信息、模型、軟件，一直都在試圖解釋它們的物理背面。
世界是三元的，由物質(zhì)、信息和能量組成。信息往往是物理資源的增值部分，它對(duì)外釋放可以解讀的含義。一個(gè)不攜帶任何信息的物理實(shí)體，是不可想象的。平時(shí)人們一般會(huì)更在意物理實(shí)體的價(jià)值，而信息則往往被忽略。但在關(guān)鍵設(shè)備的制造上，信息的掌握遠(yuǎn)勝于物理產(chǎn)品的擁有。
1980年中國最早引入的30萬、60萬千瓦的電廠設(shè)備，歷經(jīng)三年的談判才從五家中選擇了2家。談判最艱難的，首先是價(jià)錢。例如普遍被看好的美國GE，報(bào)價(jià)比西屋公司要高一倍，只能放棄；第二個(gè)難點(diǎn)就是技術(shù)圖紙的轉(zhuǎn)讓。當(dāng)時(shí)瑞士BBC（后來合并成ABB公司）為此離開了談判桌。而最后入選的西屋和另外一家公司，則做出了巨大的讓步。他們最后提供的發(fā)電機(jī)組信息資料，高達(dá)35噸。（相比一臺(tái)重量高達(dá)1.5萬噸的60萬千瓦電站鍋爐，這個(gè)數(shù)字也真是驚人，當(dāng)然這個(gè)單位本身也是一個(gè)諷刺。在進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代之前，一臺(tái)設(shè)備的信息也只能向物理產(chǎn)品借用量度單位）。在這些資料之中，光圖紙加起來就近十萬張。這就是談判的價(jià)值，技術(shù)的引進(jìn)，最重要的是將信息做了一次巨大的空間交換。如果沒有清晰的信息，各種制造活動(dòng)和產(chǎn)品，都是令人費(fèi)解的存在，而且運(yùn)行效率也是極其低效。而在當(dāng)下，信息的儲(chǔ)存方式已經(jīng)大不相同了，論噸重的樣本和技術(shù)資料已經(jīng)消滅了物理載體，這也使得物理實(shí)體的增值信息更加難以獲取。博世力士樂的電子液壓泵閥產(chǎn)品、卡特彼勒的工程機(jī)械，新產(chǎn)品的技術(shù)資料已經(jīng)全部采用電子圖紙。以前四處可見的非授權(quán)維修廠，憑借一張圖紙就可以進(jìn)行維修的時(shí)代，行將結(jié)束。信息再次隱身。僅僅靠著物理形態(tài)的辨認(rèn)，追趕者想獲取和識(shí)別先行者的意圖，將變得越來越困難。
信息一直以各種方式替物理實(shí)體做解釋，模型就是一種常見的例子。模型是信息的一種高級(jí)表達(dá)，它呈現(xiàn)高度組織化的特點(diǎn)，而且一般具有模塊性，可以方便地重復(fù)使用。重用性是模型的最大美德，這太符合了人類分類記憶的需要。設(shè)計(jì)研發(fā)工程師借助于這些模型，腦海里的各種創(chuàng)意，被快速組合，形成可制造的產(chǎn)品。
除了模型之外，軟件也是信息的一種高級(jí)組織形式。它萃取了信息中的知識(shí)，成為可執(zhí)行的信息組合包。相對(duì)于松散的信息而言，它的戰(zhàn)斗力優(yōu)勢(shì)就像是一個(gè)全副武裝的士兵之于一個(gè)赤手空拳的平民?？上В@個(gè)比喻在中國是經(jīng)不起推敲的。因?yàn)橐慌_(tái)設(shè)備的估價(jià)，和一套軟件的估價(jià)，幾乎是天壤之別。如果沒有設(shè)備撐腰，軟件由于無形而經(jīng)常被看作是無價(jià)。它經(jīng)常被捆綁在機(jī)器中一并銷售，看上去像是“免費(fèi)贈(zèng)送”的。軟件巨大的價(jià)值，卻只能以設(shè)備的溢價(jià)來表達(dá)。這是一種選擇性認(rèn)知，體現(xiàn)了人們對(duì)信息價(jià)值依然充滿了許多無知。
第一和第二象限的穿梭
一個(gè)產(chǎn)品在數(shù)字化設(shè)計(jì)的過程，可以分解成各種顆粒度的數(shù)字模型。這些模型存在于一個(gè)世界，而物理產(chǎn)品和制造過程則存在于另外一個(gè)世界。這就是數(shù)字空間和物理空間的區(qū)別，二者可以看成是數(shù)學(xué)坐標(biāo)軸上第一象限和第二象限的區(qū)別。中間存在著一條虛實(shí)分界線。
圖1從數(shù)字空間到物理空間
設(shè)計(jì)完成之后，最終會(huì)有一個(gè)確定的數(shù)字模型包（比如EBOM），跨越這條隱線，進(jìn)入制造環(huán)節(jié)。但實(shí)際上，當(dāng)設(shè)計(jì)師的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)凍結(jié)之后，并不會(huì)立刻在車間啟動(dòng)機(jī)器進(jìn)行規(guī)模性生產(chǎn)，這中間還有一個(gè)環(huán)節(jié)就是物理樣機(jī)。它會(huì)被制作出來，用來檢查和驗(yàn)證數(shù)字空間的模型，是否準(zhǔn)確匹配，包括人機(jī)工程、動(dòng)力特性等。這是作為模型走向產(chǎn)品的最后一道防線，物理樣機(jī)必須能夠證明自身攜帶了正確的信息。顯然，物理樣機(jī)將生產(chǎn)的預(yù)見性，往前推移了一步，盡管兩者都在同一個(gè)物理空間，都在第二象限。
很顯然，沒有物理樣機(jī)的模型，直接進(jìn)行生產(chǎn)將是沖動(dòng)而危險(xiǎn)的旅途。而在實(shí)踐中，物理樣機(jī)依然也是昂貴的，尤其是當(dāng)它無法證明，一臺(tái)樣機(jī)的信息恰如其分地表達(dá)了模型的訴求，那么回頭返工自然是難免的。工期、成本都會(huì)急劇上升，這是很多產(chǎn)品開發(fā)失敗或者延期的原因。經(jīng)常有人會(huì)說，設(shè)計(jì)決定了70%的成本，那是因?yàn)樵O(shè)計(jì)不僅僅需要完成物理產(chǎn)品的功能表達(dá)，而且在一開始就要設(shè)計(jì)出好的邏輯，讓信息在整個(gè)前后流程中保持一致，貫穿產(chǎn)品生命周期之中。而大量失敗的物理樣機(jī)，則證明了信息的一貫性并不容易保持。產(chǎn)品不得不重回原點(diǎn)，而大量的資源早已經(jīng)被消耗，一個(gè)工廠就會(huì)表現(xiàn)出缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的態(tài)勢(shì)。
為了避免物理樣機(jī)做無謂的冒險(xiǎn)，生產(chǎn)的預(yù)見性，再一次被前移。它重新回到數(shù)字空間，數(shù)字樣機(jī)在第一象限出現(xiàn)了，它對(duì)一個(gè)模型的性能、可制造性等，給與了更多的仿真與模擬。1989年，當(dāng)時(shí)的仿真公司MDI（后來被MSC收購）最早提出了“虛擬原型“的概念，而其他計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD廠家如歐特克、UG、達(dá)索系統(tǒng)等，都從各自角度提出了數(shù)字原型、主動(dòng)樣機(jī)、數(shù)字樣機(jī)等概念，其中數(shù)字樣機(jī)DMU（DigitalMock-Up）的說法被廣泛使用。它將三維模型之間的更多關(guān)系和上下文含義都傾注之中，并且進(jìn)行了復(fù)雜的模擬。數(shù)字樣機(jī)的存在，大大減少了物理樣機(jī)的失敗性（有些時(shí)候干脆直接替代真實(shí)的樣機(jī)）。由于信息傳遞的一致性，制造的難度被大幅度降低。數(shù)字樣機(jī)是一種信息代替物理的彩排，也是工業(yè)軟件的一次大勝，它大大推動(dòng)了用戶端的普及。從這個(gè)角度講，物理樣機(jī)是一種信息資源阻塞而形成的昂貴過渡品。一輛汽車在真正走向規(guī)模制造前，需要花費(fèi)巨大的成本去做吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)。汽車會(huì)被安置在一個(gè)巨大的風(fēng)洞，通過強(qiáng)大的氣流來模擬擋風(fēng)玻璃、車體造型等阻力分布情況。而飛機(jī)、航天器的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)則更是昂貴。造價(jià)巨大的風(fēng)洞，可以說為物理實(shí)體而準(zhǔn)備的純金試驗(yàn)臺(tái)。風(fēng)洞一響，黃金萬兩。這都是信息堵塞而形成的昂貴代價(jià)。而后來，人們開始采用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，成本開始大幅度降低。美國最著名的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，蘭利實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)洞開機(jī)次數(shù)現(xiàn)在是越來越少。
從這個(gè)角度而言，設(shè)計(jì)是最昂貴的制造?？上н@個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)常被選擇性認(rèn)知的障眼法給抹掉了。人們只相信在車間里高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)器，和跑來跑去的AGV小車。只有這些忙碌，才被認(rèn)為是昂貴的成本因此格外受到重視。而設(shè)計(jì)，往往淪為制造工藝的從屬。信息則更是被甩到一邊。
密歇根大學(xué)Mr.Grieves教授在《虛擬完美模型：驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新與精益產(chǎn)品》一書中曾經(jīng)提到：“信息是被浪費(fèi)的物理資源的替代品”。如果我們往前推一步，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，許多工廠里的成本浪費(fèi)，其實(shí)都是從信息被忽視開始的。一臺(tái)機(jī)器開始“生病”的時(shí)候，總會(huì)出現(xiàn)先兆性的信號(hào)。然而這種信號(hào)或者過于微弱，或者直接被省略，最后會(huì)造成工廠設(shè)備的OEE效率很低。從這個(gè)意義而言，如果要真正關(guān)注機(jī)器效率的提升，關(guān)注物料消耗的合理性，那么僅僅采用高檔機(jī)器或者自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足夠的。這些機(jī)器、零部件之間的信息是如何傳遞和識(shí)別，才是提高效率的關(guān)鍵。
當(dāng)這種信息傳遞被堵塞之后，物理資源的浪費(fèi)將不可避免地加速。為什么豐田的精益模式經(jīng)美國學(xué)者整理披露之后，一鳴驚人，成為所有工廠管理者的楷模？那是因?yàn)?，在幾乎所有看上去組織管理良好的工廠里，仍然存在著大量漫不經(jīng)心的浪費(fèi)。這些浪費(fèi)是以機(jī)器停歇、重復(fù)加工、原料堆壓、質(zhì)量惡化、延遲交貨等看得見的形式存在。而豐田的精益模式，則找到了背后那些關(guān)鍵的不可見的信息流。物品不再輕易被移動(dòng)（如及時(shí)生產(chǎn)所倡導(dǎo)的零庫存模式，就是為了封殺不必要的物體搬動(dòng)），因?yàn)槲锢硪苿?dòng)是有巨大成本代價(jià)。而廉價(jià)的信息流則需要先跑動(dòng)起來。正確的時(shí)間、正確的工位，正確物料，都是由于信息流先行一步，才得以實(shí)現(xiàn)。
這是工廠一側(cè)繁忙的景象，而工廠的另一邊，則是用戶的天地。
第三象限的產(chǎn)品孤兒
一件產(chǎn)品最終來到用戶的手中，之前其實(shí)是走過了漫長的路。它最早起源于一個(gè)設(shè)計(jì)人員的神經(jīng)元沖動(dòng)，那個(gè)沖動(dòng)就是一個(gè)主意。設(shè)計(jì)師將這個(gè)神經(jīng)元沖動(dòng)，捕捉后通過設(shè)計(jì)軟件，將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)有尺寸有約束的模型。這個(gè)模型，通過虛擬數(shù)字樣機(jī)DMU，和各種模擬仿真以確定未來的性能表現(xiàn)之后，就進(jìn)入物理樣機(jī)階段，并且走向物理產(chǎn)品的制造。這是一個(gè)從數(shù)字空間，進(jìn)入物理空間的過程。產(chǎn)品從第一象限的數(shù)字空間，進(jìn)入了第二象限的物理空間。
圖2傳統(tǒng)制造的產(chǎn)品三象限
產(chǎn)品制造完畢之后，就會(huì)交付給用戶使用。產(chǎn)品離開了第二象限，進(jìn)入第三象限的用戶空間，而這正是一個(gè)產(chǎn)品的正常歸宿，也是它實(shí)現(xiàn)價(jià)值的地方。唯有購買使用，一個(gè)產(chǎn)品才被確認(rèn)為一個(gè)商品。第三象限最大的價(jià)值，就是確立了產(chǎn)品的終極意義。
然而，絕大部分產(chǎn)品，進(jìn)入第三象限之后，就會(huì)跟制造廠家失去聯(lián)系。這種現(xiàn)象，可以被稱之為“產(chǎn)品孤兒”。它在第二象限由制造工廠生產(chǎn)，但它出廠進(jìn)入第三象限之后，就基本與廠家無關(guān)——只有在故障需要質(zhì)保的時(shí)候，二者才重新搭建那未必愉快的連接。產(chǎn)品失聯(lián)最重要的原因是，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造全過程的信息，基本停止了流動(dòng)。它或許留在制造商的手里，用戶并不知道；或者產(chǎn)品運(yùn)行的信息，留在用戶這一頭，粗心的用戶未必關(guān)注，制造商也無從了解。
產(chǎn)品孤兒，本質(zhì)上是因?yàn)樾畔⒘鞯臄嗔讯纬傻摹＿@種斷裂，是以用戶與制造商之間的若有若無的連接作為分解線。支付完成的一霎那，二者的連接強(qiáng)度立刻急劇下降?？紤]到制造商與用戶之間，還有眾多的分銷商、代理商、安裝隊(duì)等，信息被徹底地打碎，七零八落，稀稀疏疏地存放在不同層級(jí)的機(jī)構(gòu)之中。
設(shè)計(jì)、制造和用戶，是發(fā)生在I、II、III三個(gè)象限的事情。設(shè)計(jì)和制造，在用戶的另一邊；制造和用戶所構(gòu)成的物理世界，在設(shè)計(jì)模型的另一邊。象限之間的穿越，對(duì)于信息而言，并不完美，有些有用信息會(huì)流失而有些無關(guān)信息則會(huì)增加。這些都增加了回溯的難度。但重要的是，物理實(shí)體的移動(dòng)是昂貴的，而信息流的移動(dòng)是極其廉價(jià)的而且可以重復(fù)使用。因此讓信息流替代物理的移動(dòng)，總歸是廉價(jià)的方式。
這種最基本的產(chǎn)品流轉(zhuǎn)路徑和背后的信息流動(dòng)，主宰了數(shù)千年的商品社會(huì)的模式，而半個(gè)多世紀(jì)以來的設(shè)計(jì)工具和軟件的大量使用，讓信息的流動(dòng)變得越來越透明，信息流動(dòng)不暢而導(dǎo)致物理資源的浪費(fèi)也變得令人瞠目結(jié)舌，信息的價(jià)值也開始備受人關(guān)注。
數(shù)字孿生的崛起
這樣的認(rèn)識(shí)，正在緩慢地得到強(qiáng)化。有了信息、模型、軟件、數(shù)字樣機(jī)的概念作為鋪底，一種更容易理解、更親民的概念開始登場(chǎng)。
數(shù)字孿生的概念，跟前面提到的Grieves教授有密切的關(guān)系。不出意料的是，這位教授是數(shù)字化制造四十多年的參與者，對(duì)PLM（全生命周期管理）軟件了如指掌。很顯然，這個(gè)概念的提出，跟產(chǎn)品全生命周期、產(chǎn)品模型、數(shù)字化制造等都有著密不可分的聯(lián)系，數(shù)字孿生被看成是“把物理系統(tǒng)的數(shù)字化信息，重新構(gòu)建成一個(gè)獨(dú)立體”。而美國宇航局NASA在2010年發(fā)布的《模擬仿真技術(shù)路線圖》則應(yīng)該最早地在文獻(xiàn)中明確提出了數(shù)字孿生的概念。
如果認(rèn)為這是一個(gè)明星的動(dòng)作替身，考慮到這個(gè)替身從來就是一個(gè)不曾公開的存在，物理存在幾乎零，那么這種理解也是未嘗不可。相比而言，Gartner將其定義為“真實(shí)世界實(shí)體或系統(tǒng)的數(shù)字表示”，這就要寬泛和籠統(tǒng)的多。它甚至提出的數(shù)字孿生組織DTO，未免讓人更加難以摸得著頭腦。
美國NASA在火箭臺(tái)上則展開了非凡的實(shí)踐。一臺(tái)火箭和它對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生，給予了人們直觀地想象，并且真正形成了工程價(jià)值。然而，彼時(shí)的數(shù)字孿生，仍然是一個(gè)昂貴的奢侈品，或者說是一個(gè)高高在上的模型。它只能在非常有限的場(chǎng)合下工作。再到后來，GE航空的發(fā)動(dòng)機(jī)，將數(shù)字孿生進(jìn)一步請(qǐng)下神殿，形成商業(yè)化應(yīng)用。在GE90的發(fā)動(dòng)機(jī)引擎中，物理傳感器只有14個(gè)，但它構(gòu)建了數(shù)字孿生的模型。通過大量虛擬傳感器，和各種時(shí)序數(shù)據(jù)，形成了龐大的數(shù)據(jù)流并進(jìn)行針對(duì)性的分析。發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)程維護(hù)，變得更加可控，這是一個(gè)巨大而成功的商業(yè)模式。順勢(shì)而為，再到后來，GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念名聲大噪，也就順理成章。
那為什么到了今天，這個(gè)概念才開始變得炙手可熱。這背后最大的推手，無疑要屬于物聯(lián)網(wǎng)。萬物互聯(lián)，這種野心也包括萬物的影子。而廉價(jià)傳感器的普及、數(shù)字化技術(shù)的深度覆蓋，讓連接幾乎無處不在。這也使得數(shù)字孿生，徹底擺脫了一個(gè)學(xué)術(shù)概念，成為舞臺(tái)中心的關(guān)鍵角色。
數(shù)字孿生的“生命”從什么時(shí)候開始激活？這誕生一刻的榮耀，并不屬于它的制造商。它并不是從設(shè)計(jì)軟件CAD開始，也不是從PDM開始，無論設(shè)計(jì)師、制造商賦予它多少豐厚的“嫁妝”（模型、數(shù)據(jù)庫、算法等），它的生命都是從交付給用戶的那一霎那開始。這是一個(gè)模型，打開窗口走向光明最有意義的時(shí)刻。在此之前，所有的動(dòng)作，都只是調(diào)試，都只是一個(gè)生命的準(zhǔn)備。如果說，跟隨新產(chǎn)品相伴而生的孿生，可以稱之為原裝數(shù)字孿生，那么圍繞著已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)的既有設(shè)備，也可以直接構(gòu)建出“流通數(shù)字孿生”，它將指向更加明確的目標(biāo)。
數(shù)字孿生就像是一張維基百科的網(wǎng)頁，從一開始的空白，到第一篇文章，到更多的文章，這些網(wǎng)頁會(huì)越來越厚，相互之間的連接也會(huì)越來越復(fù)雜。它們記載著數(shù)字孿生的成長，而這背后就是一種嘗試，試圖記錄物理產(chǎn)品隨時(shí)隨刻的真實(shí)狀態(tài)。再想一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，如果翻閱微信支付上的一筆筆流水，這些數(shù)字所形成的軌跡，其實(shí)是以一種數(shù)字孿生的形態(tài)，記錄了你的信用表現(xiàn)。
從這里我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生跟傳統(tǒng)的模型、軟件，最大的不同在于，它是自生長的動(dòng)態(tài)模型。如果能夠快速瀏覽一個(gè)數(shù)字孿生的全部壽命（這可能是幾分鐘，也可能是幾十年），或許可以看到它進(jìn)化的痕跡。就像一閃而過的人類進(jìn)化史：一只猿猴站起來，手里有了火種，學(xué)會(huì)馴服小麥和綿羊，成為食物鏈頂端的萬物之王，從田邊進(jìn)入城市。同樣，數(shù)字孿生，由于具備積累記錄、仿真優(yōu)化的能量，開始學(xué)會(huì)不斷增長。《人類簡(jiǎn)史》的作者赫拉利提到：認(rèn)知革命（智人最早的起源階段）讓歷史從生物學(xué)中脫離而獨(dú)立的推動(dòng)力，在此之前，所有人類的行為其實(shí)都是生物學(xué)的范疇。數(shù)字孿生當(dāng)然不具備生物體的特征，但如果以這種比喻的方式來看，可記錄能仿真，也使得數(shù)字孿生從模型范疇中進(jìn)一步分離，二者有交叉，但也有更大的作用。
第四象限的新主人
產(chǎn)品的全生命周期（包括交付后的使用、運(yùn)維直至報(bào)廢），一直是產(chǎn)品制造商非常感興趣的地方。但是這樣的代價(jià)和成本往往都很高，只有少數(shù)高價(jià)值的產(chǎn)品才具有如此開發(fā)的必要性。對(duì)于美國NASA這樣的機(jī)構(gòu)，每一個(gè)發(fā)射的航空器都是昂貴無比，全生命周期追蹤更是一個(gè)關(guān)乎生死的問題。因此這些實(shí)踐，只能用于大型工程背景，并無法使得數(shù)字孿生在商業(yè)上廣泛使用。
然而物聯(lián)網(wǎng)的普及，改變了這一布局。一個(gè)產(chǎn)品交付用戶之后，由于網(wǎng)絡(luò)的無處不再，數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷?，追蹤一個(gè)實(shí)體以及根據(jù)它的模型進(jìn)行仿真，都變得觸手可得。在用戶側(cè)出現(xiàn)了的數(shù)字空間的全新疆土。原本空蕩的第四象限，有了新主人。數(shù)字孿生，它既呼應(yīng)了物理產(chǎn)品的存在，同時(shí)也跟用戶的使用息息相關(guān)。安靜的第四象限，由于數(shù)字孿生的出現(xiàn)而變得熱鬧起來。
圖3第四象限的新主人
在沒有數(shù)字孿生之前，三個(gè)象限有兩個(gè)信息流通道，設(shè)計(jì)與制造之間是雙向通道，這是信息空間和物理空間的交互。它可能在一個(gè)機(jī)構(gòu)之內(nèi)，也可能不屬于一個(gè)機(jī)構(gòu)。而制造與用戶之間，一般而言是單通道，產(chǎn)品制造的信息傳遞給用戶之后，就關(guān)閉了通道。產(chǎn)品處于“孤兒”無聯(lián)系的狀態(tài)。當(dāng)然也會(huì)有例外，例如遠(yuǎn)程維護(hù)，就是一個(gè)制造與用戶的雙向信息交流。即使沒有數(shù)字孿生的概念，羅羅發(fā)動(dòng)機(jī)在1998年的時(shí)候，已經(jīng)成功地將它遠(yuǎn)在天邊飛翔的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)管起來，并且成功地將其鎖定為一門商業(yè)模式。這一奇襲，曾經(jīng)導(dǎo)致GE發(fā)動(dòng)機(jī)，丟失了全日航空公司這樣的忠實(shí)客戶。而后來，這一種商業(yè)模式，已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的標(biāo)配，并且成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最經(jīng)典的奠基性案例。
圖4三條信息新通道
由于數(shù)字孿生在第四象限站穩(wěn)腳跟，它增加了三條數(shù)據(jù)通道。一條是數(shù)字孿生與物理產(chǎn)品之間的交互：這是數(shù)字孿生的支點(diǎn)性定義。如果沒有這一點(diǎn)，數(shù)字孿生與它的前身——各種模型，就毫無差別。數(shù)字孿生之所以從模型堆里面脫穎而出，就是它具備了與物理實(shí)體的交互性、相似性，許多場(chǎng)合還具有實(shí)時(shí)性。一向沉寂無聲的數(shù)據(jù)倉庫中，第一次傳出了規(guī)律性的心跳聲。這是第四象限作為全新疆土，對(duì)第三象限宣告了一個(gè)兄弟般的存在。
如果說產(chǎn)品孤兒是一個(gè)少言寡語的物理實(shí)體，那么數(shù)字孿生可就是一個(gè)熱情洋溢的饒舌者。如果不加以限制，無時(shí)無刻它都在“說”個(gè)沒完，海量數(shù)據(jù)是它最拿手的產(chǎn)出。這些海量數(shù)據(jù)是對(duì)物理世界的描述、診斷、預(yù)警甚至預(yù)測(cè)。而在特殊的情況下，這些數(shù)據(jù)也會(huì)觸發(fā)實(shí)際的操作，從而控制物理產(chǎn)品。當(dāng)然，這一點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域，往往會(huì)被視為危險(xiǎn)的動(dòng)作。
第二條信息通道，就是它將自身的線索，返回到了制造商的手中。這條通道的合法性，還有很多限制和討論。但制造商，終于可以擁有足夠的信號(hào)，傾聽產(chǎn)品咚咚的回音。這是一個(gè)里程碑性的握手，對(duì)于制造商改善產(chǎn)品的性能，意義重大。
中國工業(yè)文明有缺陷之痛，其中一點(diǎn)就是制造商與用戶之間，無法形成友好而持續(xù)的互動(dòng)。一旦產(chǎn)品交付之后，運(yùn)行數(shù)據(jù)就被切斷，持續(xù)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證之路也成為斷頭路。而這本來是提升產(chǎn)品反饋信息的最好機(jī)會(huì)。一個(gè)鍋爐廠、汽輪機(jī)廠，數(shù)億元的設(shè)備交付給發(fā)電廠之后，基本上就各奔東西了。如果電廠未來有一天回頭來找主機(jī)廠，那一般不是別的事情，而是“找茬”的，為出現(xiàn)的各種故障而要求修復(fù)。
第三條信息通道，是數(shù)字孿生指向了設(shè)計(jì)部門。一般而言，制造環(huán)節(jié)，會(huì)把數(shù)字孿生反饋的信息，提供給設(shè)計(jì)部門。然而更直接的方法就是，設(shè)計(jì)部門可以直接得到物理產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)信息。PTC曾經(jīng)展示了一個(gè)令人心熱的場(chǎng)景，那就是一輛自行車在穿越街道跨過小溪的時(shí)候，給設(shè)計(jì)部門傳遞回來的扭矩、胎壓等信息。一個(gè)設(shè)計(jì)師，終于可以最直接地看到，自己的想法如何在物理世界進(jìn)行打拼。那應(yīng)該是一個(gè)無比自豪的時(shí)刻。
數(shù)字孿生，改變了人們對(duì)一個(gè)產(chǎn)品工況的期待。一輛汽車、一臺(tái)機(jī)器，無論如何個(gè)性化定制，當(dāng)它離開工廠之后，就會(huì)呈現(xiàn)一種平均數(shù)的特點(diǎn)。你的機(jī)器形狀、尺寸，有可能是世界上唯一的一臺(tái)，但它的平均能耗、常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)景都是被鎖定在一個(gè)區(qū)間范圍。機(jī)器設(shè)計(jì)參數(shù)，都會(huì)被提前設(shè)定為平均工況。原因很簡(jiǎn)單，信息流在產(chǎn)品交付的一霎那，就被切斷了回路。制造商無法知道機(jī)器運(yùn)行的實(shí)時(shí)情況。而數(shù)字孿生，讓個(gè)性化定制，進(jìn)一步走向了應(yīng)用的定制化。實(shí)際上，個(gè)性化定用比個(gè)性化定制，更能體現(xiàn)用戶專有價(jià)值的實(shí)現(xiàn)。
一家航空公司同時(shí)定制的5架同一批次同一型號(hào)的飛機(jī)，其數(shù)字孿生是各不相同的。尾號(hào)為N123的空客A321，一旦投入運(yùn)營，就有其獨(dú)一無二的數(shù)字孿生N123，即使它們出廠交付的時(shí)候所攜帶的信息完全一樣。它使得一架飛機(jī)的運(yùn)維，開始走向不同的場(chǎng)景。也就是說，由于有了數(shù)字孿生，機(jī)器的工況被即時(shí)記錄，被壓縮了的平均工況，開始復(fù)原成一種瞬時(shí)參數(shù)。只有到了這一步，才產(chǎn)生了真正的個(gè)性化意義。而這就回歸了數(shù)字孿生的價(jià)值：它本來就是為了實(shí)時(shí)優(yōu)化物理產(chǎn)品的性能而誕生的。
圖5從個(gè)性化定制走向個(gè)性化定用
而如果能夠?qū)⑷痰臄?shù)據(jù)流打通，那么從第一象限到第四象限，就會(huì)形成一個(gè)源源不斷的數(shù)據(jù)流?？缭剿膫€(gè)象限的數(shù)據(jù)流動(dòng)，才是驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的澎湃動(dòng)力。數(shù)字孿生在第四象限的崛起，使得整個(gè)數(shù)據(jù)流第一次在全生命周期內(nèi)形成徹底的閉環(huán)。而這種信息交互與通訊的框架，保證信息傳遞的準(zhǔn)確與保真，則顯得尤其重要。
說到底這只是模型
數(shù)字孿生是描述世界的一種模型，或者說是一種高級(jí)模型。因?yàn)樗藬?shù)據(jù)、分析、專業(yè)知識(shí)和軟件能力，有各種接口和應(yīng)用。但由于它的仿真能力，比模型有更多的針對(duì)性和能動(dòng)性。在這一點(diǎn)上，它跟軟件也有類似的地方。
這意味著數(shù)字孿生并不是真實(shí)世界的全部反應(yīng)。它永遠(yuǎn)只是對(duì)物理世界的一個(gè)局部模仿、一個(gè)隨動(dòng)的模型、一個(gè)有缺陷的影子。它唯一努力的方向，就是向真實(shí)無限靠攏。這意味著，一個(gè)數(shù)字孿生的高保真度（HighFidelity）是一個(gè)關(guān)鍵命題。盡管這個(gè)獨(dú)立體希望盡量接近真身的樣子，但這是一個(gè)不可完成的使命。琳瑯滿目的數(shù)字孿生，就像蘋果園里眼花繚亂的蘋果，大大小小，都經(jīng)歷了豐收的季節(jié)。但在摘下之后，大小光潤的不同，要分很多等級(jí)。優(yōu)良的蘋果可以賣出好價(jià)錢，而沒開眼的蘋果甚至都無法進(jìn)入交易市場(chǎng)。數(shù)字孿生同樣也是可以分好壞等級(jí)的。健康的數(shù)字孿生，會(huì)有更好的保真度；而一個(gè)糟糕的數(shù)字孿生，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地偏離它的物理實(shí)體。它完全有可能給人們虛假的信息，這就是危險(xiǎn)的數(shù)字孿生?？梢哉f，在數(shù)字孿生們的世界里，如果一個(gè)一個(gè)數(shù)過去，那一定是到處充滿了病怏怏的病夫——它們并不能完成人們對(duì)數(shù)字孿生所寄予的那些過于熱情的期待。
決定數(shù)字孿生健康度的要素，就要看數(shù)字孿生是以何種方式被構(gòu)建出來?？上В瑪?shù)字孿生現(xiàn)在被各個(gè)行業(yè)使用，全無數(shù)字孿生的標(biāo)準(zhǔn)，而每個(gè)公司又各有自己的定義。
總而言之，當(dāng)下過于熱心的描述，未免讓人對(duì)它充滿膜拜、放松警惕而疏忽事實(shí)的真相：數(shù)字孿生并沒有全部重構(gòu)物理產(chǎn)品的全部。恰恰相反，在絕大多數(shù)情況下，它是物理實(shí)體大量裁剪后的高濃縮簡(jiǎn)版。一臺(tái)上千個(gè)零部件的機(jī)器，會(huì)被不同的用戶裁剪成不同的顆粒度，也許只有幾個(gè)零部件，進(jìn)入數(shù)字孿生的世界。數(shù)字孿生，天生就是一個(gè)不完整的存在。
當(dāng)然，它還是熱烈的來了。
上有系統(tǒng) 下有工具
健康的數(shù)字孿生，是如何產(chǎn)生的？專業(yè)知識(shí)當(dāng)然是關(guān)鍵。而理解它的體系和工具，也是必不可少的。
尤其是對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生的構(gòu)建，需要深刻地理解數(shù)字孿生的周邊環(huán)境。它的出現(xiàn)，代表了一種全新的時(shí)空觀連接，從過去現(xiàn)在到未來，從物理空間到數(shù)字空間。這背后是一個(gè)龐大的關(guān)系體系，而破解這種復(fù)雜關(guān)系的方法，就需要一套系統(tǒng)工程的方法論，需要對(duì)系統(tǒng)需求有一套完整的描述方式。
實(shí)際上NASA在2010年出現(xiàn)的數(shù)字孿生，有著嚴(yán)肅而宏大的工程背景。首先NASA打算把數(shù)字孿生完整地用在金星探索（VenusLander）計(jì)劃之中，這是NASA野心勃勃的太空探索計(jì)劃中的一部分。更重要的是，數(shù)字孿生是出現(xiàn)在一套完整的系統(tǒng)工程的技術(shù)架構(gòu)體系之中，包括計(jì)算、建模、仿真和信息處理這四大金剛。數(shù)字孿生是四大金剛層層編織之后呈現(xiàn)的數(shù)字之心?？梢哉f，數(shù)字孿生是推行了多年的基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代的一個(gè)交集。如果剝離這些前后環(huán)繞的條件要素，視MBSE如無物，數(shù)字孿生難免不被庸俗化，被單獨(dú)拎出來，變成了一件有趣好玩的界面游戲。單獨(dú)的數(shù)字孿生是乏力的，它只是視覺上膚淺，滿足了一種追求華麗表面的心思。只對(duì)數(shù)字孿生呈現(xiàn)了偏愛而舍棄了它背后的系統(tǒng)工程思維，就跟買櫝還珠并無兩樣，這是工業(yè)界的一種選擇性短見。如果進(jìn)而將數(shù)字孿生放大成一種轟轟烈烈的示范項(xiàng)目，那更是會(huì)成為一個(gè)悲哀。
圖6 NASA的系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)圖
要建設(shè)數(shù)字孿生，底層工具必不可少，工業(yè)軟件最為明顯。如果能夠理解數(shù)字孿生最早是源自PLM的思考和延展，那么就可以理解為什么傳統(tǒng)的PLM軟件廠商（包括CAD、CAE軟件），對(duì)數(shù)字孿生會(huì)如此熱心。原有的武器擦得雪亮，就可以大展身手。有了傳統(tǒng)工程師一直在使用的工具，結(jié)合當(dāng)前流行的微服務(wù)、容器等技術(shù)，數(shù)字孿生也可以借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行搭建。GE為它的GE90的引擎，建立一個(gè)數(shù)字孿生，需要25周的時(shí)間。而借助于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，這個(gè)時(shí)間被期待降低到6周。構(gòu)建之后，數(shù)字孿生可以以各種功能模塊的方式，被嵌入到工業(yè)APP之中，也可以通過瀏覽器的方式，看到它所推送的信息和結(jié)果。
構(gòu)建數(shù)字孿生就像是構(gòu)建一座宮殿。屋頂是系統(tǒng)工程的架構(gòu)，地基是各種軟件。建造者將各種行業(yè)知識(shí)加載其中。當(dāng)數(shù)字孿生備受贊美的時(shí)候，更需要深度領(lǐng)會(huì)系統(tǒng)工程才是引領(lǐng)結(jié)構(gòu)的根本，而工業(yè)軟件則是離不開的工具。
小記：小心概念風(fēng)暴
數(shù)字孿生在第四象限所要代表的物理實(shí)體，無論是一臺(tái)海上風(fēng)機(jī)，或是一座宏偉的建筑，還是一個(gè)人口繁榮的城市，甚至是一個(gè)供應(yīng)鏈，情況并沒有太大的變化。少數(shù)、局部的物理特征，重新構(gòu)建了一個(gè)令人耳目一新的新世界，這個(gè)世界可以伸縮、可以回放、可以重構(gòu)，它更接近于“一切盡在掌握”的雄心。
數(shù)字孿生從第四象限的崛起，意味著制造商關(guān)注的焦點(diǎn)，從“產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)”轉(zhuǎn)向了“體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)”。一個(gè)用戶的體驗(yàn)，是一個(gè)很難量化的事情。然而通過數(shù)字孿生，很多抽象的參數(shù)，被實(shí)實(shí)在在的行為，忠實(shí)地記錄了下來。體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)，不再是心領(lǐng)神會(huì)的藝術(shù)，而是可以被捕捉的科學(xué)法則。這使得制造商的盈利點(diǎn)，有了新的藍(lán)海航程。數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)了“個(gè)性化定用”，這也使得“個(gè)性化定制”的內(nèi)在屬性得以充分的發(fā)揮，這是體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)的終極目標(biāo)。大規(guī)模定用實(shí)現(xiàn)千人千面千機(jī)變。
可以說，數(shù)字孿生成為數(shù)據(jù)的全新分發(fā)中心。這就是第四象限的崛起的真正含義。它讓一個(gè)三象限世界，終于變成一個(gè)完美對(duì)稱的四象限世界。而產(chǎn)品的全生命周期的數(shù)據(jù)流，終于可以形成一個(gè)有價(jià)值的閉環(huán)。制造與服務(wù)的融合，變得更加順理成章。
然而數(shù)字孿生終究只是一種可以仿真的模型，一種與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相得益彰的模型。它本身并不自動(dòng)地釋放價(jià)值，更不能看成是一種獨(dú)立的生產(chǎn)力。單獨(dú)拔高數(shù)字孿生的價(jià)值，并無太大的意義。它帶來的最大啟發(fā)，就是用更多的信息流動(dòng)和數(shù)據(jù)分析構(gòu)建一套“行為暴露真相”的敘事方式。在美國、在日本、在德國，數(shù)字孿生都只是一個(gè)普通的學(xué)術(shù)概念，工程界平靜地拿來引用，不沾半點(diǎn)神奇星火。這更多的是一種思維方式的進(jìn)化。與其迷戀數(shù)字孿生的魔力（其實(shí)沒有），不如借機(jī)大力熏陶和推動(dòng)系統(tǒng)工程思維的落地，否則數(shù)字孿生真的變成了一種推銷工具軟件的最好廣告語。
