综述：从认知模型到循环系统：数字孪生领域的系统性综述

《Journal of Industrial Information Integration》：From cognitive to circular: A digital twin systematic review

【字体：大中小】 时间：2025年12月26日 来源：Journal of Industrial Information Integration 11.2

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　　Jairo Francisco de Souza|Fabrício Martins Mendon?a|António José Baptista|António Lucas Soares|Jor?o Gomes巴西米纳斯吉拉斯州茹伊斯迪福拉市，茹伊斯迪福拉联邦大学精确科学研究所计

Jairo Francisco de Souza|Fabrício Martins Mendon?a|António José Baptista|António Lucas Soares|Jor?o Gomes

巴西米纳斯吉拉斯州茹伊斯迪福拉市，茹伊斯迪福拉联邦大学精确科学研究所计算机科学系，邮编36060-900

摘要

本文旨在阐明数字孪生技术在最先进的概念发展形态——认知数字孪生技术方面的特征，并分析其对于推动循环经济发展的作用。研究采用了专门设计的五维分析框架，基于既定的循环经济战略框架，对各类数字孪生方案及其在循环经济中的应用潜力进行了系统性的文献综述。研究结果表明，认知型及混合型的数字孪生方法在互操作性、数据流、系统层面以及认知过程等方面具有较高的覆盖度。然而，在循环经济中应用认知数字孪生技术需要协调多种策略以涵盖产品的全生命周期，而目前关于数字孪生的研究尚未充分解决这一问题。本研究是首个系统探讨认知数字孪生技术与循环经济之间关系的研究，所提出的分析框架可进一步拓展，用于未来5.0工业领域的相关研究。

引言

数字孪生技术被视为4.0工业时代[1]以及5.0工业时代[2]、[3]、[4]的关键支撑技术。随着时间的推移，数字孪生的概念不断演变，逐步融入新兴技术，以应对日益复杂的决策环境[5]。数字孪生技术为优化产品全生命周期管理带来了巨大潜力，这要求企业必须对现有的方法、流程和工具进行重大调整，从而充分利用数字孪生技术实现数字化转型[6]、[7]。数字孪生技术有望缩短新产品的开发时间和成本，为产品在实际应用中的运行提供支持，助力企业快速响应市场机遇实现创新[8]，同时还能促进产品的循环利用。它被认为是数字转型过程中的核心概念之一[9]、[10]，也是绿色转型的重要支撑技术[11]。在所谓的“孪生转型”背景下，数字孪生技术作为推动环境可持续发展的关键工具，对循环经济的实现具有重要作用。循环经济是一种以商业战略为导向的经济体系，其目标是通过在产品生产、流通和消费全环节采取减少、消除或重新利用、回收材料等措施，取代传统的“产品寿命终结”理念[12]。

近年来，涉及数字孪生技术的学术论文数量在多个领域大幅增加，包括制造业[1]、[13]、[14]、建筑行业[15]、医疗领域[15]以及循环经济领域[16]、[17]。这一趋势使得相关的提案、定义和技术呈现出更多样化和更复杂的特征。不过据[18]指出，模糊性是阻碍数字孪生技术更广泛应用和发展的主要因素。此外，若要开发出能够有效支撑循环经济等应用的创新数字孪生技术，就需要深入理解当前的技术发展水平，并为相关创新明确研究方向[19]、[20]。

目前已有不少研究试图对数字孪生方案的特征进行描述，但这仍然是一个有待解决的问题。不过，针对数字孪生的各类综述都认为认知数字孪生技术是最具前景的方向[21]、[22]。根据[21]的定义，认知数字孪生技术是“对其物理实体的整体，包括其所有子系统，在整个生命周期及发展阶段所对应的数字表征、增强版本以及智能辅助系统”。

现有文献探讨了数字孪生技术在支持循环经济中的作用（如[13]、[15]、[17]、[23]），但关于数字孪生技术在这一领域的具体作用描述缺乏统一性和清晰度，同时也未明确认知数字孪生技术要实现全面支撑循环经济发展还需要具备哪些高级特性。

我们认为，如果将分析重点放在以下方面，就能更深入地了解现有文献中各种数字孪生方案的特点：（i）数字表征与物理实体之间的数据流情况；（ii）数字孪生的认知能力，即识别虚拟模型演化规律、理解虚拟模型之间的关联以及提升决策能力的能力[24]；（iii）各类数字孪生方案的语义特性，也就是用于在产品全生命周期内为数字孪生任务提供支持的各类语义技术。

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RQ1. 学术文献中认知数字孪生技术方案具备哪些特征？

此外，我们还希望了解那些能够用于支持产品、材料、工艺的循环利用以及整体循环制造的先进数字孪生技术，尤其是认知数字孪生技术的特殊特性。经过初步筛选，我们没有找到任何将认知数字孪生技术与循环经济联系起来的研究，仅有少量论文明确提到了数字孪生技术在循环经济中的作用。因此第二个研究问题旨在详细探讨这些作用。通过研究结果，我们可以对认知数字孪生技术在未来循环经济中的作用做出推测。

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RQ2. 数字孪生技术是如何被用于支持循环经济建设的？

本研究的主要贡献如下：

1.
我们开展了系统性文献综述，为上述研究问题寻找答案。与其他研究不同，我们重点研究了认知数字孪生技术，分析了它们的总体特征以及在工业领域的应用情况，还探讨了数字孪生技术在循环经济中的应用方式。据我们所知，这是首篇系统研究认知数字孪生技术与其与循环经济关系的文献。
2.
我们构建了一个分析框架，用于梳理本次综述中发现的各类数字孪生方案。该框架从技术和领域无关的角度出发，从五个维度对数字孪生技术进行特征分析：（i）数据流；（ii）互操作性水平；（iii）系统层面；（iv）认知过程；（v）对产品/系统全生命周期的覆盖程度。我们也鼓励其他学者根据特定应用场景或5.0工业时代的发展需求，对该框架进行扩展，增加更多的分析维度或功能。
3.
我们基于实证研究得出了关于数字孪生技术的一些见解。例如，正如预期，认知数字孪生技术和混合型数字孪生技术通常具备较高的互操作性、良好的数据流处理能力、较强的系统层面功能以及出色的认知处理能力。而多数其他类型的数字孪生技术则缺乏满足这类应用需求的关键特性。
4.
研究显示，目前的数字孪生技术方案在支撑循环经济发展方面仍存在不足，而认知数字孪生技术有望帮助解决这一问题。

本文的其余结构如下：第2部分介绍理论背景，阐述现有文献中对数字孪生技术的定义，以及工业领域中先进数字孪生技术的关键特性，如语义功能和认知能力；第3部分说明研究方案，包括两个研究问题以及相关的文献计量数据；第4部分展示并分析运用该分析框架对各类数字孪生技术研究以及循环经济相关研究所得出的结果；第5部分梳理与本研究相关的已有工作；最后第6部分总结本研究的主要结论及局限性。

章节节选

数字孪生技术的定义

数字孪生技术的概念最早可以追溯到2002年密歇根大学向工业界展示该技术时，当时是为了建立产品生命周期管理平台而提出的[25]。另一个重要的提及该术语的场合是2016年的一场行业研讨会，由[21]提出。¹从那以后，越来越多的学者和行业人士开始研究这一技术，例如[20]、[29]、[30]等。

研究准备

我们遵循[52]提出的指导原则，制定了系统的文献综述方案。该方案包括以下内容：（i）明确研究问题；（ii）确定合适的搜索关键词；（iii）设定排除标准；（iv）选择合适的数据库来检索相关文献。同时，研究目标也是根据研究问题来制定的。据[53]所说，研究问题的目的是对现有文献进行分类整理，形成整体的概览。

学术文献中认知数字孪生技术方案具备哪些特征？

本节将介绍我们的分析方法。我们依据第2部分中的数字孪生技术定义，从五个方面对各类数字孪生技术进行对比分析：（i）数据流：指物理实体与其数字副本之间的数据流动自动化程度（参考[6]、[29]、[30]、[31]）；（ii）互操作性水平：指用于在产品（或资产）全生命周期内为数字孪生技术执行复杂任务的各种功能及语义技术（参考[32]、[33]、[34]、[35]）；（iii）系统层面：指相关系统的...

结论

5.0工业时代可以从数字孪生技术的应用中获益，因为该技术能够帮助企业更快地发现技术问题，从而简化产品的重新配置和升级工作，提高生产效率，提升预测的准确性，预判潜在故障，避免经济损失。在本文中，我们研究了认知数字孪生技术在工业领域的应用特征（RQ1），以及目前的数字孪生技术方案在支持循环经济发展方面的表现（RQ2）。尽管有一些研究...

CRediT作者贡献说明

Jairo Francisco de Souza：负责原文撰写——初稿编写、方法论设计、数据整理、概念构建。 Fabrício Martins Mendon?a：负责原文撰写——初稿编写、正式分析、数据整理、概念构建。 António José Baptista：负责原文撰写——初稿编写。 António Lucas Soares：负责原文撰写——审稿与编辑、结果验证。 Jor?o Gomes Jr.：负责原文撰写——审稿与编辑、结果验证。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

摘要

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