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Feb 20, 2026
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DT_Digital_twin_AI
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本文从AI视角探讨了目前数字孪生在引入AI技术的一些挑战
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AI
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学习思考
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本篇文章属于论文精读系列,从AI研究员角度探讨了目前数字孪生框架在引入AI等技术的挑战,并且提出了数字孪生AI化的四个阶段。文章链接如下:
Digital Twin AI: Opportunities and Challenges from Large Language Models to World Models
Digital twins, as precise digital representations of physical systems, have evolved from passive simulation tools into intelligent and autonomous entities through the integration of artificial intelligence technologies. This paper presents a unified four-stage framework that systematically characterizes AI integration across the digital twin lifecycle, spanning modeling, mirroring, intervention, and autonomous management. By synthesizing existing technologies and practices, we distill a unified four-stage framework that systematically characterizes how AI methodologies are embedded across the digital twin lifecycle: (1) modeling the physical twin through physics-based and physics-informed AI approaches, (2) mirroring the physical system into a digital twin with real-time synchronization, (3) intervening in the physical twin through predictive modeling, anomaly detection, and optimization strategies, and (4) achieving autonomous management through large language models, foundation models, and intelligent agents. We provide an in-depth analysis of the synergy between physics-based modeling and data-driven learning, highlighting the transition from traditional numerical solvers to physics-informed and foundation models for physical systems. Furthermore, we examine how generative AI technologies, including large language models and generative world models, transform digital twins into proactive and self-improving cognitive systems capable of reasoning, communication, and creative scenario generation. Through extensive review across eleven application domains such as healthcare, aerospace, smart manufacturing, robotics, and smart cities, we identify both universal challenges including scalability, explainability, and trustworthiness, as well as domain-specific requirements. This paper reveals how AI-driven digital twins are evolving toward more intelligent, interoperable, and ethically responsible ecosystems, highlighting key directions for future interdisciplinary research and development.

1. 引言

把物理世界的系统进行数字化和虚拟化这一哲学话题,作者首先引用了理查德费曼的一句言论:“What I can’t create, I don’t understand.”,展示了如果人类要想彻底理解世间万物的动态物理系统,学会创造(这里引申为进行数字Copy)是非常有意义的。
数字孪生作为物理孪生体的精确数字表示,应该可与现实世界系统保持双向连接从而实现状态同步用于监控、预测、优化和决策支持。这是一种范式的转变,并且已经在许多领域被广泛应用。随着人工智能和加速计算的兴起,这一技术将彻底改变我们对复杂系统的理解。从早期的系统依赖于传统机器学习算法来支持预测性维护和故障检测,到如今已深度学习作为核心认知框架,再到LLM赋予其推理能力,AI在数字孪生框架中已经不再是一个组成部分,而是赋予它们生命力的智能本身。
人工智能驱动的数字孪生框架
人工智能驱动的数字孪生框架
AI与数字孪生之间的协同作用已经进入了新的阶段,从来自基于LLM的自主代理,到世界模型,这种融合不仅提升了虚拟孪生体的保真度和响应速度,也将定义模拟和智能之间的界限。
鉴于AI兴起带来的转变,本文对数字孪生技术进行了全面的、以人工智能为中心的概述:
  • 将数字孪生概念化为不断演进的人工智能系统,提炼出四阶段生命周期:
    • 描述物理孪生体
    • 将物理孪生体镜像到数字孪生体
    • 干预物理孪生体
    • 自主管理物理孪生体
  • 深入分析基于物理的建模与数据驱动学习的融合
  • 分析生成式人工智能在数字孪生中实现推理、交流和想象的作用,将数字孪生从被动的模拟工具转变为主动的、自我改进的认知系统
  • 对多个应用领域调研,发现并讨论其中的可拓展性、可解释性和可信度等

2. 数字孪生发展史

  • 该词在2002年由迈克尔格里夫斯于密歇根大学正式提出,强调建立一个产品生命周期管理中心
  • 该技术的应用最早可追溯到20世纪60年代,并且NASA是最早采用该技术的机构之一
  • 劳斯莱斯、波音公司都在用数字孪生技术提高生产力并有效管理风险
  • 该技术的最新动态正在推动多个行业的重大创新

3. 物理孪生建模

3.1 物理系统建模

3.1.1 基础基于物理的方法

3.1.2 物理嵌入AI模型

3.2 观测数据整合

3.2.1 收集与整合

3.2.2 数据同化

4. 将物理孪生镜像到数字孪生体

4.1 模拟器Simulator构造

4.1.1 基础建模和状态表示

4.1.2 行为和过程仿真

4.2 模拟器可视化

4.2.1 场景建模

4.2.2 交互式可视化和界面

5. 通过数字孪生体干预物理孪生体

5.1 预测物理行为

5.1.1 预测建模基础知识

5.1.2 预测任务

5.2 异常检测和诊断

5.2.1 异常特征

5.2.2 异常检测类型和方法

5.3 优化与控制

5.3.1 优化策略

5.3.2 自适应控制

6. 迈向数字孪生体的自主管理

6.1 自主管理的认知能力

6.1.1 自然语言与LLM的交互

6.1.2 基于基础模型的多模态感知

6.2 实现自主决策和规划

6.2.1 基于代理的推理和自适应学习

6.2.2 自优化和闭环控制

7. 应用领域

7.1 医疗保健系统

7.2 生物系统

7.3 航天

7.4 智慧城市

7.5 出行与交通

7.6 智能制造

7.7 机器人技术

8. 面临的挑战和未来方向

 
一首AI写的诗论文精读:《Digital twin for intelligent tunnel construction》
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Morgan Ren
Morgan Ren
一个爱幻想的PhD Student
Announcement
Morgan Ren,河南郑州人,目前在🇦🇺布里斯班昆士兰大学UQ攻读PhD学位,方向为机器学习驱动的隧道数字孪生监测和恢复。此前在英国🇬🇧生活5年。研究生毕业于UCL的金融科技FinTech专业,本科毕业于曼彻斯特大学人工智能AI专业。

作为跨学科学者,我的兴趣与工作范围广泛。此前曾在上海从事Crypto市场量化交易工作,也曾在深圳某头部公募人工智能实验室从事AI多智能体研究。我的研究兴趣专注于使用AI技术解决金融、土木等行业问题,对深度学习拥有丰富经验。
我在过去完成了大量的学术研究任务,包括一段使用AI探究时间序列因果性的研究,和一段使用神经网络求解偏微分方程的包含大量实验性研究的项目。