李培根
中國工程院院士
中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)理事長
“現(xiàn)象級(jí)”技術(shù)？
數(shù)字孿生的概念出現(xiàn)是最近10多年的事，但近3年來關(guān)于數(shù)字孿生的論文數(shù)井噴式增長[1]。
各行各業(yè)都在談?wù)摂?shù)字孿生，制造業(yè)自不待言，建筑、建造、智慧城市、物流……
近期國內(nèi)多有關(guān)于數(shù)字孿生的文章問世，如黃培[2]、趙敏和寧振波[3]等，不乏真知灼見。
尤其是有些軟件公司、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)公司極力渲染其數(shù)字孿生應(yīng)用（不排除有推銷自己的因素），使數(shù)字孿生成為當(dāng)今智能制造或企業(yè)數(shù)字化/智能化的特別“現(xiàn)象”。炙手可熱的數(shù)字孿生誠然已成為智能制造以及其它相關(guān)領(lǐng)域的“現(xiàn)象級(jí)”技術(shù)！
誰用？干什么？
1.設(shè)計(jì)開發(fā)者
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段所形成的數(shù)字模型，就是產(chǎn)品最初的數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為優(yōu)化整個(gè)制造價(jià)值鏈和創(chuàng)新產(chǎn)品的重要工具。數(shù)字孿生功能最初是設(shè)計(jì)工程師工具箱里的一種選擇工具，它可以簡化設(shè)計(jì)流程，削除原型測(cè)試中的許多方面。通過使用3D仿真和人機(jī)界面，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí),工程師可以確定產(chǎn)品的規(guī)格、制造方式和使用材料，以及如何根據(jù)相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估。數(shù)字孿生可以幫助工程師在確定設(shè)計(jì)終稿之前，識(shí)別潛在的可制造性、質(zhì)量和耐用性等問題。因此，通過數(shù)字孿生模型的應(yīng)用，傳統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)速度得以提升，產(chǎn)品以更低成本，更有效地投入生產(chǎn)[4]?？梢哉J(rèn)為:
設(shè)計(jì)階段的數(shù)字孿生是產(chǎn)品（物理實(shí)體）“孕育”階段的數(shù)字模型。
產(chǎn)品形態(tài)展示 設(shè)計(jì)者想象的產(chǎn)品形態(tài)特別適宜于在虛擬空間中展示。如VR家裝設(shè)計(jì)分別幫助家裝設(shè)計(jì)師和家裝公司解決其關(guān)心的家裝設(shè)計(jì)作品呈現(xiàn)、客戶引流和簽單等問題。家裝設(shè)計(jì)師需要讓客戶認(rèn)可自己的設(shè)計(jì)才華；廣大家裝公司更看重VR+家裝軟件能否吸引更多業(yè)主前來咨詢，以有效提升簽單率。VR家裝設(shè)計(jì)除了高效便捷展現(xiàn)真實(shí)的場(chǎng)景式整體家居效果外，還能對(duì)企業(yè)用戶提供諸如人員管理、供應(yīng)鏈管理以及沉浸式效果體驗(yàn)等方面的服務(wù)。VR家裝設(shè)計(jì)軟件是類似CAD、3DMax的室內(nèi)設(shè)計(jì)軟件，但不同的是，它不僅能做室內(nèi)設(shè)計(jì)效果圖，還能實(shí)現(xiàn)VR交互，實(shí)時(shí)渲染，讓業(yè)主身臨其境地體驗(yàn)室內(nèi)裝修的效果，如果不喜歡還可自主定制或一鍵更換。VR家裝設(shè)計(jì)直接讓顧客看到虛擬空間中的場(chǎng)景，同時(shí)還可通過錄視頻、拍照等方式，將體驗(yàn)的“真實(shí)”場(chǎng)景帶回家中與家人朋友一起參考，實(shí)現(xiàn)社會(huì)化營銷。因此，VR家裝設(shè)計(jì)可大大縮短銷售周期，顧客感知裝修效果后，可以加快顧客購買決策，讓成交變得更簡單。VR+家裝一方面吸引有家裝需求的業(yè)主，通過多產(chǎn)品、不同套系、不同主題的一鍵切換，業(yè)主可隨時(shí)查看到“真實(shí)”的裝修效果。[5]至于一些個(gè)性化定制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更需要類似的手段呈現(xiàn)給用戶和設(shè)計(jì)者自身?？梢哉J(rèn)為，這樣的“真實(shí)”場(chǎng)景或形態(tài)就是潛在的物理實(shí)體的數(shù)字孿生。
特別狀態(tài)模擬 在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，自然需要盡可能考慮產(chǎn)品運(yùn)行中的某些特別狀態(tài)，如汽車行駛中可能發(fā)生的碰撞。良好的設(shè)計(jì)也應(yīng)該基于對(duì)特別狀態(tài)有盡可能準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)之上，為此需要在仿真的虛擬空間中模擬特別狀態(tài)。在汽車被動(dòng)安全性研究中，其安全評(píng)價(jià)的主要目的是確保乘員的生存空間，緩和沖擊，防止火災(zāi)等。汽車碰撞是瞬態(tài)大變形非線性問題，碰撞過程極為復(fù)雜。如利用ANSYS LS-DYNA程序進(jìn)行汽車碰撞仿真，具備模擬汽車碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)破損和乘員安全性分析的全部功能，其內(nèi)置安全帶、傳感器等單元，以及氣囊和假人模型，可高效仿真汽車在發(fā)生碰撞或緊急制動(dòng)時(shí)安全帶系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)情況，從而優(yōu)化安全保險(xiǎn)裝置的設(shè)計(jì)，提高汽車的安全性能。[6]
協(xié)同設(shè)計(jì) 在產(chǎn)品或生產(chǎn)單元的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，也需要建立其數(shù)字孿生體的虛擬空間，尤其是融合VR技術(shù)的數(shù)字孿生體。在虛擬空間中，設(shè)計(jì)者更容易獲得直觀體驗(yàn)，又便于設(shè)計(jì)者之間的協(xié)同交流。此外，還能進(jìn)行某種仿真驗(yàn)證。[7]
虛擬調(diào)試驗(yàn)證 虛擬調(diào)試是使用模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)整機(jī)級(jí)集成測(cè)試，物理調(diào)試前的設(shè)備選型和驗(yàn)證。產(chǎn)品開發(fā)的早期論證，是數(shù)字孿生技術(shù)最基本的應(yīng)用。數(shù)字孿生體是一個(gè)物理實(shí)體（也可能是想象中、設(shè)計(jì)中的實(shí)體）的數(shù)字表達(dá)，除最基本的三維結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)該能夠?qū)Ξa(chǎn)品的性能和物理過程進(jìn)行表達(dá)。絕大多數(shù)產(chǎn)品的過程是多物理過程，因此還需要多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模。只停留在三維表達(dá)不是真正意義上的數(shù)字孿生體。
借助數(shù)字孿生技術(shù)大大加快擁有全新產(chǎn)品的工廠設(shè)計(jì)。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)機(jī)器和工廠進(jìn)行仿真能夠使全新一代的產(chǎn)品在12個(gè)月上市，而通常需要18～24個(gè)月。[8]
虛擬調(diào)試技術(shù)用于生產(chǎn)線、車間/工廠的設(shè)計(jì)特別有效。在數(shù)字化環(huán)境中建立生產(chǎn)線的三維布局，包括工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、PLC和傳感器等設(shè)備。對(duì)于已有的新設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之前，可以直接在虛擬環(huán)境下，對(duì)生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)、工藝仿真和電氣調(diào)試，讓設(shè)備在未安裝之前已經(jīng)完成調(diào)試。在虛擬調(diào)試階段，將控制設(shè)備連接到虛擬站/線；完成虛擬調(diào)試后，控制設(shè)備可以快速切換到實(shí)際生產(chǎn)線。對(duì)于運(yùn)行中的生產(chǎn)線，還可隨時(shí)切換到虛擬環(huán)境，分析、修正和驗(yàn)證正在運(yùn)行的生產(chǎn)線上的問題，避免長時(shí)間且昂貴的生產(chǎn)停頓。[2]Maplesoft在數(shù)字孿生應(yīng)用于虛擬調(diào)試方面頗具特色，他們與一些自動(dòng)化公司建立了合作伙伴關(guān)系，包括B&R、Rockwell、Beckhoff，以便有更好的工具接口和工作流；另外，三維CAD模型文件可直接導(dǎo)入，使用友好——數(shù)小時(shí)即可獲得結(jié)果，而不是數(shù)周或數(shù)月。[9]
數(shù)字孿生支持從創(chuàng)新概念開始到得到真正的產(chǎn)品的過程。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)驗(yàn)證、生產(chǎn)線設(shè)計(jì)優(yōu)化，到生產(chǎn)運(yùn)行、質(zhì)量檢測(cè)和產(chǎn)品提交。
加速試驗(yàn) 武田制藥（Takeda）開發(fā)了一套指導(dǎo)制造商生產(chǎn)的流程。醫(yī)藥行業(yè)的質(zhì)量把控和監(jiān)管十分嚴(yán)格，任何創(chuàng)新都必須在開發(fā)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面的合規(guī)性測(cè)試之后才可投入正式生產(chǎn)。一種新藥的問世可能需要長達(dá)15年的時(shí)間。因此，他們一直都在尋找能加速試驗(yàn)進(jìn)程和業(yè)務(wù)流程的方法。即使在數(shù)字時(shí)代，醫(yī)藥制造流程仍包含人工操作。例如，生產(chǎn)生物制品、疫苗和其它從活體中提取的醫(yī)藥產(chǎn)品都涉及生化反應(yīng)，這些反應(yīng)多變且難以測(cè)量，因此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無疑是一大挑戰(zhàn)。迄今為止，還沒有實(shí)現(xiàn)這些生產(chǎn)步驟的自動(dòng)化。他們認(rèn)為，真正的端到端的生產(chǎn)自動(dòng)化就是這個(gè)行業(yè)的最高目標(biāo)，其中數(shù)字孿生技術(shù)彰顯了重要的作用。孿生技術(shù)可幫助團(tuán)隊(duì)加速試驗(yàn)進(jìn)程，開發(fā)新的生產(chǎn)方法并生成數(shù)據(jù)以便做出更明智的決策和預(yù)判，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜化學(xué)和生化過程的自動(dòng)化。制藥行業(yè)真正的驅(qū)動(dòng)因素是圍繞整個(gè)流程建立的控制架構(gòu)，并且其基礎(chǔ)是在發(fā)展過程中逐漸成熟的復(fù)雜的數(shù)字孿生體。最終目標(biāo)是建立一個(gè)無需人工干預(yù)即可控制并引導(dǎo)自動(dòng)化流程的數(shù)字孿生體。在武田制藥的開發(fā)實(shí)驗(yàn)室里，這種生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)建成并運(yùn)用于生物制劑上。[4]
驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新 從新產(chǎn)品開發(fā)的角度，產(chǎn)品創(chuàng)新一定要收集產(chǎn)品的運(yùn)行和服務(wù)相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上判斷是否需要提升產(chǎn)品的基本功能和服務(wù)環(huán)境。在系統(tǒng)孿生數(shù)據(jù)及其仿真的基礎(chǔ)上，通過分析可以發(fā)現(xiàn)某些需要進(jìn)一步改進(jìn)或提升的地方，例如是否需要收集新的數(shù)據(jù)，是否需要提升云支持環(huán)境中的某些軟件（包括App）的功能等。產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)注點(diǎn)不僅在于物理本體，而且也包括基于云的支持環(huán)境，所有這些創(chuàng)新內(nèi)容都需要孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。
2.用戶
數(shù)據(jù)透明 數(shù)據(jù)透明不僅提高數(shù)字化系統(tǒng)的效率，而且能創(chuàng)造更大價(jià)值。Phoenix Contact是一家德國制造商，專門提供工業(yè)自動(dòng)化解決方案。它在最大程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并提升了數(shù)據(jù)的透明度。因此，它所創(chuàng)造的價(jià)值要遠(yuǎn)高于價(jià)值鏈上每個(gè)步驟創(chuàng)造的價(jià)值總和。Phoenix Contact借助多個(gè)RFID標(biāo)簽收集信息，同時(shí)建立數(shù)字孿生模型，確保數(shù)據(jù)在流程所有階段都保持透明可見且易于獲取。這種互通性確保了生產(chǎn)線的全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅提升了40%的績效，還將生產(chǎn)時(shí)間縮短了30%。最終，Phoenix Contact以批量生產(chǎn)的成本實(shí)現(xiàn)了定制化產(chǎn)品的生產(chǎn)。該公司有效利用了數(shù)字化測(cè)試和數(shù)據(jù)共享。數(shù)字孿生包含所有測(cè)試參數(shù)，所有測(cè)試數(shù)據(jù)也都會(huì)被記錄下來，供生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)參考。此外，生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)也能直接對(duì)接客戶。他們可以獲取客戶信息，向客戶實(shí)時(shí)傳達(dá)訂單狀態(tài)和交付細(xì)節(jié)。Phoenix Contacts利用RFID信息標(biāo)簽，確保數(shù)據(jù)在流程所有步驟中透明、可訪問。[10]
運(yùn)行優(yōu)化控制 產(chǎn)品的數(shù)字孿生體不是僅僅在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的，對(duì)于一個(gè)運(yùn)行中的產(chǎn)品，其數(shù)字孿生體的作用恰恰表現(xiàn)在它對(duì)運(yùn)行的指導(dǎo)作用。既如此，產(chǎn)品在運(yùn)行過程中所收集的各種數(shù)據(jù)就成為其數(shù)字孿生體的一部分。在一個(gè)設(shè)備的運(yùn)行過程中，通過對(duì)加工狀態(tài)，如工藝參數(shù)、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控，建立狀態(tài)改變對(duì)于加工質(zhì)量影響的數(shù)學(xué)分析模型，通過趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)加工質(zhì)量的異常，并能夠迅速采取措施，調(diào)整設(shè)備工藝參數(shù)，形成監(jiān)控-分析-調(diào)整-優(yōu)化的閉環(huán)，防止廢品、殘次品產(chǎn)生。如某酵母企業(yè)，對(duì)原料發(fā)酵過程的溫度、濕度、酒精含量、pH值等指標(biāo)進(jìn)行采集，一個(gè)工段上設(shè)置1000多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，每5ms采集一次，一個(gè)生產(chǎn)批次的發(fā)酵周期為15小時(shí)，數(shù)據(jù)量多達(dá)上億條，該企業(yè)基于海量數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析確定“黃金批次”的最佳工藝參數(shù)，以還原生產(chǎn)的最佳工藝條件，用以控制和優(yōu)化工藝。[11]這些采集的數(shù)據(jù)及其分析和仿真結(jié)果都是形成設(shè)備數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)。
上面的數(shù)字孿生模型均是反映實(shí)際的物理實(shí)體的運(yùn)行情況。
一個(gè)設(shè)備之完美的數(shù)字孿生體應(yīng)該能夠生成基于實(shí)際物理過程數(shù)據(jù)的虛擬過程，能夠展示其性能數(shù)據(jù)，并且能夠向物理系統(tǒng)反饋優(yōu)化控制的參數(shù)。
3.運(yùn)行維護(hù)者
運(yùn)行維護(hù) 荷蘭皇家殼牌公司（Royal Dutch Shell)啟動(dòng)了一項(xiàng)為期兩年的數(shù)字孿生計(jì)劃，以幫助石油及天然氣運(yùn)營商更加高效地管理海上資產(chǎn)，加強(qiáng)工人安全保障，及探索可預(yù)見的維護(hù)時(shí)機(jī)。數(shù)字孿生有助于優(yōu)化供應(yīng)鏈、分銷和運(yùn)營。全球快消產(chǎn)品制造商聯(lián)合利華（Unilever)啟動(dòng)了一個(gè)數(shù)字孿生項(xiàng)目，旨在為旗下數(shù)十家工廠創(chuàng)建虛擬模型。在這些工廠內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)傳感器被嵌入到機(jī)器內(nèi)部，向AI和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序反饋機(jī)器性能數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。分析后的操作信息再輸入到數(shù)字孿生體中，從而幫助工人預(yù)測(cè)機(jī)器維護(hù)的時(shí)機(jī)、優(yōu)化產(chǎn)出并提高產(chǎn)品合格率。[4]
4.管理人員
數(shù)字孿生技術(shù)亦可用于管理，下面舉兩例說明。
驅(qū)動(dòng)商業(yè)模式創(chuàng)新 普利司通的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)更復(fù)雜的數(shù)字孿生，以期最終在整個(gè)價(jià)值鏈上提供洞察，其目標(biāo)是提升利潤率、維持競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)、減少上市時(shí)間，并提供先進(jìn)的輪胎即服務(wù)（As-a-service）產(chǎn)品。歐洲車隊(duì)正逐漸轉(zhuǎn)向一種按公里數(shù)計(jì)費(fèi)（PPK）的訂購模式，以幫助車隊(duì)運(yùn)營商優(yōu)化現(xiàn)金流，減少整體成本。盡管商業(yè)模式很簡單，但為每公里設(shè)定合適的價(jià)格卻絕非易事。輪胎的生命周期受各種因素的影響，包括負(fù)重、速度、路面情況以及駕駛行為。數(shù)字孿生可以通過模擬不同的駕駛條件，洞悉這些相互關(guān)聯(lián)的條件是如何影響輪胎性能的。但是，如果沒有數(shù)字孿生體的真實(shí)數(shù)據(jù)輸入，想要確定一個(gè)令人滿意且具有競(jìng)爭力的PPK價(jià)格——并且期望這一價(jià)格能夠持續(xù)為企業(yè)帶來利潤——即使有可能性存在，也將十分困難。數(shù)字孿生能夠讓人們從多個(gè)維度看到輪胎性能，也可以在尚無可用數(shù)據(jù)的時(shí)候應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)。輸入的傳感數(shù)據(jù)被增強(qiáng)、凈化和處理；而后應(yīng)用數(shù)字仿真和分析獲得洞察，從而為維護(hù)、更新等其它因素的決策提供依據(jù)，這些依據(jù)可以為普利司通及其客戶帶來更多價(jià)值。如今，普利司通正使用數(shù)字技術(shù)為其車隊(duì)客戶帶來更多價(jià)值。隨著時(shí)間的推移，企業(yè)計(jì)劃擴(kuò)大數(shù)字孿生技術(shù)的使用范圍包括從駕駛員、到車隊(duì)經(jīng)理、到零售商、分銷商、制造商等的整個(gè)價(jià)值鏈。企業(yè)管理者表示，鑒于未來可能使用無人駕駛汽車，可能還會(huì)涉及安全協(xié)議。他們確定已經(jīng)抓住了引領(lǐng)走向未來的驅(qū)動(dòng)因素，這便是數(shù)字孿生技術(shù)的用武之地。[4]
物流管理 應(yīng)用數(shù)字孿生于供應(yīng)鏈系統(tǒng)，就應(yīng)該使人（供銷管理、物流管理人員）或供應(yīng)鏈數(shù)字系統(tǒng)能夠“感知”傳統(tǒng)上被人忽略或無法獲取的數(shù)據(jù)，尤其要注意下面幾種數(shù)據(jù)：[12]
（1）實(shí)體的觀測(cè)數(shù)據(jù)。如來自資產(chǎn)的傳感器、日志或儀表數(shù)據(jù)，或從其他主要輸入計(jì)算出的虛擬傳感器等數(shù)據(jù)；從其他來源收到的數(shù)據(jù)，如卡車上所載貨物的信息、設(shè)備所有者的姓名、設(shè)備序列號(hào)和歷史維護(hù)記錄等。
（2）衍生數(shù)據(jù)。由數(shù)字孿生內(nèi)的邏輯衍生之?dāng)?shù)據(jù)，如有關(guān)事物環(huán)境（例如環(huán)境溫度、當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件）或與事物間接相關(guān)的對(duì)象（例如所有者的姓名和地址以及所有者身份之外的其他細(xì)節(jié)）的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不屬于數(shù)字孿生本身，但屬于數(shù)字孿生中的邏輯，或者使用孿生的應(yīng)用程序中的邏輯，必要時(shí)可能需要訪問這些數(shù)據(jù)。
（3）操作數(shù)據(jù)。操作數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)或存儲(chǔ)在數(shù)字孿生系統(tǒng)外的數(shù)據(jù)。例如，數(shù)字孿生可以通過對(duì)卡車觀察到的燃油水平、油箱尺寸和平均速度，應(yīng)用公式來計(jì)算并存儲(chǔ)卡車耗盡燃油前的剩余時(shí)間。此剩余時(shí)間是操作后獲得的數(shù)據(jù)。
（4）調(diào)用外部數(shù)據(jù)?；跀?shù)字孿生在外部（物理上）實(shí)現(xiàn)的邏輯。孿生邏輯可以向外部決策服務(wù)調(diào)用API，例如計(jì)算卡車預(yù)期到達(dá)時(shí)間的地理空間映射服務(wù)。這可以使用卡車當(dāng)前位置和計(jì)劃路線（下一個(gè)目的地的標(biāo)識(shí)）上的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，并獲取不在孿生中的外部信息（地圖和其他系統(tǒng)中保存的實(shí)時(shí)交通信息）。
從上面的介紹可見，需要把數(shù)字孿生技術(shù)與實(shí)體及其過程充分融合，以達(dá)到優(yōu)化的目的。
數(shù)字孿生的支撐技術(shù)
從前述的例子可以看出，某種意義上數(shù)字孿生是一種技術(shù)理念，其實(shí)現(xiàn)需要多種基礎(chǔ)技術(shù)，如傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、CAD/CAE、仿真、VR/AR/MR/XR（虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)/泛現(xiàn)實(shí)）、AI等，此處不專門介紹。
促成數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用所需基礎(chǔ)要素的部署一直在加速[4]：
（1）仿真。構(gòu)建數(shù)字孿生技術(shù)所需工具的能力和成熟度都在不斷提高。現(xiàn)在，人們可以設(shè)計(jì)復(fù)雜的假設(shè)仿真情景，從探測(cè)到的真實(shí)情況回溯，執(zhí)行數(shù)百萬次的仿真流程也不會(huì)使系統(tǒng)過載。而且，隨著供應(yīng)商數(shù)量的增加，選擇范圍也在持續(xù)擴(kuò)大。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)功能正在增強(qiáng)洞察的深度和使用性。
（2）新的數(shù)據(jù)源。實(shí)時(shí)資產(chǎn)監(jiān)控技術(shù)如激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)（light detection and ranging，LIDAR）與菲利爾（FLIR）前視紅外熱像儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)可以整合到數(shù)字孿生體內(nèi)。同樣地，嵌入機(jī)器內(nèi)部的或部署在整個(gè)供應(yīng)鏈的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，可以將運(yùn)營數(shù)據(jù)直接輸入到仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
（3）互操作性。過去10年里，將數(shù)字技術(shù)與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合的能力已經(jīng)得到顯著提高。這一改善主要得益于物聯(lián)網(wǎng)傳感器、操作技術(shù)之間工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)的加強(qiáng)，以及供應(yīng)商為集成多種平臺(tái)集成做的努力。
（4）可視化。創(chuàng)建數(shù)字孿生體所需的龐大數(shù)據(jù)量可能會(huì)使分析變得復(fù)雜，如何獲得有意義的洞察就變得更具挑戰(zhàn)性。先進(jìn)的數(shù)據(jù)可視化可以通過實(shí)時(shí)過濾和提取信息來應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)。最新的數(shù)據(jù)可視化工具除了擁有基礎(chǔ)看板和標(biāo)準(zhǔn)可視化功能之外，還包括交互式3D、基于VR和AR的可視化、支持AI的可視化以及實(shí)時(shí)媒體流。
（5）儀器。無論是嵌入式的還是外置的物聯(lián)網(wǎng)傳感器都變得越來越小，并且精確度更高、成本更低、性能更強(qiáng)大。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全的提高，可以利用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)獲得關(guān)于真實(shí)世界更細(xì)粒度、更及時(shí)、更準(zhǔn)確的信息，以便與虛擬模型集成。
（6）平臺(tái)。增加功能強(qiáng)大且價(jià)格低廉的計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)的可用性和訪問是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵促成要素。一些軟件公司在基于云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)和分析技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量投資，緊跟數(shù)字孿生潮流。其中部分投資正在用于簡化行業(yè)特定數(shù)字孿生應(yīng)用的開發(fā)工作。
需要注意的是，在不同場(chǎng)景下的數(shù)字孿生體所用到的技術(shù)是不一樣的。
似，是，與不是
現(xiàn)實(shí)中關(guān)于數(shù)字孿生尚存在模糊認(rèn)識(shí)。從前述例子中可以悟出數(shù)字孿生的是與不是。
CPS似乎是一個(gè)工作系統(tǒng)，但它只是一個(gè)理念。數(shù)字孿生似乎是一種技術(shù)，其實(shí)更大程度上是一種技術(shù)理念。工業(yè)4.0的核心理念乃CPS（cyber-physical systems，數(shù)字物理系統(tǒng)，賽博物理系統(tǒng)），強(qiáng)調(diào)數(shù)字世界與物理世界的深度融合。制造業(yè)中人們普遍關(guān)注的智能制造之核心技術(shù)理念亦是CPS。若問最能反映CPS理念的核心是什么？筆者認(rèn)為非數(shù)字孿生莫屬。實(shí)現(xiàn)CPS需要諸多數(shù)字-智能技術(shù)，如智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、仿真、VR/AR、AI等，但其中每一項(xiàng)技術(shù)都不可能成為反映CPS理念的核心技術(shù)。而數(shù)字孿生乃是集前述支撐技術(shù)之大成。因此可以言，數(shù)字孿生更大程度上是一種技術(shù)理念，與CPS之理念高度契合。如果說數(shù)字孿生是技術(shù)的話，并非一種單一的技術(shù)，而是多種技術(shù)的集合。數(shù)字孿生也是數(shù)字世界與物理世界深度融合的具體表現(xiàn)。
不只是幾何的，更是物理的。雖然數(shù)字孿生體包含對(duì)象的幾何信息，但真正顯示數(shù)字孿生意義的是其物理信息，如產(chǎn)品在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，物理過程的仿真等。
不只是靜態(tài)的，更是動(dòng)態(tài)的。數(shù)字孿生的意義本來就不是基于處理靜態(tài)問題。產(chǎn)品的運(yùn)行過程都是動(dòng)態(tài)的，只有在對(duì)動(dòng)態(tài)問題更深刻認(rèn)識(shí)并施與相應(yīng)控制，這才是數(shù)字孿生最重要的意義所在。
不只是對(duì)象的，更是環(huán)境的、系統(tǒng)的。很多人尚未意識(shí)到，數(shù)字孿生技術(shù)可以仿真人在實(shí)際問題中感知不到的某些環(huán)境。
例如，特斯拉對(duì)每一個(gè)售出的車都建立數(shù)字孿生體。[13]未來，特斯拉和其它汽車公司還會(huì)繼續(xù)發(fā)展自動(dòng)駕駛汽車。不難想象，駕駛條件的數(shù)據(jù)（白天/黑夜、天氣等），道路性質(zhì)（彎道、上下坡等）和駕駛者行為，以及事故發(fā)生情況等數(shù)據(jù)都將被聚合起來進(jìn)行分析，從而驅(qū)動(dòng)某一型號(hào)汽車性能的提升與改善。來自單個(gè)汽車的數(shù)據(jù)被分析后可用來微調(diào)車輛行為。
又如，風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化和風(fēng)場(chǎng)的維護(hù)非常復(fù)雜，尤其是建設(shè)在海上的風(fēng)場(chǎng)，維護(hù)需要調(diào)用船舶、直升機(jī)、海洋工程船等特殊設(shè)備，成本更加高昂，且維修周期更長。由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境較惡劣、風(fēng)資源的隨機(jī)性，以及風(fēng)場(chǎng)多地處偏遠(yuǎn)地區(qū)等客觀因素，進(jìn)行人工的狀態(tài)監(jiān)控和維護(hù)排程難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用的最大效率。風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)維策略和排程的優(yōu)化需要綜合考慮許多的因素，包括風(fēng)機(jī)的當(dāng)前健康狀態(tài)、維護(hù)機(jī)會(huì)窗口、對(duì)未來幾天內(nèi)風(fēng)資源的預(yù)測(cè)、維護(hù)資源的可用性、維護(hù)人員的數(shù)量和技能、船舶的路徑和成本、海上天氣狀況等多個(gè)維度的因素。[14]這都是建立其數(shù)字孿生體時(shí)需要考慮的因素。
不只是針對(duì)產(chǎn)品，還有針對(duì)使用者的。對(duì)于常規(guī)的非自動(dòng)駕駛模式，除了車的數(shù)字孿生模型，還需建立駕駛者數(shù)字孿生模型，以便在困難情況下基于特定的駕駛者行為反應(yīng)，能使駕車效果進(jìn)一步微調(diào)。在汽車的新產(chǎn)品開發(fā)中，公司可通過其正在運(yùn)行的具有千千萬萬里程的汽車數(shù)據(jù)去模擬汽車性能和駕駛者反應(yīng)，以評(píng)估設(shè)計(jì)改變的效果。更一般地，收集產(chǎn)品使用數(shù)據(jù)和用戶行為及反應(yīng)數(shù)據(jù)可建立仿真模型，輔助設(shè)計(jì)決策，平衡不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，且預(yù)測(cè)市場(chǎng)接受的程度?？傊?，通過對(duì)各種情況下的車輛數(shù)據(jù)和駕駛者數(shù)據(jù)的聚集融合，并進(jìn)行仿真，能夠驅(qū)動(dòng)汽車的新產(chǎn)品開發(fā)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
孿生數(shù)據(jù)不只是產(chǎn)生在設(shè)計(jì)中，且產(chǎn)生在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)。孿生數(shù)據(jù)不僅產(chǎn)生于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，而且在產(chǎn)品的制造、運(yùn)行、維護(hù)等全生命周期過程中，都不斷地產(chǎn)生孿生數(shù)據(jù)。有必要進(jìn)一步深刻理解孿生數(shù)據(jù)：
切勿認(rèn)為孿生數(shù)據(jù)只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的幾何、制造、物理等信息，孿生數(shù)據(jù)在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)而不斷豐富。
一個(gè)物理實(shí)體不是僅對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字孿生體，可能需要多個(gè)從不同側(cè)面或視角描述的數(shù)字孿生體。人們很容易認(rèn)為一個(gè)物理實(shí)體對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字孿生體。如果只是幾何的，這種說法尚能成立。恰恰因?yàn)槿藗冃枰J(rèn)識(shí)實(shí)體所處的不同階段、不同環(huán)境中的不同物理過程，一個(gè)數(shù)字孿生體顯然難以描述之。如一臺(tái)機(jī)床在加工時(shí)的振動(dòng)變形情況、熱變形情況、刀具與工件相互作用的情況……這些情況自然需要不同的數(shù)字孿生體進(jìn)行描述。
不同的建模者從某一個(gè)特定視角描述一個(gè)物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型似乎應(yīng)該是一樣的，但實(shí)際上可能有很大差異。前述一個(gè)物理實(shí)體可能對(duì)應(yīng)多個(gè)數(shù)字孿生體，但從某個(gè)特定視角的數(shù)字孿生體似乎應(yīng)該是唯一的，實(shí)則不然。差異不僅是模型的表達(dá)形式，更重要的是孿生數(shù)據(jù)的粒度。
如在所謂的智能機(jī)床中，通常人們通過傳感器實(shí)時(shí)獲得加工尺寸、切削力、振動(dòng)、關(guān)鍵部位的溫度等方面的數(shù)據(jù)，以此反映加工質(zhì)量和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)。華中數(shù)控的做法顯然更進(jìn)一步，他們獲取的數(shù)據(jù)有：[15]
運(yùn)動(dòng)軸狀態(tài)：電流、位置、速度等；
主軸狀態(tài)：功率、扭矩、速度等；
機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)：PLC、I/O、報(bào)警和故障信息等；
機(jī)床操作狀態(tài)數(shù)據(jù)：開機(jī)、關(guān)機(jī)、斷電、急停等；
程序數(shù)據(jù)：程序名稱、工件名稱、刀具、加工時(shí)間、程序執(zhí)行時(shí)間、程序行號(hào)等。
顯然，這里收集的數(shù)據(jù)細(xì)目多，粒度細(xì)。不同的建模者對(duì)數(shù)據(jù)的取舍肯定不一樣。一般而言，細(xì)粒度數(shù)據(jù)有利于人們更深刻地認(rèn)識(shí)物理實(shí)體及其運(yùn)行過程。
數(shù)字孿生的關(guān)鍵不僅在于孿生數(shù)據(jù)的粒度，更在于孿生數(shù)據(jù)的特別關(guān)聯(lián)。如華中數(shù)控認(rèn)識(shí)到，數(shù)控機(jī)床工作狀態(tài)大數(shù)據(jù)與加工G代碼指令密切相關(guān)，與零件加工質(zhì)量、精度和加工效率之間也存在關(guān)聯(lián)關(guān)系?；诖髷?shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，將從G代碼中提取的切削參數(shù)、刀具信息和對(duì)應(yīng)的車床加工過程指令域功率數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出，建立數(shù)控車床工藝系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。請(qǐng)注意，這里不只是滿足于收集的數(shù)據(jù)更多更細(xì)，而且要把這些數(shù)據(jù)融合起來解決問題。這里融合是關(guān)鍵，意指數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)之間缺乏關(guān)聯(lián)，再多再細(xì)亦枉然。
其實(shí)，數(shù)字孿生應(yīng)用的程度體現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化的深度。
企業(yè)數(shù)字化的深度
主要體現(xiàn)在數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)企業(yè)活動(dòng)刻畫的程度，也就是孿生數(shù)據(jù)的粒度及其關(guān)聯(lián)程度。
數(shù)字孿生尚無固定的技術(shù)體系、模式和方法。到目前為止，數(shù)字孿生體的構(gòu)造方式五花八門。反映物理實(shí)體的各種數(shù)字模型似乎均可視為數(shù)字孿生模型。盡管如此，未來關(guān)于數(shù)字孿生建模的規(guī)律與方法還需眾多的實(shí)踐者去完善和豐富。
數(shù)字孿生體不能只是物理實(shí)體的鏡像，而是與物理實(shí)體共生。有一些學(xué)者或?qū)＜一蛟S認(rèn)為數(shù)字孿生只是物理實(shí)體在數(shù)字空間的鏡像。此說只能算部分正確。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段，設(shè)計(jì)者在數(shù)字空間中進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還沒有對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體，但此時(shí)的數(shù)字模型依然可視為一種數(shù)字孿生模型。最終確認(rèn)的數(shù)字模型可“生”出物理實(shí)體。可以認(rèn)為，這時(shí)的數(shù)字孿生體是物理實(shí)體在“孕育”階段的“胚胎”。在物理實(shí)體（產(chǎn)品）系統(tǒng)（包括特定的環(huán)境）的運(yùn)行過程中，各種過程數(shù)據(jù)又不斷地豐富數(shù)字孿生模型。在產(chǎn)品運(yùn)行過程中，孿生模型對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析或仿真而獲得的衍生數(shù)據(jù)反過來又能夠優(yōu)化控制產(chǎn)品的運(yùn)行。所以“共生”發(fā)生在產(chǎn)品的全生命周期。此外，“鏡像”說容易使人誤解成數(shù)字孿生體只是物理實(shí)體外觀或幾何在數(shù)字空間中的映射。
數(shù)字孿生不能只是物理實(shí)體的數(shù)字表達(dá)，它應(yīng)該是“物理生命體”的數(shù)字化描述。大多數(shù)關(guān)于數(shù)字孿生的定義都指向物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)，如GE Digital認(rèn)為數(shù)字孿生是資產(chǎn)和流程的軟件表示，SAP認(rèn)為數(shù)字孿生是物理對(duì)象或系統(tǒng)的虛擬表示，Gartner在十大新興技術(shù)專題中對(duì)數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界實(shí)物或系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá)。[2]本文試圖給出數(shù)字孿生體的極簡定義。
定義1：“物理生命體”是指“孕育”過程（即實(shí)體的設(shè)計(jì)開發(fā)過程）和服役過程（運(yùn)行、使用）中的物理實(shí)體（如產(chǎn)品或裝備）。
“生命體”的含義不僅包括物理實(shí)體（如產(chǎn)品或裝備）在服役過程中的運(yùn)行活動(dòng)，也包括實(shí)體的“孕育”過程，即產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。如果一個(gè)物理實(shí)體不具備“使用”意義，則不具備“生命”意義，自然也不是工業(yè)過程中被關(guān)注的“物理生命體”。如，沒人使用的房子就不是“物理生命體”。生命體的模型包括幾何、物理、環(huán)境、過程……
定義2：數(shù)字孿生體是“物理生命體”在其服役和孕育過程中的數(shù)字化模型。
此定義中隱含了前述關(guān)于數(shù)字孿生的“是”與“不是”。
一根主線
講數(shù)字孿生不能不提數(shù)字主線（digital thread）。美國軍方早期對(duì)數(shù)字主線有一個(gè)通俗的解釋，其目標(biāo)是在系統(tǒng)全生命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)在正確的時(shí)間、正確的地點(diǎn)、把正確的信息傳遞給正確的人。數(shù)字主線是與某個(gè)或某類物理實(shí)體對(duì)應(yīng)的若干數(shù)字孿生體之間的溝通橋梁，這些數(shù)字孿生體反映了該物理實(shí)體不同側(cè)面的模型視圖。達(dá)索3D EXPERIENCE平臺(tái)之上創(chuàng)建數(shù)字孿生體，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)不受不同軟件的束縛，不受流程的影響，可跨越不同工具、不同用戶、不同系統(tǒng)，這就需要數(shù)字主線的作用。埃森哲認(rèn)為，數(shù)字主線可端到端地在流程與系統(tǒng)間穿針引線，助力在企業(yè)和其生態(tài)系統(tǒng)中構(gòu)建一個(gè)互聯(lián)的產(chǎn)品信息網(wǎng)絡(luò)，打破企業(yè)內(nèi)部藩籬，加強(qiáng)與外部供應(yīng)商的協(xié)作。它能整合產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)資源，為數(shù)字孿生應(yīng)用創(chuàng)造條件。數(shù)字孿生也必須要有數(shù)字主線向其輸送數(shù)據(jù)“血液”。如某企業(yè)設(shè)計(jì)某手機(jī)產(chǎn)品時(shí)創(chuàng)建了其數(shù)字孿生，卻在后續(xù)的生產(chǎn)物流、銷售、維保等環(huán)節(jié)未能及時(shí)反哺數(shù)據(jù)，則這個(gè)數(shù)字孿生是死的，與傳統(tǒng)的CAD與仿真沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別。[16]
不妨在綜合各家之言的基礎(chǔ)上梳理一下數(shù)字主線的脈絡(luò)。看不見的數(shù)字主線之主要目的是保證數(shù)據(jù)的流通、集成、融合，主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：
（1）一個(gè)物理實(shí)體之不同的數(shù)字孿生體（反映同一物理實(shí)體之不同狀態(tài)、不同性能特征等）之間的數(shù)據(jù)流通和融合；
（2）一個(gè)物理實(shí)體在其生命周期的不同階段，其孿生數(shù)據(jù)的流通、融合；
（3）不同物理實(shí)體之間，其孿生數(shù)據(jù)的流通、融合；
（4）產(chǎn)品生命周期的不同環(huán)節(jié)、企業(yè)不同部門乃至伙伴的相應(yīng)部門之間，所需孿生數(shù)據(jù)的流通和融合。
造物主創(chuàng)造的宇宙中，在我們所感知的空間之外或許還存在一個(gè)平行的空間；人類創(chuàng)造的工業(yè)世界中，除了我們看得見和感知的物理空間，一定還要有一個(gè)平行空間——數(shù)字孿生空間。
讓我們不僅從數(shù)字孿生的“是”中去認(rèn)識(shí)那個(gè)虛擬空間，還需要從那些似是而非中去體驗(yàn)?zāi)莻€(gè)平行空間！
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