數(shù)字孿生作為推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化升級的關(guān)鍵技術(shù)，在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及政府部門引發(fā)廣泛關(guān)注。但在其研究與應(yīng)用落地過程中，存在“如何判斷是否為數(shù)字孿生”“現(xiàn)有數(shù)字孿生能否滿足應(yīng)用需求”“若不滿足該如何優(yōu)化” 等問題。為此，本文提出一套數(shù)字孿生成熟度模型，將其成熟度劃分為六個等級，并構(gòu)建評價體系與應(yīng)用流程，通過案例驗(yàn)證了模型的有效性。

一、數(shù)字孿生成熟度評價需求分析

數(shù)字孿生憑借信息物理融合能力備受關(guān)注，已在五維模型、建模方法、評價指標(biāo)等理論層面開展研究，并在車間、裝備等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。然而，在與各方交流中發(fā)現(xiàn)，缺乏針對數(shù)字孿生范疇與發(fā)展階段的系統(tǒng)性描述及評價方法是共性難題。成熟度模型既能系統(tǒng)描述目標(biāo)系統(tǒng)的概念范疇與發(fā)展階段，又能評價其發(fā)展水平，因此本文從應(yīng)用角度提出數(shù)字孿生成熟度模型及評價流程。

二、數(shù)字孿生成熟度等級劃分

通過分析現(xiàn)有數(shù)字孿生的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐，其功能用途涵蓋設(shè)計(jì)驗(yàn)證、運(yùn)行監(jiān)測、遠(yuǎn)程運(yùn)維等六類。物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型及二者的連接交互構(gòu)成數(shù)字孿生的“最小概念”。基于五維模型，從物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型、數(shù)據(jù)、連接交互和功能服務(wù)五個維度，按連接交互方式與自動化程度，以功能服務(wù)為主線，將數(shù)字孿生成熟度分為六個等級。

1.零級（L0）：以虛仿實(shí)
利用數(shù)字孿生模型從幾何、物理等維度描述物理實(shí)體，可代替實(shí)體進(jìn)行仿真分析，但模型與實(shí)體間無直接數(shù)據(jù)交換，需依賴人工實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互。

2.一級（L1）：以虛映實(shí)
模型由實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動，能同步呈現(xiàn)物理實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)，突破監(jiān)測的時空限制，但實(shí)體的操作管控仍依賴現(xiàn)場人員。

3.二級（L2）：以虛控實(shí)
模型具備完整運(yùn)動與控制邏輯，在“以虛映實(shí)” 基礎(chǔ)上，建設(shè)數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)雙向閉環(huán)交互，賦予實(shí)體遠(yuǎn)程可視化操控能力。

4.三級（L3）：以虛預(yù)實(shí)
模型基于實(shí)時雙向交互反映實(shí)體當(dāng)前狀態(tài)，借助顯性機(jī)理與隱性規(guī)律，對實(shí)體未來運(yùn)行進(jìn)行在線預(yù)演與結(jié)果推測。

5.四級（L4）：以虛優(yōu)實(shí)
模型不僅能反映狀態(tài)、預(yù)測未來，還能利用策略、算法及知識實(shí)現(xiàn)智能決策與優(yōu)化，并對實(shí)體進(jìn)行智能管控。

6.五級（L5）：虛實(shí)共生
這是數(shù)字孿生的理想狀態(tài)，物理實(shí)體與模型在全生命周期中通過動態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)自主孿生，利用技術(shù)保持兩者動態(tài)一致，實(shí)現(xiàn)高效可持續(xù)的數(shù)字孿生。

三、數(shù)字孿生成熟度評價因子

成熟度等級從宏觀勾勒了數(shù)字孿生的發(fā)展路徑，為實(shí)現(xiàn)可操作的評價，從五維模型出發(fā)，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(shí)體維度：包含實(shí)體數(shù)字化程度、可測性等因子。
• 數(shù)字孿生模型維度：涉及模型完整性、精度等方面。
• 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)維度：涵蓋數(shù)據(jù)完整性、實(shí)時性等要素。
• 連接交互維度：包括通信帶寬、交互實(shí)時性等內(nèi)容。
• 功能服務(wù)維度：包含監(jiān)測、預(yù)測等功能的實(shí)現(xiàn)程度。

四、數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程

數(shù)字孿生成熟度模型由成熟度等級與評價因子構(gòu)成，等級描述了數(shù)字孿生各階段的能力特征，評價因子從細(xì)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(shù)字孿生應(yīng)用，確定其整體等級、評分及各維度短板，并給出優(yōu)化建議。應(yīng)用流程包括評價、分析和優(yōu)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(yōu)化建議環(huán)節(jié)發(fā)揮關(guān)鍵作用。

五、應(yīng)用案例驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型及流程的有效性，對單元級數(shù)字孿生（數(shù)字孿生機(jī)器人）和系統(tǒng)級數(shù)字孿生（數(shù)字孿生車間）進(jìn)行成熟度評價：

• 數(shù)字孿生機(jī)器人的評價結(jié)果用于指導(dǎo)其升級優(yōu)化。
• 對兩個數(shù)字孿生車間的評價結(jié)果可比較二者的發(fā)展程度。

數(shù)字孿生目前仍處于應(yīng)用初級階段，本文提出的成熟度模型為認(rèn)識數(shù)字孿生、開展學(xué)術(shù)研究與推廣應(yīng)用提供了參考，有助于推動數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展與落地。