等，并持续将各类工业软件集成到MindSphere工业互联网平台。在此基础上，西门子能够基于平台构建全工厂数字孪生，不仅能够实现虚实映射，还能基于工业自动化优势完成闭环控制。

(三) 中国

中国数字孪生市场活跃，多主体参与市场，但创新能力有待提升。

中国各类主体积极参与数字孪生实践，在理论研究、政策制定、产业实践等方面开展探索，但整体上应用深度和广度还需进一步拓展，仍待挖掘更多的工业应用场景。

在理论研究方面，中国关于数字孪生思想的研究由来已久，1978年钱学森提出系统工程理论，由此开创国内学术界研究系统工程的先河。2004年，继美国提出数字孪生概念，中国科学院自动化研究所的王飞跃研究员聚焦解决复杂系统方法论，提出平行系统的概念，将系统工程与新一代信息技术结合。

在政策制定方面，2021年我国各部委和地方政府开始纷纷出台数字孪生相关政策文件。国家发展和改革委员会的“上云用数赋智”、中国科协的“未来先进技术”、工业和信息化部的“智能船舶标准”均将数字孪生列为未来发展的关键技术，上海和海南在其城市规划中也提出要打造数字孪生城市。

在产业实践方面，我国多类主体均开展数字孪生探索，如恒力石化、中广核技等企业积极构建三维数字化工厂，湃睿科技、摩尔软件等企业利用AR、VR提升数字孪生的人机交互效果，工业自动化企业华龙迅达构建虚实联动的烟草设备数字孪生。尽管我国多类主体探索数字孪生的热情高涨，但大多数产业实践停留在简单的可视化和数据分析，与国外基于复杂机理建模的分析应用还存在一定差距。

与数字孪生相关的政策措施

2020年，“新型基础设施建设”写入2020年政府工作报告，“数字孪生”被不少人大代表和政协委员所提及。2020年4月，国家发展和改革委员会印发《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》，方案中提出要解决企业数字化转型所面临的数字基础设施、通用软件和应用场景等难题，利用数字孪生等数字化转型共性技术、关键技术的研发应用，引导各方参与提出数字孪生的解决方案。数字孪生技术的受关注程度和云计算、人工智能、5G一样，已经上升到国家高度。

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