综述：可持续海事系统中的数字孪生技术：系统性综述与数字孪生成熟度框架

《Sustainability》：Digital Twin Technologies in Sustainable Maritime Systems: A Systematic Review and DT Maturity Framework

　　

数字孪生（Digital Twin, DT）技术通过实现实时监测、预测性分析、运营优化及面向可持续发展的决策制定，正日益推动海事与港口系统的转型。尽管学术界与产业界关注度持续提升，但数字孪生在可持续海事生态系统中的集成仍处于碎片化状态，尤其在数字成熟度与可持续发展绩效评估方面存在明显缺口。本研究遵循PRISMA 2020方法学，系统检索并筛选了Scopus与Web of Science数据库中的26篇同行评审文献。通过基于归纳式编码与文献主题模式识别的主题综合法，研究提炼出四个数字孪生核心维度，并构建了包含关键绩效指标（Key Performance Indicators, KPIs）的四级成熟度框架，涵盖智能港口开发、人工智能集成、能源优化与环境治理四大领域。基于上述发现，研究人员提出了面向可持续海事系统的数字孪生成熟度框架，该框架围绕技术集成、运营智能、可持续发展协同与治理能力四个递进层级构建，为异质性海事生态系统的数字孪生成熟度评估提供了可操作的多维路径。本研究通过系统性的概念综合，丰富了新兴的可持续海事数字化研究体系，可为智能可持续港口生态系统的后续研究、战略规划与政策制定提供支撑。所提框架属于概念性评估模型，其实证验证已被列为未来研究的优先方向。作为基于文献推导的概念评估模型，该框架的成熟度层级及关联KPIs需经实证验证后方可确立其经验有效性。

论文主体部分围绕可持续海事系统中的数字孪生技术展开系统性论述，整体结构遵循学术研究规范，各章节内容如下：

1. 1.
   引言
   引言部分首先阐释了全球贸易扩张背景下港口与海事物流的战略地位，指出港口作为全球90%国际贸易的转运枢纽，其基础设施质量直接影响船舶周转效率与航线选择偏好，是区域与国家经济增长的核心驱动力。随着海运规模持续增长与可持续发展要求不断提升，港口面临提升盈利能力、降低环境影响、优化能源利用效率与精简运营流程的多重压力。同时，港口与城市、供应链之间存在深度耦合关系：港口为城市提供市场整合、服务集聚与社会经济效益，城市则为港口提供基础设施与资源支撑，但港口与腹地的货运高度依赖公路运输，易引发城市与城郊路网拥堵，削弱港口竞争力。在此背景下，欧洲港口已将安全、效率与可持续发展作为核心战略方向，积极部署数字孪生技术以实现港口活动的全景实时感知。数字孪生通过构建复杂系统的虚拟映射，支持系统行为仿真，被学界视为“发现和理解涌现行为的量子跃迁”，其在港口拥堵管理系统、信息系统与交通流仿真模型等场景中已展现出应用价值。现有数字孪生与数字成熟度模型多聚焦技术能力、互操作性、数字化或运营绩效，将可持续发展仅视为应用目标或绩效结果，而非数字孪生成熟度的内在维度，这一局限难以适配海事系统中技术发展、运营流程、治理安排、利益相关方协调与环境绩效深度交织的特征。因此，亟需突破技术中心视角，构建整合多维要素的可持续海事系统专属成熟度框架。本研究围绕四个核心研究问题展开：可持续海事系统中已报道的数字孪生能力有哪些？文献中持续涌现的技术、运营、治理与可持续发展维度有哪些？评估数字孪生成熟度的文献支撑KPIs有哪些？如何将研究发现综合为数字孪生成熟度评估框架？研究贡献体现在三方面：系统梳理了海事与港口可持续发展领域的近期数字孪生应用；通过主题综合识别出技术、运营、治理与可持续发展四大核心维度；将上述发现转化为面向可持续海事系统的数字孪生成熟度框架，拓展了数字孪生成熟度的概念讨论边界。
2. 2.
   研究方法与系统性综述设计
   2.1 研究设计与分析策略
   本研究采用结构化文献综述方法，遵循系统、透明的操作流程以确保可复现性、分析一致性与概念严谨性。区别于传统叙述性综述，研究通过预设检索、筛选与编码流程识别主流研究脉络、技术配置与可持续发展集成模式，旨在弥合数字孪生技术架构研究与海事系统可持续发展绩效评估之间的研究缺口。文献检索严格遵循PRISMA 2020指南，覆盖数据库检索、去重、纳入排除标准应用与全文评估全流程，虽未预先注册综述方案，但通过规范流程保障识别、筛选、资格评估与纳入环节的透明度与可复现性。鉴于纳入文献涵盖概念性、框架性、实证性、案例研究与仿真导向等异质性成果，研究未采用正式偏倚风险或方法学质量评分体系，而是在资格评估与全文筛选阶段考量方法学相关性，仅保留能为定性综合提供充分方法学或概念信息的文献，并在框架解读中明确了这一局限。

2.2 数据库选择与检索流程

研究选取Scopus与Web of Science核心合集作为数据源，二者对工程、海事经济学、物流学、环境科学与数字化转型领域的同行评审期刊收录全面。检索策略采用布尔逻辑表达式，结合数字孪生、海事系统、港口与可持续发展三类核心概念，使用通配符捕捉词汇变体，检索时限覆盖2016至2025年，契合港口数字化与智能海事基础设施领域数字孪生应用的加速发展阶段。检索限定为同行评审期刊论文、英文文献、全文可获取且学科领域匹配工程、交通、可持续发展与数字系统。初始检索获得312条记录，去除48条重复文献后剩余264条进行标题与摘要筛选，排除160条后保留104篇全文进行资格评估，最终78篇因不符合预设标准被排除，纳入26篇文献用于定性综合。

2.3 纳入与排除标准

纳入标准明确要求文献为同行评审期刊论文、英文撰写、明确聚焦海事系统中的数字孪生技术，且至少涉及环境、运营、治理或能源等可持续发展相关维度，需包含数字孪生架构或应用、直接面向海事/港口/船舶/海运物流系统、提供实证/建模/概念性贡献以支撑运营效率、可持续发展绩效或数字化转型分析。排除标准涵盖会议论文、社论、书籍章节、综述文章、仅涉及通用数字化或工业4.0技术而未明确部署数字孪生的研究，以及非海事领域或方法学信息不足的文献。为确保概念一致性，研究严格区分数字孪生与数字模型、数字影子、独立仿真模型、物联网监测平台或通用决策支持系统，仅当文献明确体现物理资产与虚拟资产间持续数据交换以支持监测、分析、预测或优化时，才被认定为数字孪生应用并纳入。筛选过程分为标题筛选、摘要筛选与全文评估三个阶段，由研究团队依据预设标准执行，争议通过迭代讨论达成共识。纳入的26篇文献涵盖多元贡献类型：约15篇聚焦港口与海事物流中的数字孪生应用，包括集装箱码头优化、航运走廊管理、港口-腹地集成与实时运营决策支持系统，反映智能港口生态系统内提升运营效率与系统集成的核心研究导向；约6篇关注可持续发展导向的数字孪生应用，聚焦减排、能源效率、脱碳战略与零能源港口概念，体现环境目标在海事数字化转型议程中的权重提升；约5篇贡献于数字孪生基础理论与使能技术，包括概念框架、系统架构与海事场景下数字孪生开发的方法学基础。地理分布上，多数研究为概念性或全球导向，部分实证应用集中于欧洲与亚洲的海事枢纽，尤其是先进智能港口环境与脱碳倡议场景。方法学分类上，概念与框架性研究占比最高，反映海事系统数字孪生应用的早期发展阶段；实证与案例研究占比次之，展示数字孪生在港口码头、航运系统与海运物流网络的实际部署；仅4项研究采用仿真驱动或定量优化方法，聚焦系统动力学建模与计算优化以提升港口拥堵与运营绩效。

2.4 主题编码与分析维度

纳入文献可分为三大研究脉络：数字孪生技术发展、海事与港口系统应用、数字孪生 adoption 的可持续发展影响。研究采用定性主题编码法分析保留文献，识别出四类反复出现的概念结构、技术配置与可持续发展集成机制，作为后续成熟度框架构建的基础分析维度：技术使能层涵盖物联网基础设施、人工智能驱动分析、云平台、数据互操作性框架与数字线程集成；运营集成层涵盖船舶交通管理优化、预测性维护系统、物流协调、资产监测与泊位分配建模；可持续发展绩效集成层涵盖能源优化策略、排放监测系统、环境影响评估、脱碳路径与国际海事环境法规合规性；治理与实施壁垒层涵盖网络安全风险、数据治理约束、互操作性挑战、监管碎片化与制度协调机制。这一结构化分析揭示了现有研究的核心缺口：尽管大量研究关注数字孪生技术架构与运营优化，但极少有研究将可持续发展绩效评估系统整合至海事数字孪生成熟度评价框架中。主题编码过程通过研究团队对文献的迭代阅读与分类手动完成，初始编码与后续优化经团队成员交叉核对，解读差异通过集体讨论与共识解决，未计算科恩卡帕系数等统计信度指标，重点保障编码流程透明度、交叉核对与共识性解读。四个分析维度（技术基础设施、运营集成、治理与数据管理、可持续发展绩效）构成了本研究成熟度框架的概念基础，其中治理维度在海事数字孪生文献中仍属新兴领域。上述维度通过归纳式主题分析识别，反映海事系统数字孪生实施中最 recurrent 且结构重要的组成部分，编码过程持续至未发现超出四类维度的更高阶分析维度，达到主题收敛状态。

2.5 方法学局限性

研究存在三方面方法学局限：一是仅依赖同行评审与公开可获取文献，难以获取产业界专有绩效指标；二是港口当局对可持续发展成果的披露标准不统一，限制直接定量比较；三是数字孪生技术迭代迅速，综述窗口外可能出现新的技术配置。但结构化综述设计、透明筛选标准与系统分析框架仍保障了研究的可复现性与概念贡献。此外，所提数字孪生成熟度框架基于系统性文献综述推导，未来需在不同类型港口与海事系统中应用测试，以评估其可靠性、稳健性与外部效度。

2.6 研究缺口识别

结构化综述揭示现有文献存在三大局限：多数研究聚焦数字孪生架构或孤立应用（如预测性维护、能源管理、环境监测、物流优化），而非集成评估框架；现有数字孪生成熟度模型多面向广义数字化转型与工业4.0场景，极少将可持续发展绩效作为核心维度；鲜有研究提出可同时考量技术能力、运营集成、治理与可持续发展绩效的比较方法，以评估不同海事治理与运营场景下的数字孪生成熟度。这导致现有文献难以为海事系统数字孪生实施成熟度的系统评估提供指导。针对上述缺口，本研究通过系统性文献综述与主题综合，提出可持续海事数字孪生成熟度框架，整合技术、运营、治理与可持续发展四大互补维度，为海事系统数字孪生实施成熟度评估提供结构化基础。

1. 3.
   海事系统中的数字孪生技术
   数字孪生作为物理产品的虚拟对应体，概念最早于21世纪初在密歇根大学产品生命周期管理课程中提出。彼时物理产品的数字表征尚处于技术萌芽阶段，制造环节信息采集主要依赖人工、纸质媒介且范围有限。随后十年，信息技术（支撑虚拟产品创建维护与物理产品设计生产的技术）实现跨越式发展，算力提升、物联网（Internet of Things, IoT）普及与数据存储分析能力进步，推动高保真实时模型开发，可精准复现现实系统。数字孪生技术从连接物理产品与信息表征的概念框架，演进为企业级闭环产品生命周期管理的核心要素，有望降低各行业设备运营成本并激发创新。数字孪生是涵盖物理产品从最小组件到整体结构的详细虚拟模型，包含理解真实产品所需的全部信息，其概念模型包含三大核心组件：数字孪生原型（Digital Twin Prototype, DTP）捕获物理制品设计生产所需的完整信息集（如标注三维模型、物料清单、工艺流程、服务与处置方案），表征产品物理实体存在前的状态；数字孪生实例（Digital Twin Instance, DTI）对应特定已制造产品，与该唯一物理资产全生命周期绑定，包含几何与公差数据、历史与当前物料清单、工艺流程、服务记录、传感器数据衍生的测量结果与运行状态，支撑监测与预测性维护；数字孪生聚合体（Digital Twin Aggregate, DTA）是可访问并查询多个DTI的计算构造，支持舰队级分析（如计算平均故障间隔时间、关联传感器模式与组件退化规律）。上述实体运行于数字孪生环境（Digital Twin Environment, DTE）中，该集成多物理场多域空间支持预测性与探究性分析：预测产品在设计公差或真实运营条件下的未来行为，支持对单个DTI或其聚合体的实时查询，实现诊断、预后与决策支持。后续研究进一步拓展了数字孪生的分类体系，按范围与功能可分为产品数字孪生（聚焦单个资产，用于设计、制造与维护）、流程数字孪生（建模生产流程或物流系统等运营工作流）、系统数字孪生（集成多个产品与流程孪生以表征复杂系统）、个人数字孪生（表征个体，应用于医疗与个性化服务）、认知数字孪生（嵌入人工智能以实现自主决策与预测分析），此外还包括追踪预测全生命周期变化的生命周期/演化数字孪生，以及融合机器学习、人类决策与实时分析的人机回圈/混合数字孪生。数字孪生系统的部署依赖系列互依技术：建模平台（CAD、BIM与仿真工具，用于创建虚拟表征）、物联网基础设施（传感器与执行器，用于实时数据采集）、数据集成中间件（API与平台，用于无缝数据交换）、云与边缘计算（用于可扩展低延迟数据处理）、人工智能与机器学习（用于预测建模、异常检测与自主控制）、数字线程架构（捕获物理实体全生命周期的持续数据流）。当前数字孪生已成为智慧城市开发、定制化医疗等诸多领域的核心支撑技术，从简单仿真工具演进为先进数据驱动系统，是现代工业创新、运营效率与战略优势的核心驱动力，通过虚拟环境复现物理资产，支持企业以极高精度仿真、分析与优化系统。在港口与船舶场景中，数字孪生技术对提升运营、管理与整体可持续发展至关重要：通过生成物理资产的实时虚拟副本，港口当局与船舶运营商可监测性能、预判维护需求、优化物流运营，进而提升效率、减少停机时间、降低燃油消耗，直接支撑环境可持续发展；数据驱动的决策制定还可优化资源管理，保障符合国际海事法规要求。
2. 4.
   数字孪生与海事可持续发展影响
   港口运营与物流的可持续发展要求降低环境影响、强化社区参与、保障长期经济韧性，这一复杂目标超出单一组织能力范畴，需学术界、产业界、公民社会与政府协同的多学科路径。港口在可持续发展中发挥关键作用，其效益覆盖港口与周边社区，实现该目标依赖新技术 adoption、清晰政策法规与协作知识共享机制的建立。数字孪生技术是港口与船舶数字化转型的核心支撑，可提升透明度、控制力与数据驱动决策能力，其效能依赖多源信息采集（包括物联网传感器、摄像头、气象报告），港口可持续发展相关数据涵盖温度、能耗、湿度、水与空气质量、碳排放与噪声水平等环境指标。港口正加速推进电气化与能效提升实践，依托智能能源管理系统，同时探索太阳能、风能、潮汐能与储能系统等可再生能源解决方案，数字化转型是上述可持续发展倡议的核心赋能因素。数字孪生整合多源数据，可全面刻画港口环境影响（包括空气质量、水质、能耗与废物管理）。物联网与传感器技术通过实现货物与车辆实时追踪、环境条件连续监测，正在变革物流与运输体系，与数字孪生结合后可提供设备与系统性能的全面实时认知，支撑利益相关方预判潜在问题，在物流运输网络全链条部署可持续发展导向的解决方案。近年数字工具在海运港口环境负责任物流中的应用日益广泛，典型代表为实时船舶路由数字孪生，可支撑脱碳要求落地：通过融合数据与物理模型，预测碳排放，实现脱碳标准的实时评估与合规性验证。高效能源管理系统是降低港口环境足迹的核心，鉴于港口运营与运输路线的高能耗特征，以及本地发电技术的新兴进展，能效管理的必要性持续提升。数字孪生通过建模与预测能耗与产能模式，强化能源管理系统，支撑更可持续的港口运营：融合历史与实时数据生成预测模型，预判能源需求与使用趋势，通过传感器等来源的持续数据采集分析，识别能效提升、负荷平衡与需求响应机会，实现主动能源管理。能源结构多元化与清洁燃料 adoption 是港口脱碳的关键路径，核心策略包括港口设备电气化（以电动设备替代柴油动力机械）、岸电供应（Onshore Power Supply, OPS）系统（船舶靠港时接入电网）、可持续燃料（生物燃料、氢气、氨）开发推广。数字孪生在上述举措中发挥关键作用：规划与设计阶段可仿真优化岸电连接方案；运营阶段可实现实时监测与控制，提供电力需求、能耗与系统性能的深度洞察，优化能源管理、提升故障检测能力、优化靠港船舶能源分配。现有研究已梳理数字孪生在可持续港口运营与物流中的可持续发展导向应用，涵盖环境监测、能源管理、减排等领域：环境监测领域通过物联网传感器与地理空间数据构建港口环境虚拟表征，实时追踪空气质量、水质、噪声水平等生态指标，为港口当局满足环境法规要求提供关键反馈，支撑环境风险主动管理，污染扩散或噪声传播仿真可帮助识别主要环境压力源；能源管理领域基于数字孪生的能源预测概念模型可利用历史与实时数据优化负荷分配与能耗，凸显数字孪生在构建自适应预测型智能能源系统中的作用，该应用更聚焦运营效率与成本效益；意大利某港口区域的可再生能源数字孪生系统以零能源为目标，通过开源工具协调太阳能、风能、电池储能资源，提升能源利用效率并降低排放，将模型从能耗优化拓展至能源生产与多元能源结构，支撑结构性脱碳；利沃诺港将数字孪生倡议作为脱碳战略核心；船舶路由与排放控制领域，融合实时数据与预测建模的动态路由框架可整合船舶特定物理参数与数字仿真，在监管边界内预测排放并识别最优路由策略，契合国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）脱碳目标，支撑船舶运营商与港口实时监测、评估并缓解环境影响，该应用聚焦船-港界面的可持续发展，连接陆基与海基环境管理；集装箱码头堆场调度与吞吐量优化领域，基于数字孪生的框架可利用实时数据与智能分析最小化起重机闲置时间、提升资源利用率、提高整体运营效率，通过实时复现物理堆场支撑数据驱动的堆存策略，提升整体生产力，该应用聚焦物流绩效与经济效率优化；决策制定与态势感知领域，数字孪生融合实时数据与高级仿真能力，除常规运营管理外，还可作为培训与应急响应规划的核心工具，多层数字孪生环境通过提供统一数据驱动的运营视图，提升利益相关方协作与组织韧性，支撑动态港口场景下的协同决策，将数字孪生的角色从运营与环境效率工具拓展为驱动敏捷、数据驱动、自适应港口治理的战略工具。现有文献同时指出，数字孪生 adoption 与可持续发展的关系并非天然正向：尽管数字孪生可支撑环境监测、能源优化、预测性维护与运营效率提升，但上述效益的实现依赖数据质量、互操作性、组织能力、治理安排与数字洞察向决策的有效转化，因此先进数字孪生技术的存在并不必然保障可持续发展绩效提升，这一发现支撑了将可持续发展与治理作为数字孪生成熟度显性维度的合理性，也表明技术进步不应自动等同于更高的可持续发展成熟度。
3. 5.
   可持续海事数字孪生成熟度框架
   5.1 基于主题综合的框架推导
   所提数字孪生成熟度框架通过纳入文献的归纳式主题综合构建，而非适配现有成熟度模型。框架开发遵循PRISMA筛选流程，首先对26篇纳入文献进行系统梳理，提取数字孪生能力、技术特征、运营应用、治理机制、可持续发展目标与绩效评估方法等证据，进而分析识别文献中反复出现的概念与实施特征，将提取的证据映射至框架采用的四个分析维度，并总结各维度的成熟度特征。研究未将单篇文献孤立归类，而是整合多篇文献的收敛证据，作为框架的分析基础。基于主题综合，识别出技术、运营、治理与可持续发展四大相互关联的维度，构成可持续海事系统数字孪生实施的核心支撑。在每个维度内，分析已报道的能力与实施特征，建立代表组织就绪度与数字孪生集成度递进的成熟度层级。随后，从纳入文献中反复出现的绩效测度、运营实践与评估标准中提取关键绩效指标（KPIs），使其与各成熟度维度对齐。因此，所提框架应被解读为基于文献推导的概念评估模型，而非经验验证的测量工具，其核心贡献是将碎片化证据整合为连贯的成熟度框架，支撑系统评估，同时为未来实证验证与方法学优化提供基础。

5.2 数字孪生成熟度框架的理论定位

为强化框架的分析稳健性，研究将其置于数字转型、社会技术系统与可持续发展转型的既有理论视角下。三类理论视角在框架中发挥互补而非可互换的作用：数字成熟度理论解释能力如何随时间累积，为从基础表征、连接到预测与集成能力的进阶提供基础；社会技术系统理论解释为何仅靠技术能力并不充分，强调组织流程、利益相关方协调、数据治理与网络安全的作用；可持续发展转型理论解释这一发展的宏观导向，将技术与组织变革与环境目标、监管压力、长期可持续发展转型关联。因此，框架的四个维度可解读为能力发展、社会技术协调与可持续发展导向转型的交汇点，确保框架超越描述性分类工具属性，为海事系统数字化进程提供理论支撑的概念性理解。首先，框架基于数字成熟度模型研究，该类研究将技术演进概念化为从基础数字化到先进数据驱动自主系统的阶段性进阶，现有模型多强调数据集成、分析能力与组织 adoption 的逐级提升，但普遍低估环境与可持续发展维度。框架拓展了这传统，明确将可持续发展绩效作为成熟度的核心维度，使数字转型路径与海运物流的广义脱碳及环境目标对齐。其次，框架受社会技术系统理论启发，该理论强调技术基础设施、组织流程与制度安排之间的相互依赖。港口生态系统中，数字孪生实施不能仅被理解为技术升级，而应被分析为涉及多利益相关方、治理结构、数据共享实践的系统性转型。框架将治理与数据管理作为独立分析维度，正是反映了这一视角，认可互操作性、网络安全与制度协调是数字孪生有效部署的关键使能因素。第三，框架在概念上与可持续发展转型理论（尤其是社会技术变革的多层级视角）对齐。从该视角看，港口是在监管压力、技术创新与市场动态影响下，向更可持续配置转型的复杂系统。数字孪生技术作为使能创新，通过支撑实时监测、预测优化与集成环境管理，推动这一转型。框架将可持续发展绩效嵌入成熟度模型，不仅捕捉技术进步，还体现港口运营与长期环境目标的渐进对齐。通过整合三类理论透镜，框架为海事系统数字孪生成熟度提供了理论支撑的概念化方案，将数字孪生演进概念化为非线性、情境依赖的能力构建过程，受技术能力、运营集成、治理安排与可持续发展需求的共同塑造。理论贡献并非建立经验验证的成熟度理论或测量工具，而是将三类视角整合为连贯的概念结构，解释为何海事系统数字孪生成熟度不能简化为技术进步。这一理论定位为未来实证研究在不同海事情境下测试所提维度、成熟度特征与关联指标提供了基础。

5.3 框架的概念基础

所提可持续海事数字孪生成熟度框架采用混合归纳-演绎方法构建：归纳层面，四个核心维度来自结构化文献综述的主题编码，反映海事系统数字孪生实施中最 recurrent 的组成部分；演绎层面，成熟度层级的定义参考现有数字成熟度模型与数字孪生开发框架，适配海事可持续发展的特定情境。对海事环境数字孪生应用的分析表明，全球港口生态系统的数字孪生 adoption 速度存在差异：部分港口已部署集成运营与环境监测的高级数字平台，另一些仍处于数字化早期阶段。这种异质性表明，数字孪生实施更适合通过结构化成熟度视角理解。为填补这一缺口，研究提出概念框架，描述数字孪生技术向可持续海事系统的渐进集成过程。海事与港口系统的数字孪生能力发展遵循技术集成与运营智能的逐级提升路径：早期阶段，数字孪生应用主要聚焦数据采集与系统监测；随着成熟度提升，预测分析与实时决策支持可实现物流运营与环境绩效的优化；高级阶段，全集成数字孪生生态系统通过支撑排放监测、能源优化与港口-船舶协同运营，赋能可持续发展治理。这一分层演进凸显了技术基础设施、数据互操作性与制度协调相结合对实现海运物流可持续数字化转型的重要性。当前数字孪生技术在海事场景的应用已覆盖船舶交通管理、港口基础设施预测性维护、货物装卸优化与环境监测，这些应用在现代港口环境中尤为关键，需在日益复杂的物流网络中平衡运营效率与可持续发展目标。尽管数字孪生技术快速进步，学术界仍主要聚焦特定组件或独立应用，而非能够评估数字孪生生态系统成熟度的集成评估框架。部分研究强调物联网、云计算与人工智能（Artificial Intelligence, AI）等使能技术，另一些探索数字孪生在供应链优化与预测建模中的潜力，但极少有研究提出结构化分析模型，能够同时评估数字孪生实施的渐进演进并整合可持续发展绩效。这一局限在全球脱碳政策与海运减排监管压力日益提升的背景下尤为突出：港口被寄予厚望，需通过提升能源效率、降低排放、实施环境负责任的物流实践，支撑国际气候目标实现，而数字孪生技术通过实时监测环境指标、支撑数据驱动的可持续发展战略，具备支撑上述目标的巨大潜力。为填补这一缺口，研究提出可持续海事数字孪生成熟度框架，通过整合技术、运营、治理与可持续发展维度，评估港口环境数字孪生生态系统的演进，为数字孪生实施成熟度及其支撑可持续海运物流系统的能力提供结构化分析工具。为提升框架的分析适用性，研究为每个分析维度定义了一组KPIs，这些KPIs通过分析文献中最频繁识别的技术、运营、治理与可持续发展指标推导而来，而非直接采用单一现有成熟度模型，确保指标既反映当前研究共识，又适配海事数字孪生的特定情境。所提KPIs将框架的四个概念维度转化为可测量的变量，可用于实证研究与港口管理实践，通过整合文献中最常报道的指标，将数字孪生能力与可量化的运营及可持续发展成果关联，支撑跨海事生态系统的数字孪生成熟度系统评估。

5.4 框架维度

框架的四个维度直接来自第2.4节的主题编码过程，是海事系统数字孪生实施中最 recurrent 且结构重要的组成部分。框架围绕四个分析维度构建，共同决定海事生态系统中数字孪生实施的成熟度，反映有效数字孪生部署所需的技术基础设施、运营集成、制度治理与环境绩效能力。第一个维度为技术基础设施，代表支撑数字孪生功能性的数字架构，包括物联网传感器、高容量数据平台、云计算环境与仿真模型的部署，能够将异构数据集集成至统一数字环境，为港口生成物理资产与运营流程的精准实时表征提供基础。第二个维度为运营集成，捕捉数字孪生系统集成至港口物流运营与决策流程的程度：成熟度较高阶段，数字孪生平台超越简单监测功能，成为复杂物流网络内预测建模、运营优化与资源分配的核心工具。第三个维度为治理与数据管理，涵盖互操作性框架、网络安全协议、数据共享机制与制度协调结构：海事生态系统中，港口当局、航运公司、物流运营商、监管机构等多利益相关方需在共享数字环境中协作，有效的治理框架与数据治理对保障数字孪生运营的安全性与可靠性至关重要。第四个维度为可持续发展绩效，反映数字孪生系统支撑环境监测、减排与能源优化的能力：高级数字孪生平台可实时监测燃油消耗、温室气体排放、空气质量等环境指标，支撑港口符合国际环境法规与可持续发展目标。四个维度共同构成海事情境下数字孪生生态系统成熟度的全面分析结构，其选择基于文献中的持续出现特征，以及其在塑造海事场景数字孪生实施成果中的关键作用，通过整合技术能力、运营功能、治理结构与发展绩效，提供数字孪生成熟度的整体表征。为提升框架的实践适用性，研究引入评分模型，将四个分析维度的数字孪生成熟度量化为数字孪生成熟度得分（DT Maturity Score），将定性特征转化为可测量分数，支撑学术研究与实际基准测试：DT Maturity Score = f(技术+运营+治理+可持续发展)。每个维度基于框架定义的KPIs，采用与四个成熟度层级对应的标准化评分量表（1-4）评估，聚合得分反映特定港口或海事系统的整体数字孪生成熟度。模型支持根据战略优先级与应用情境灵活调整维度权重：例如，追求脱碳目标的港口可赋予可持续发展更高权重，而物流导向的应用可侧重运营绩效。但需注意，所提权重方案仅为框架的示例性应用，而非普适性评分模型，各维度的相对重要性及关联KPI阈值需在未来应用中，基于单个港口或海事系统的特征、战略优先级与监管情境进行实证校准与验证。基于聚合得分，数字孪生成熟度可分为四个层级：1.0-1.9分为层级1（数字表征），2.0-2.9分为层级2（连接型数字孪生），3.0-3.5分为层级3（优化型数字孪生），3.6-4.0分为层级4（高级集成可持续数字孪生）。评分模型的引入强化了框架的分析稳健性，支持跨港口与跨时间的比较评估，也便于在案例研究中实证应用，支撑海运系统数字化转型与可持续发展绩效的证据导向评估。

5.5 数字孪生成熟度层级

成熟度层级的定义在概念上与既有数字成熟度模型对齐，后者描述从数据驱动监测到预测优化与自主系统控制的渐进转型，本研究进一步拓展这一演进路径，明确将可持续发展绩效作为高级阶段的定义性特征。四个成熟度层级旨在捕捉数字孪生系统从基础数字表征到全自主可持续发展导向生态系统的演进过程，既反映数字转型文献中的常见成熟度轨迹，又通过明确将可持续发展作为高级阶段的定义性特征进行拓展。基于上述四个分析维度，框架定义了代表海事系统数字孪生成熟度演进的四个递进阶段：层级1（数字表征）对应数字化初始阶段，物理资产与运营流程通过基础监测系统表征，该阶段港口通常部署孤立的传感器网络与数据采集平台，仅提供有限的运营可见性，缺乏集成分析能力，文献基础为技术基础设施与智能港口数字化类别；层级2（连接型数字孪生）涉及多数字系统集成至互联平台，融合物流管理系统、环境监测网络与船舶交通系统的数据，该阶段数字孪生系统提升了运营可见性，但仍主要聚焦描述性分析，文献基础为技术基础设施与智能港口数字化类别；层级3（优化型数字孪生）代表数字成熟度的显著提升，该阶段港口部署高级分析、机器学习算法与预测建模工具，可动态优化物流运营、基础设施利用与能耗，数字孪生日益成为港口当局与物流运营商的决策支持工具，文献基础为可持续发展导向数字孪生应用与治理及运营优化类别；层级4（高级集成可持续数字孪生）代表数字孪生成熟度的最高级阶段，该阶段数字孪生系统集成人工智能驱动的优化、自主控制机制与高级环境分析，支撑自适应自优化港口生态系统，在实现持续运营优化的同时，最小化环境影响，支撑长期可持续发展战略，文献基础为跨类别综合。该成熟度模型为评估不同海事环境下数字孪生实施的演进提供了结构化框架，每个层级基于系统集程度、自动化水平、数据治理成熟度与可持续发展目标对齐度进行区分，层级进阶反映数字孪生系统的复杂性、自主性与战略集成度的提升。

5.6 与现有数字孪生成熟度框架的比较

尽管现有研究已提出诸多面向工业4.0、数字化转型与智能港口的成熟度模型，但专门针对可持续海事系统内数字孪生实施的模型仍较为匮乏。现有数字孪生框架主要聚焦技术就绪度、系统架构或互操作性，智能港口成熟度模型则普遍强调数字化与运营绩效。相比之下，本研究提出的框架通过系统文献综合，将技术、运营、治理与可持续发展维度整合为统一的成熟度评估模型，且纳入基于文献推导的关键绩效指标（KPIs），提供了超越纯技术实施的数字孪生成熟度评估结构化机制，将框架拓展至可持续发展导向的绩效评估领域。

5.7 理论贡献

所提框架的理论贡献应被理解为概念性而非经验验证性的。除综合现有文献外，研究通过提出适配海事情境的数字孪生成熟度整合概念化方案，在可持续海事系统数字孪生成熟度研究领域做出了理论贡献。既往数字孪生成熟度模型主要强调技术能力、互操作性或运营数字化，可持续发展通常仅被视为实施结果，而非成熟度的内在组成部分。在此背景下，框架将数字孪生成熟度概念化为涵盖技术、运营、治理与可持续发展四个相互依赖维度的多维能力，不再将数字孪生发展仅视为技术进阶，而是提出成熟度可通过数字基础设施、运营集成、组织治理与可持续发展绩效的协同发展来理解。这一视角拓展了现有数字孪生成熟度的概念化边界，明确将可持续发展定位为高级数字孪生成熟度的定义性维度，而非数字化转型的潜在结果。第5.2节讨论的三类互补理论视角（数字成熟度模型、社会技术系统理论、可持续发展转型理论）将数字孪生发展解释为多维转型，因此框架提供了理论支撑的结构，将碎片化的数字孪生成熟度研究、社会技术系统与可持续发展转型研究整合为适配海事系统的统一成熟度视角。但需明确，这一贡献仍处于本研究的概念范畴内：所提框架及其关联KPIs均为文献推导所得，尚未在真实港口环境中实证验证，因此成熟度维度、层级与指标应被视为未来评估的概念基础，而非经验验证的测量工具。其操作定义、测量流程、阈值、权重方案均需在不同海事情境下进行进一步的实证研究与校准。

1. 6.
   局限性与未来研究
   本研究存在三方面局限：一是分析仅基于系统性文献综述与主题综合得到的同行评审文献，可能未覆盖海运领域未公开的产业实践或专有数字孪生实施案例；二是纳入文献对可持续发展与运营绩效指标的披露与报告差异显著，限制直接定量比较，也难以定义普适的KPI阈值；三是所提成熟度框架为基于现有证据综合的概念模型，虽通过透明系统的方法学构建，但尚未在真实港口环境中实证验证，因此成熟度层级、KPI集与权重方案应被解读为文献支撑的评估基础，而非完全验证的测量工具。未来研究应优先通过在不同类型港口与地区海事基础设施中的应用，实证评估所提框架，从而在不同运营条件下校准成熟度层级、KPI阈值与权重方案。后续研究还应探究框架在不同地理区域、港口类型与数字孪生实施情境下的稳健性，此外，标准化评估方法与国际认可的互操作性、数据治理标准的开发，将促进港口间基准测试，提升数字孪生技术的实际 adoption。最后，未来研究应考察人工智能、预测分析、网络安全与可持续能源管理的新兴进展，如何进一步强化数字孪生支撑韧性、高效、环境可持续海事系统的能力。
2. 7.
   结论
   本研究通过基于PRISMA 2020的系统文献综述，筛选Scopus与Web of Science数据库中的26篇同行评审文献，阐释了数字孪生技术在可持续海事系统中的作用。综述综合了海事与港口场景下数字孪生能力、应用与可持续发展影响的证据，通过主题综合识别出反复出现的技术、运营、治理与可持续发展主题。基于上述证据与研究构建的理论定位，研究整合提出了可持续海事数字孪生成熟度框架，包含技术、运营、治理与可持续发展四个相互关联的维度，以及基于文献推导的候选KPIs，并将框架与现有数字孪生成熟度方法对比，从社会技术与发展视角解读其贡献。研究实现了从系统证据综合到海事专属数字孪生成熟度概念化的跨越，同时明确该框架需经实证验证后方可投入运营部署。主要结论与贡献包括：数字孪生日益成为可持续海事转型的战略使能因素，文献表明其应用已从监测可视化拓展至预测分析、运营优化、能源管理、环境监测与数据驱动决策，但技术进步并不必然保障可持续发展绩效提升，效益的实现依赖数据质量、互操作性、组织能力、治理安排与数字信息向决策的有效转化；研究提出了面向可持续海事系统的数字孪生成熟度多维概念化框架，区别于侧重技术能力、互操作性、数字化或运营绩效的成熟度方法，明确将技术、运营、治理与可持续发展作为相互关联的维度，其理论贡献为概念性整合，将碎片化的数字孪生成熟度研究、社会技术系统与可持续发展转型证据整合为适配海事系统的统一分析结构；框架为未来成熟度评估提供了结构化基础，所提成熟度层级与关联KPIs来自纳入文献的反复出现概念与绩效测度，应被理解为文献推导的命题而非验证的测量构念，其操作定义、测量流程、阈值、权重方案、信度与效度均需进一步实证研究，因此框架当前仅作为未来评估的基础，而非普适性评分工具；框架可支撑海事数字孪生的分阶段发展，其应用不要求所有港口或海事组织遵循同一轨迹或速度，组织可先构建基础技术能力与数据基础设施，再强化运营集成与分析能力，逐步发展治理机制与可持续发展导向决策，具体路径取决于各海事系统的技术成熟度、组织能力、资源、基础设施与制度情境，经实证验证后，框架可补充评估模板、KPI测量指南、评分流程与试点测试协议，支撑更一致的实施。框架对海事政策与协调具有潜在意义：对港口当局与海事运营商，可提供识别数字化转型优先级、对齐技术发展、运营与可持续发展目标的结构化参考；对政策制定者，可提供讨论互操作性、可持续发展评估、数字化转型与跨异质性海事系统协调的通用概念基础；长期来看，经实证验证与利益相关方咨询后，框架可支撑政策评估的一致性，促进跨海事场景数字与环境要求的协调，但当前阶段不应被解读为监管标准或规范性合规框架。尽管存在上述贡献，研究仍存在局限：框架为概念性文献推导模型，尚未实证验证；系统性综述纳入的文献数量有限，证据基础的异质性限制了研究发现的普适性；所提KPIs在操作定义、测量量表、阈值、权重与数据需求方面需进一步明确。未来研究应在不同类型港口与海事基础设施中实证测试框架，评估其维度与指标的信度效度，校准成熟度阈值与权重方案，探究不同组织、地理、技术与监管情境对成熟度轨迹的影响，还应开展跨行业学习与专门系统性比较研究，对比海事数字孪生成熟度与其他行业的方法，从而强化框架的稳健性、可迁移性与实践适用性，最终支撑可持续海事数字孪生生态系统的验证评估工具、证据导向实施与政策策略的开发。