工业中的数字孪生：全面综述

摘要——工业网络正在经历由新兴技术的融合推动的快速转型，这些技术正在革新传统工作流程、提升操作效率，并在各个行业领域中根本性地重塑工业格局。在这场革命中，数字孪生（DT）作为一种变革性创新，成功地将现实世界系统与其虚拟对应物相结合，架起了物理世界与数字世界之间的桥梁。本文提供了一个全面的调查，介绍了各行业中基于数字孪生（DT）的新兴服务和应用，从数字孪生的基本概念和组成部分概述，到对数字孪生关键 enabling 技术的讨论。与现有文献不同，本文深入探讨并分析了数字孪生在广泛工业服务中的应用能力，包括数据共享、数据卸载、集成感知与通信、内容缓存、资源分配、无线网络以及元宇宙等领域。特别地，本文对数字孪生在各个工业应用领域中的作用进行了深入的技术讨论，涵盖制造、医疗保健、交通运输、能源、农业、航天、石油与天然气以及机器人等行业。在技术分析过程中，我们深入探讨了物理与虚拟平台之间的实时数据通信，以实现工业数字孪生网络的构建。随后，本文广泛探讨并分析了数字孪生在工业领域中的主要隐私与安全问题。文中还提供了分类表和调查的主要研究成果，强调了数字孪生在工业中的重要意义。最后，本文指出了未来的研究方向，旨在推动该前沿领域的进一步发展。

关键词——数字孪生、工业网络、无线通信、机器学习、安全性。

I. 引言

工业革命标志着由最近在工业物联网（IIoT）方面的进展驱动的技术创新和自动化新时代的开始[1]。这一关键时期为现代经济中持续发展的先进工业流程奠定了基础。近年来，数字孪生（DT）作为这一演变的关键推动力，允许通过双向通信、实时仿真和监控，将物理世界与数字世界连接起来。通过优化操作和增强决策，数字孪生推动了智能制造、预测性维护以及更高效的基础设施管理[2]。 近期，数字孪生模型因其强大的潜力和多功能性引起了广泛关注，在医疗保健、教育、农业和制造业等多个领域带来了显著的益处[3][4]。它们提供实时洞察、优化流程并增强决策能力，推动了其在众多领域的应用和探索[5]。凭借其创新的操作方法，数字孪生模型为工业应用提供了多种重要的优势，且在不同的部署层级下具有不同程度的虚拟化功能[6]：

• 监控：在这一层次上，数字孪生提供了物理对象的虚拟表示。此功能通过控制其在数字平台上的数字对应物，实现对物理实体的监控。
• 仿真：数字孪生作为物理对象的仿真器，帮助理解、预测和优化。虚拟模型适应变化，但这些变化不会影响物理对象。
• 操作：这一层次特征是物理对象与其数字孪生通过以太网、Wi-Fi或无线蜂窝网络进行双向通信，状态变化在虚拟实体和物理实体中同时反映。

借助其独特的优势，数字孪生技术已经被提出应用于广泛的工业领域，包括智能制造、智能医疗、智能交通、能源管理、卫星通信等。例如，数字孪生在智能制造中扮演着至关重要的角色，通过创建制造系统、机器和流程的数字复制品，贯穿各行业[7]。在医疗保健中，数字孪生增强了病患数据管理并个性化治疗方案，同时改善了手术规划[8]。在交通运输和物流中，数字孪生利用工业物联网网络和无线通信提高了资源监控和优化效率[9]。数字孪生在农业和食品生产中的应用通过无线传感器网络实现了精确监控和预测分析[10]，同时提升了生产力和可持续性[11]。在卫星操作中，数字孪生通过先进的监控和预测性维护提高了装配过程和网络性能的准确性和可靠性[12]。此外，在自动驾驶车辆、无人机和智能港口的管理中，数字孪生利用蜂窝网络和无线通信提升了导航、安全性和操作效率[13]。所有这些数字孪生在各行各业中的显著进展和成就，突显了进一步深入探讨这一革命性研究领域的理想时机。本文中将展示的数字孪生在各行业中的集成概览如图1所示。数字孪生凭借其强大的技术潜力，已显著转变了许多工业领域，包括能源、交通运输、制造和机器人等。 A. 比较与我们的贡献

在数字孪生技术的最新进展及其与各类应用的集成推动下，近期已发布了多项综述，探讨了数字孪生的变革性影响及其新兴趋势。例如，[14]的研究贡献了数字孪生概念，强调其与工业4.0及关键技术的集成，特别是在制造业中的快速发展，探讨了人工智能和工业物联网等关键技术的作用。类似地，[15]的作者分析了数字孪生技术的当前定义和核心特征，探索其在各个领域的应用，并提出了与社会技术方面和生命周期设计相关的意义。其他研究文献[16]到[17]则探讨了数字孪生在工业物联网等相关领域中的影响。在[16]中，研究人员呈现了数字孪生的定义和特征，扩展其在物联网中的应用，并展示了数字孪生在软硬件一体化过程中的作用。有关数字孪生在工业物联网中的研究也在[17]中得到探讨，重点讨论了如人工智能和区块链等技术的支撑作用，探索了智能和安全的数字孪生-IIoT实现方案。此外，[18]中的文章回顾了数字孪生系统中的安全与隐私问题，并讨论了防御措施。[19]也集中研究了数字孪生在工业4.0范式下的安全形势，重点分析了网络物理系统、工业物联网、边缘计算和人工智能等多种技术融合的安全威胁，提出了初步的安全建议。数字孪生在无线网络中的集成问题在[20]中也有所探讨，讨论了数字孪生技术在无线系统中的关键概念、分类、设计考虑和部署趋势。而[21]的研究则从通信和计算角度探讨了数字孪生在智能产业中的作用，回顾了下一代无线技术（如5G及其后续技术）和计算范式（如边缘计算和云计算）中的应用研究进展。数字孪生在6G通信系统中的作用也在[22]中进行了探讨，分析了数字孪生在6G系统中的部署潜力和应用场景。有关数字孪生在各行业集成与进展的研究在[23]、[24]和[25]中有所涉及，提供了数字孪生在产品设计、生产和健康管理等领域的应用回顾。 尽管已有诸多研究，但它们缺乏对数字孪生在工业服务和应用中的全面综述。尤其是在数据共享、数据感知与卸载、内容缓存、资源管理、无线网络、元宇宙等工业服务领域，数字孪生的潜力在公开文献中仍然未得到充分探索[23]-[24]。此外，关于数字孪生在不同工业领域中的应用的全面讨论，在[16]到[17]中也缺失。现有的研究仅提供了部分数字孪生应用分析，而尚未深入探讨从机器人、制造到农业和航天等所有重要应用领域的全面综述。 受到这些局限性的启发，本文提供了一个更全面的数字孪生在工业网络中的集成调查，包括工业服务和应用。我们特别强调了在每个工业用例中，物理实体与其数字对应物在统一数字孪生平台上的双向通信，提供了有关工业数字孪生网络操作的有价值见解。此外，本文还突出了数字孪生在工业领域中的安全性和隐私问题，这些也正是我们的关键创新，使我们的文章在相关文献中与众不同。为此，本文的主要贡献如下：

• 我们提供了一个全面的数字孪生在工业中的使用调查，讨论了其基本原理、组成部分和主要支撑技术。
• 我们详细讨论了数字孪生在关键工业服务中的作用，包括数据共享、数据卸载、集成感知与通信、内容缓存、资源分配、无线网络，以及新兴概念如元宇宙，重点讨论系统、机器、流程及其数字对应物之间的通信和网络协议特性。
• 我们对数字孪生在广泛工业领域中的应用进行了全面调查，包括制造业、医疗健康、运输与物流、能源、农业与食品、航天、石油与天然气以及机器人行业，突出了通信和网络技术在提升数字孪生效果方面的关键作用。同时，我们提供了分类表，总结了每种数字孪生应用的技术要点、贡献和局限。
• 我们还探讨了各行业不同层级的安全和隐私挑战，包括物理层、数字层、通信层和人机交互层，并提出了有效的对策来解决这些漏洞。
• 基于广泛的调查，我们总结了研究成果，并指出了未来的研究方向，以推动这一充满前景的领域的进一步发展。

B. 调查结构

我们的调查结构如图2所示。第二节回顾了数字孪生的基本原理、组成部分和支撑技术。第三节深入分析了数字孪生在不同工业设置中的服务。第四节探讨了数字孪生在各个工业应用中的潜力。第五节讨论了工业网络中各个层次的安全问题。第六节总结了主要发现，并指出了未来的研究方向。最后，第七节对本文进行了总结。