數字孿生技術在產業數字化進程中的應用價值與潛在風險研究

摘要：數字經濟時代，數字孿生技術高效的信息收集和處理能力日益受到政策制定者和企業決策者的青睞，對產業數字化發展具有重要的推動作用。介紹并梳理了數字孿生技術的概念及發展脈絡，同時結合國內外企業采用數字孿生技術的優秀案例，從生產、管理和創新三方面說明了數字孿生技術在產業數字化進程中的應用價值，并對該技術的潛在風險進行了初步探討。在此基礎上，從政府部門和實體企業兩方面提出對策建議，以期推動數字孿生技術與企業生產經營融合適配，為產業數字化進程提速增質。

關鍵詞：數字孿生；產業數字化；應用價值；潛在風險

一、前言

在國家產業數字化政策的支持和新興數字技術的推動下，傳統行業的戰略規劃和經營管理模式正發生著嬗變。在產業數字化進程中，數據已經成為企業重要的戰略資源，其完整性、及時性和準確性直接關系到企業生產管理效率與研發能力。在這種情況下，數字孿生技術正以其優越的信息收集與處理能力被決策者所推崇，且隨著數字經濟戰略的不斷深化，最近幾年數字孿生技術也開始通過媒體報道頻頻出現在公眾的視野中。據測算，2022年中國數字孿生的市場規模超過100億元，預計至2025年將達到375億元[1]，且在2022年6月，人社部公布的18個新職業中就包括數字孿生應用技術員，具體從事包括模型構建、平臺維護、數據采集等在內的與數字孿生技術相關的技能型工作，體現出數字孿生技術的巨大潛力。本文在梳理數字孿生技術發展脈絡的基礎上對相關案例進行搜集和歸納，從而明晰數字孿生技術在產業數字化進程中發揮的應用價值，并結合數字孿生技術在實際應用過程中的特點對其潛在風險予以初步探討，以期為政策制定者和企業管理部門提供參考和借鑒。

二、數字孿生技術概述

（一）數字孿生技術的定義與內涵

數字孿生（Digital Twin）概念最早由美國教授邁克爾·格里夫（Michael Grieves）提出，最初起源于產品生命周期管理領域，指物理產品所述信息的虛擬表示，隨后，格里夫對數字孿生概念進行了擴展，指出數字孿生由產品物理實體、物理實體對應的虛擬表示以及二者間的雙向連接組成。這種雙向連接既包括產品物理實體向其虛擬表示輸送數據的過程，又包括產品虛擬表示向其物理實體反饋數據的過程，如圖1所示[1]。其本質上是將物理實體的鏡像映射到虛擬空間，利用物聯網、傳感器、3D建模和云計算等技術在虛擬世界中生成物理實體的“數字雙胞胎”，實現數據可視化實時同步管理，是實現“元宇宙”的重要支撐技術。

（二）數字孿生技術的發展歷程

美國國家航空航天局最早使用數字孿生技術對航天器進行建模和仿真，旨在管理和解決與航天器設計、運行和維護相關的各種復雜問題。隨著信息技術的發展，世界各國逐漸意識到虛擬與現實融合為制造業帶來的潛在機遇，陸續將新工業革命納入國家戰略規劃，如美國的“先進制造”戰略、德國的“工業4.0”戰略和中國的“中國制造2025”戰略等，為數字孿生技術廣泛融入制造業提供了契機[2]。在此背景下，波音、西門子、海爾等制造企業紛紛將數字孿生技術用于生產實踐，極大提升了生產效率。隨著數字經濟時代的到來，數字孿生技術無論在橫向層面還是縱向層面上均步入快速發展期。從橫向層面上看，數字孿生技術開始向農業、建筑業、交通運輸業等多個行業蔓延；從縱向層面上看，除企業生產經營活動以外，環境保護、城市治理、應急管理等多個領域均有數字孿生技術的身影。

（三）數字孿生技術在中國的發展現狀

數字孿生技術在中國起步較晚，其潛力還遠未得到開發。2019年，國家發改委聯合其他部門共同推出《關于推動先進制造業和現代服務業深度融合發展的實施意見》，特別強調要“突破工業機理建模、數字孿生、信息物理系統等關鍵技術”。在各項政策的支持下，騰訊、華為、科大訊飛等國內頭部企業開始針對數字孿生實施科研技術攻關，旨在為各類客戶提供更加智能化的解決方案。在政策推動和科研攻關的共同作用下，中國數字孿生專利申請數量逐年增長，并在城市綜合治理、水利水務、能源電力、交通物流等方面積累了寶貴經驗。然而，從供給和需求的角度看，目前中國數字孿生市場的主要參與者為技術服務商與方案整合商等技術供給方，而這些廠商存在商業模式不成熟、技術缺乏和標準不統一等現實問題，加之數字孿生平臺高昂的運維成本，致使國內企業對數字孿生技術的需求仍然存在巨大的開發潛力，特別是數字化程度較低的小型制造企業，對數字孿生技術仍抱有觀望態度，未能將數字孿生技術與生產經營實踐相結合，導致產業數字化進程放緩。為此，本文遴選國內外優質案例，對數字孿生技術在企業中的應用價值予以歸納，從而為推動產業數字化提供經驗借鑒。

三、數字孿生技術的應用價值

綜合分析相關的學術論文、新聞報道和研究報告，研究者發現數字孿生技術在產業數字化進程中的應用價值主要體現為生產、管理和研發三個方面，本文最終選擇三家應用數字孿生技術的代表性企業，對數字孿生技術的上述應用價值予以展示和說明。

（一）優化生產流程，提高生產效率

中國制造業關鍵核心技術面臨嚴重的“卡脖子”問題[3]，而數字孿生技術在制造業中的應用場景尚未得到充分開發。在這種形勢下，欣旺達電子股份有限公司作為全球消費類鋰電池的龍頭企業，率先為數字孿生技術在國內生產制造領域應用提供了示范。近年來，總部位于深圳的欣旺達規模不斷擴大，在海內外擁有廣泛的分支機構，為飛利浦、蘋果、聯想、大眾等企業持續提供電池模組產品及相關服務，并成功躋身中國民營企業500強。借助與華龍訊達合作開發的“木星”數字孿生系統，欣旺達數字化轉型程度大幅提升，實現了對生產過程中人員、設備、物料、工序和場景的全流程監控。在欣旺達的汽車電池工廠中，每臺機器、每個車間的基礎信息和運行情況都可以通過數據采集設備實時反映在監控大屏幕上，當機器設備出現故障時，查障員無須通過現場排查就能查明故障原因，降低了查障時間和人力成本，提升了車間生產調度的精確性。同時，該系統支持在虛擬空間中進行質量分析和制造仿真，并將仿真結果應用于后續實際生產，實現了生產工藝的動態優化改進。此外，通過對生產流程的可視化管理，工廠能夠對生產設備的各項參數（溫度、角度、運行頻次等）進行更加精準的控制調整，使設備的運行成本、返工成本和殘次品率大幅下降，極大提高了生產效率。

（二）降低管理成本，增強運營能力

在眾多管理場景中，供應鏈以其復雜的網鏈結構和協同管理難度受到產學研各界的高度關注，而數字孿生技術對供應鏈管理中的增益作用最能體現其在復雜管理問題方面的獨特優勢。囿于傳統供應鏈建模中存在各環節彼此孤立而無法精準刻畫各個環節間相互影響的問題，2018年，京東物流開始使用數字孿生技術對供應鏈進行革新，以實現對供應鏈全流程場景的粒度可控建模并形成供應鏈數字孿生平臺，從而增強供應鏈的協同運轉和服務能力。結合物流行業的業務特點，京東物流對人、貨、車、場等供應鏈關鍵節點建立了數字孿生模型，為供應鏈協同決策提供了量化支持。在“618”和“雙11”等大型促銷活動中，京東物流基于數字孿生技術建立了一套大促預警系統，以獲取大促期間供應鏈各節點的負荷狀態，并通過仿真模型和優化算法迭代對各項資源予以精準部署，避免了因資源過度投入導致的成本增加。在疫情發生時，京東物流基于數字孿生平臺的網絡仿真試驗功能，將現實世界中的疫情影響映射在虛擬空間中，極大提升了供應鏈應急管理能力，使物流工作在各項資源約束和運力受限的情況下依然能夠有序開展。此外，在為外部企業提供的庫存管理服務中，京東物流還通過數字孿生模型模擬了現實庫存網絡中產品、客戶、倉庫、工廠等各實體之間的關系和進銷存流程，并據此為庫存策略選擇及相關策略的參數配置提供了反向指導。

（三）輔助產品設計，助力研發創新

除幫助企業提升生產和管理能力以外，數字孿生技術還能夠通過“以虛控實”的方式對創新系統進行優化迭代，進而提升企業創新能力[4]。目前，中國企業對數字孿生技術的應用仍處在初始階段，尚未全面將數字孿生技術嵌入研發創新流程，可參考借鑒的實例比較有限。相比之下，國外部分醫藥公司則已經在疫苗研發領域積累了一些實踐經驗。在西門子與源訊的幫助下，葛蘭素史克打造出了首個生物制藥領域的工藝數字孿生模型，不但提升了疫苗生產效率，也使疫苗研發速度大幅提升。在以往，疫苗從研發到上市往往短則數年，長則數十年之久，而在數字孿生技術的幫助下，葛蘭素史克能夠利用仿真模型替代部分物理試驗，使研發環節的物理試驗頻率顯著降低，并在數小時之內完成疫苗產品制造模擬，使研發人員得以將更多精力聚焦在產品初期設計環節上，從而提高研發成功概率。目前，中國醫藥制造企業已經開始結合數字孿生技術進行有益的創新嘗試，且除醫藥制造企業以外，數字孿生技術對所有技術密集型企業都具有高度適配性，使企業高端顛覆性創新成為可能[5]。

四、數字孿生技術面臨的潛在風險

當技術的發展速度高于技術規范和法律法規的調整速度時，隱含在技術層面和法律道德層面的風險也會隨之增加，進而破壞技術應用的穩定性。在信息匱乏、技術不足和監管不力的情況下，技術依賴、信息安全和數據壟斷的風險會隨之加劇，并催生惡意數字孿生行為。

（一）技術依賴風險

技術依賴風險主要源于決策者對數字孿生技術主觀上認識不足，具體表現為資源分配失衡和單點故障率增加兩方面。首先，對數字孿生技術的過度依賴會導致決策者將大量的資源分配給數字孿生模型，進而對企業在其他領域的投資產生擠出效應。其次，在決策者的引導下，隨著數字孿生系統與企業生產經營活動的耦合程度增加，越來越多的業務模塊都將在數字孿生系統中集成管理，當系統的關鍵節點出現故障時將可能導致企業整體癱瘓（即單點故障問題），進而引起生產停滯和供應鏈中斷等嚴重后果。因此，企業在引入數字孿生技術前需要格外關注自身技術投資的多元化程度，避免對數字孿生技術過度依賴。從客觀上看，這無疑對企業計劃制定的完備性和應急管理能力提出了更高要求，而那些規模較小、智力資本匱乏和數字化程度較低的企業可能尚不具備規避技術依賴風險的條件。

（二）信息安全風險

數字孿生模型的運轉需要海量數據提供底層支持，維護信息安全不僅對于數字孿生模型的穩定性至關重要，同時也是對職工、客戶和社會公眾等信息供給方應盡的責任和義務。然而，各類信息在數字孿生系統中的分布比較復雜，如果企業當前技術條件不足以對處在存儲、處理和傳輸環節的信息流予以充分保護，將可能導致信息泄露，進而引起法律糾紛。例如，在建筑施工行業中，施工方可能在智慧工地的建設中將勞務工人的人臉信息錄入數字孿生系統中以輔助考勤管理，但不規范的信息收集流程會導致人臉信息泄露的可能性增加。

（三）數據壟斷風險

資金和科研實力雄厚的企業能夠利用數字孿生技術最大限度降低技術依賴風險與信息安全風險，但由于產權歸屬難以清晰界定的數據資產通常會掌握在擁有數字孿生技術的企業手中，這些企業就可能利用數據壟斷地位將自身風險轉嫁給其他利益相關者，即形成數據壟斷風險。具體而言，為了共享數字孿生模型收益，客戶和社會公眾不得不將更多私人數據所有權讓渡給企業，使數字孿生巨頭企業得以在算法黑箱的協助下形成“數字霸權”并實施不道德行為，包括且不限于利用公眾信息構筑“信息繭房”誘導過度消費、通過虛擬場景模糊勞動者身份對普通民眾實施“數字剝削”以及將責任歸咎于算法以規避法律問責等[6]。

（四）惡意數字孿生

隨著數字孿生技術的不斷成熟，網絡黑客對該技術的認知水平和使用能力也在不斷提高，能夠利用技術漏洞對企業發起攻擊，利用釣魚軟件篡改、損壞或竊取企業數字資產。例如，黑客可能利用生成式人工智能技術創建虛擬的數字孿生角色，并將惡意軟件植入企業數字孿生系統當中。而當攻擊具有針對性和預謀性時，被攻擊的系統往往無法及時作出防御響應。因此，與其他數字技術一樣，數字孿生技術存在被不法分子惡意使用的風險，進而為企業帶來嚴重的安全隱患。

五、結論與建議

綜上所述，數字孿生技術發展勢頭迅猛，已經蔓延并滲透至眾多學科領域當中，但在當前中國，雖然該技術在科學研究和社會治理方面已經具備卓越表現，但由于國內數字孿生市場尚不成熟，許多傳統實體企業對數字孿生技術仍抱有觀望態度，加之該技術本身存在各種不可預知的潛在風險，導致部分企業不具備技術應用條件。凡此種種，使得數字孿生技術在國內傳統實體企業中的嵌入程度還比較低，極大限制了該技術在產業數字化進程中的整體價值表現。但可以預見的是，在虛擬現實交互的數字經濟時代，數字孿生技術必將成為推動產業數字化的重要力量。為此，本文從政府部門和實體企業兩方面提出對策建議，以期為數字孿生技術與實體企業有機融合貢獻思路，助力產業數字化轉型升級。

（一）政府部門：推動政策落地并提供幫扶與規范引導

近年來，政府部門陸續出臺多項政策推廣數字孿生技術，為數字孿生技術的發展提供了堅實基礎。在此基礎上，如何推動政策落地就成了重中之重。本文建議，除針對科技創新實施財政補貼、專項補助和減稅降費等實質性激勵措施以外，地方政府可結合當地的營商環境出臺技術應用規范和指引，為企業答疑解惑，幫助企業逐步建立對新技術和新業態的信心和認同感，促進前期出臺的技術支持政策能夠在企業層面得到落實。在這個過程中，銀行、技術供應商、高校和科研院所的支持可能至關重要。為此，政府部門可適時建立溝通平臺，幫助企業搭建融資與對口幫扶渠道。同時，應充分關注企業在應用數字孿生過程中的風險控制，逐步建立法律規范與行業標準，避免技術的不當使用對實體經濟和社會福利造成損害。

（二）實體企業：吸納智力資本并積極推動數字化基礎設施建設

作為推動數字經濟發展的生力軍，實體企業合理、合規、合法地使用數字孿生技術是實現產業數字化的落腳點和重要保證。為最大限度地發揮數字孿生技術的功效并規避各種潛在風險，實體企業應將數字化轉型作為重要的戰略決策進行考慮，并延攬更多技術型人才進入企業，增強企業智力資本儲備，使企業有能力將數字孿生技術合理應用在生產經營的各個環節，同時厘清與數字孿生技術相關的權利與義務，避免在使用過程中與各利益相關者發生沖突，在法律法規范圍內行使技術權力。同時，實體企業應重視數字化基礎設施建設，為引入或開發數字孿生技術構筑充分的算力、存儲與通信底座，滿足數字孿生技術的基本應用條件。

參考文獻

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[6]衣俊霖.數字孿生時代的法律與問責——通過技術標準透視算法黑箱[J].東方法學，2021（04）：77-92.

作者單位：南開大學商學院

責任編輯：王穎振 鄭凱津