什么是数字孪生？数字孪生技术全指南

什么是数字孪生？

数字孪生是一种在虚拟环境中复制物理对象、系统或流程的数字模型。它不仅是简单的图表或快照，更是一个由数据驱动、随现实同步演进的副本。通过将现实世界的数据连接到虚拟模型，组织可以监控性能、运行模拟并在实施现实变更前预测结果。

这一概念始于航空航天领域，但现已扩展到更多领域。如今，数字孪生技术被广泛应用于制造、医疗、城市规划、能源以及业务流程管理。无论您是对喷气发动机建模，还是对订单到收款 (Order-to-Cash) 工作流建模，其核心理念都是一致的：创建数字副本，喂入真实数据，并以此做出更好的决策。

数字孪生解决方案正被广泛采用：Strategic Market Research 2023 年的一项研究发现，约 75% 的企业在某种程度上使用了数字孪生。预计数字孪生市场规模将从 2025 年的 245 亿美元增长到 2032 年的 2590 亿美元以上。

数字孪生技术简史

数字孪生技术可以追溯到 20 世纪 60 年代，当时美国国家航空航天局 (NASA) 构建了航天器的物理副本，用于在任务执行前模拟各种状况。在 1970 年阿波罗 13 号危机期间，NASA 利用地面模拟器对受损航天器进行建模，并评估救援方案。

2002 年，密歇根大学的 Michael Grieves 博士通过持续的数据交换将物理产品与其虚拟副本联系起来，正式提出了这一概念，并将其称为“产品生命周期管理”框架。而“数字孪生”这一术语本身是由 NASA 工程师 John Vickers 在 2010 年正式提出的。

自那时起，在 IoT 传感器、云计算、AI 和模拟引擎的支持下，数字孪生建模已从镜像物理硬件发展到复制整个系统和流程。

数字孪生是如何工作的？

数字孪生通过在物理实体与其虚拟副本之间建立持续的闭环来运作：

1. 数据采集： 从现实世界的对象或流程中收集数据。这可能来自物理设备上的 IoT 传感器、IT 系统的事件日志，或来自 ERP、CRM 和工作流平台的运营数据。
2. 虚拟建模： 利用这些数据构建虚拟模型。该模型捕获了物理实体的结构、行为和规则。对于制造生产线，这意味着模拟机器序列和吞吐量；对于业务流程，这意味着映射活动、决策点、资源和时间。
3. 同步： 数字孪生通过持续或定期的数据更新与其现实世界源头保持连接，确保虚拟模型反映的是当前状况，而非静态快照。
4. 模拟与分析： 拥有最新的虚拟模型后，团队可以运行模拟：如果我们增加资源会怎样？删掉一个步骤呢？更换供应商呢？这些 “what-if” 场景在虚拟环境中运行，不会影响实际业务。
5. 反馈与行动： 数字孪生产生的洞察会反馈到现实世界。团队利用模拟结果决定如何调整，实施改进，并循环往复。

数字孪生的类型

数字孪生在范围和粒度上分为不同级别：

• 组件级孪生（也称零件级孪生）复制单个零件。例如，管道中单个阀门的数字孪生，或工作流中的特定步骤。
• 资产级孪生对由多个组件组成的完整功能单元进行建模：一个泵系统（阀门、管道、电机）或一个部门的工作流（步骤、交接、决策点）。它们展示了组件之间是如何交互的。
• 系统级孪生捕获多个资产如何融入更大的系统。生产线、物流网络或跨越多个部门的业务流程都是典型的例子。
• 流程级孪生提供最广泛的视野。它们模拟整个系统如何在生产设施、供应链或企业运营中协同工作。订单到收款 (Order-to-Cash) 周期的流程孪生捕获了从接收订单到回款的每一个步骤，涵盖所有涉及的系统和团队。

对于业务流程改进而言，流程级孪生是最相关的类型。 它是 流程挖掘 、流程建模  和 流程模拟  的交汇点，共同构建起运营实体的强大数字副本。

业务流程中的数字孪生技术

数字孪生通常与涡轮机、建筑或车辆等物理资产联系在一起，但在业务流程中，它也有着极具价值的应用。每个组织的运行都依赖于流程：订单管理、采购、客户支持、发票处理、招聘等。这些流程会产生大量的数字数据，而这正是数字孪生所需要的养料。

业务流程数字孪生是工作中实际流转方式的虚拟模型。它捕获了真实的活动序列、每步操作所需的时间、涉及的资源以及发生的各种变体。与在会议室里画出的静态流程图不同，流程数字孪生是基于实际数据构建的，并且可以持续更新。

为什么业务流程数字孪生至关重要

• 透明度： 看到流程的真实运行方式，而非您“以为”的运行方式。数字孪生能揭示低效环节、临时通融做法和瓶颈。
• 可预测性： 在实施前模拟变更。如果自动化某个步骤会怎样？增加一名团队成员呢？更改一条规则呢？孪生模型让您可以安全地测试这些场景。
• 持续改进： 随着现实数据流入孪生模型，您可以跟踪变更产生的长期影响。
• 风险降低： 在正式推广前，在虚拟环境中测试流程变更。

如何构建业务流程的数字孪生

为业务流程创建数字孪生不需要传感器或 IoT 设备，它需要的是数据、模型和模拟引擎。

1. 通过流程挖掘捕获当前流程。 任何流程数字孪生的基础都是理解当下的工作究竟是如何进行的。Process mining  从您的 IT 系统（ERP、CRM、服务台、工作流工具）中提取事件日志数据，并重构真实的流程流向。它不是依靠访谈或假设，而是直接从数据中发现实际路径、变体和时间。这就是您的 “As-is（现状）”数字孪生。借助 ProcessMind ，您可以上传事件数据并立即看到流程的可视化地图，包括瓶颈、返工循环和性能指标。
2. 使用 BPMN 建模。 在了解当前流程后，使用流程建模 对其进行细化和规范。BPMN (Business Process Model and Notation) 是创建清晰、结构化流程图的标准。定义预期的流向，包括活动、网关、决策点和资源分配。结合挖掘出的数据，您将得到一个完整的数字孪生：由业务规则和结构强化的实际流程。ProcessMind 在一个界面中集成了挖掘与建模。更多详情请参阅我们的指南：流程建模与流程挖掘的结合力量 。
3. 模拟并运行 what-if 方案。 当您将数字孪生连接到流程模拟 引擎时，它会变得更加实用。想知道在瓶颈处增加人员、自动化手动审批、更改路由逻辑或订单量增加 30% 会发生什么？流程模拟通过在模型中运行数千个虚拟流程实例来回答这些问题，它使用了真实的时间分布、资源能力和到达模式。在做出任何现实改变之前，您就能获得关于周期时间、吞吐量、资源利用率和成本的量化预测。

数字孪生解决方案：值得关注的核心能力

在评估业务流程数字孪生解决方案时，请关注以下能力：

核心能力	重要性
Process mining	从事件数据中发现真实流程，这是构建数字孪生的基础
Process modeling (BPMN)	让您对发现的流程进行结构化、精细化和标注
Process simulation	支持 what-if 分析和未来状态预测
数据集成	连接现有系统（ERP、CRM、CSV、XLSX）以便轻松导入数据
可视化分析	为利益相关者提供清晰的仪表板和流程图
协作功能	支持团队协作分析和多租户访问
云原生平台	提供即时访问、可扩展性，且无需承担基础设施运维负担

借助 ProcessMind，您可以在一个云端工作空间中获得所有这些能力。查看我们的功能介绍 和定价方案 。

数字孪生的实际应用场景

数字孪生技术已广泛应用于多个行业。以下是一些典型的应用：

制造业

制造商利用数字孪生模拟生产线、优化布局、预测设备故障并减少浪费。工厂车间的孪生模型可以在进行任何物理变动前，测试新机器、变更序列或不同班次模式产生的影响。

供应链与物流

供应链数字孪生对货物在采购、生产、仓储和分销过程中的流向进行建模。它们帮助组织预测中断、优化库存，并评估备选供应商或路线。

医疗保健

医院使用数字孪生来优化患者流转、人员排班和资源分配。在临床环境中，针对特定患者的数字孪生有助于在实施治疗方案前进行模拟。

城市规划与智慧城市

城市规划者构建城市环境的数字孪生，以模拟交通模式、基础设施变更及环境影响。这些模型利用来自 IoT 传感器的实时数据，持续反映城市状况。

能源与公用事业

能源公司利用数字孪生来监控并优化风电场、电网以及可再生能源设施。

业务流程优化

任何组织都可以为其核心业务流程创建数字孪生，无论是订单到收款、采购到付款、客户入驻还是 IT 服务管理。

数字孪生 vs. 模拟 vs. 流程模型

这些术语密切相关但又有所区别：

概念	描述
流程模型	流程的静态图表或地图（例如 BPMN 图）。展示结构，但不能运行或预测。
模拟	一种使模型在时间轴上前行以预测结果的技术。通常使用假设性或历史数据。
数字孪生	一个鲜活的、连接数据的虚拟副本，结合了模型、真实数据和模拟。它会持续更新，用于持续监控、分析和预测。

流程模型是蓝图。模拟是引擎。数字孪生则是完整的系统：模型 + 真实数据 + 模拟 + 持续反馈。

业务流程数字孪生的优势

流程数字孪生能带来以下具体价值：

• 决策更迅速： 利用基于模拟的 what-if 分析，在几分钟而非数月内测试想法。
• 风险更低： 在投入实际资源之前，先在虚拟环境中验证流程变更。
• 效率更高： 识别并消除瓶颈、返工和浪费。
• 资源分配更优： 模拟人员配置方案，找到成本与绩效之间的平衡点。
• 持续改进： 持续用最新数据更新您的数字孪生，以跟踪进度并进行调整。
• 跨部门协作： 共享且可视化的数字孪生有助于跨部门团队理解端到端的业务流转。

根据 Hexagon 2025 年的一项调查，部署数字孪生的组织报告的回报率超过 10%，其中一半以上的组织看到了至少 20% 的投资回报率 (ROI)。

开启您的第一个流程数字孪生之旅

创建流程数字孪生并不需要巨额预算或专门的数据科学团队。以下是开始步骤：

1. 选择流程： 挑选一个高影响力、数据丰富的流程，如订单到收款 (Order-to-Cash)、采购到付款 (Procure-to-Pay) 或客户支持。
2. 导出数据： 从您的系统中提取事件日志数据。大多数 ERP、CRM 和工作流工具都可以导出包含 Case ID、时间戳和活动名称的 CSV 或 XLSX 文件。
3. 上传与发现： 使用 ProcessMind  等流程挖掘工具上传数据，并自动发现真实的流程流向。
4. 细化模型： 使用 BPMN 建模对发现的流程进行清理、标注和结构化。
5. 模拟方案： 运行 what-if 模拟以测试改进措施，例如增加资源、自动化步骤或更改路由规则。
6. 执行与迭代： 实施最有前景的变更，然后将新数据反馈到数字孪生中，以跟踪结果并持续改进。

数字孪生技术的未来

数字孪生技术正在飞速演进。塑造未来的关键趋势包括：

• AI 驱动的孪生： 生成式 AI 和机器学习使数字孪生变得更加聪明，能够实现自动异常检测、预测性优化，以及与孪生模型的自然语言交互。
• 数字孪生即服务 (DTaaS)： 云端数字孪生平台正在降低准入门槛，让各种规模的组织都能在无需重资产投入的情况下部署数字孪生。
• 流程级孪生： 随着更多组织实现工作流数字化，流程数字孪生正成为物理资产之外实现卓越运营的标准工具。
• 互联的孪生生态系统： 涵盖产品、流程、供应链和设施的多个数字孪生正在被链接在一起，以实现端到端的企业可见性。

向易用、以流程为中心的数字孪生转型，意味着任何组织都可以利用这项技术实现持续改进并获得竞争优势。

ProcessMind 的定位

ProcessMind  专为构建业务流程的数字孪生而设计。它在一个云端平台中集成了 Process Mining、Process Modeling 和 Process Simulation：

• 从真实数据中发现流程的实际运行情况
• 使用 BPMN 建模您的理想流程
• 通过 what-if 分析模拟变更并预测结果
• 随时间推移进行监控并持续改进

无需传感器，无需复杂的集成。上传数据，开启您的流程数字孪生之旅。

了解更多关于我们的 流程挖掘功能 ，查看 定价 ，或 免费试用 ProcessMind 。

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