近年來，數(shù)字孿生（Digital Twin）一詞迅速躥紅，成為一個(gè)炙手可熱的概念。但隨著工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字孿生的不斷解讀，其含義卻越發(fā)撲朔迷離，和其他一些相關(guān)概念的界限也越來越模糊。數(shù)字孿生到底是什么，能做什么，邊界在哪里，它和建模仿真是什么關(guān)系等等問題令很多人困惑。本文嘗試對(duì)其中的一些疑惑進(jìn)行粗淺的分析。
1、Digitaltwin到底指什么？
由于DigitalTwin的中文翻譯莫衷一是(這個(gè)問題稍后會(huì)提到)，暫時(shí)將使用DT代表Digital Twin。
在信息領(lǐng)域，一個(gè)概念有多種解釋已是司空見慣的事情。不過大多概念開始出現(xiàn)時(shí)雖含義模糊，定義不明，但經(jīng)過一段時(shí)間討論和沉淀之后，會(huì)逐漸形成一致的看法，比如云計(jì)算。而DT很有意思，它一開始的時(shí)候，含義還比較明確，但隨著研究的深入，定義和內(nèi)涵卻越來越模糊。另外，很多概念，雖然有多種不同的定義和解釋，但大致的區(qū)別都在于要么看問題的角度和側(cè)重點(diǎn)不同，要么解釋的詳細(xì)程度不同，要么文字表述方式不同，而概念本身所指向的事物主體卻是確定的。像數(shù)字孿生這樣，不同的定義指向不同的主體，卻很少見。
DT一詞，業(yè)界一般認(rèn)為，最早是密西根大學(xué)Michael Grieves教授于2002年針對(duì)產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）提出的一個(gè)概念，當(dāng)初并不叫Digital Twin，而是叫鏡像空間模型（Mirrored Space Model,MSM），后來NASA的John Vickers將其命名為Digital Twin[1]。其模型的屬性是很清楚的，盡管當(dāng)時(shí)沒有引起太多關(guān)注，卻也沒有什么歧義，DT就是一個(gè)數(shù)字化的模型。
但隨著NASA將其引入《NASA空間技術(shù)路線圖》，DT的含義發(fā)生了重要的變化。NASA給出的解釋是這樣的：
DT是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程[2]。
DT的主體變成了仿真。
還是這個(gè)報(bào)告，又很明確地指出，NASA的DigitalTwin就是“基于仿真的系統(tǒng)工程”（Simulation-Based Systems Engineering）。
DT的主體又變成了系統(tǒng)工程。
NASA對(duì)DT的這些解讀大概是引起后續(xù)關(guān)于DT的定義和內(nèi)涵含糊不清的根源。我們不妨列舉一些有代表性的定義。
（1）DT是物理設(shè)備的一個(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)字副本[3]。
（2）DT是有生命或無生命的物理實(shí)體的數(shù)字副本。通過連接物理和虛擬世界，數(shù)據(jù)可以無縫傳輸，從而使得虛擬實(shí)體與物理實(shí)體同時(shí)存在[4]。
（3）DT是對(duì)人工構(gòu)建的或自然環(huán)境中的資產(chǎn)、流程或系統(tǒng)的數(shù)字表示[5]。
（4）DT是資產(chǎn)和過程的軟件表示，用于理解，預(yù)測(cè)和優(yōu)化性能以改善業(yè)務(wù)[6]。
（5）DT是實(shí)際產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)物的性能特點(diǎn)[7]。
（6）DT是在云平臺(tái)上運(yùn)行的真實(shí)機(jī)器的耦合模型，并使用來自數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析算法以及其他可用物理知識(shí)的集成化知識(shí)對(duì)健康狀況進(jìn)行仿真[8]。
（7）DT是物理對(duì)象或系統(tǒng)在其整個(gè)生命周期中的動(dòng)態(tài)虛擬表示，使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)理解，學(xué)習(xí)和推理[9]。
（8）DT使用物理系統(tǒng)的數(shù)字副本執(zhí)行實(shí)時(shí)優(yōu)化[10]。（9）DT是現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁[11]。
圖1與DT相關(guān)的各個(gè)部分
圖1是上面各種定義中所提到的和DT有關(guān)的各個(gè)部分。包括①物理對(duì)象、②數(shù)據(jù)、③模型、④仿真和⑤仿真結(jié)果。
這些定義分別將DT指向圖1中的不同部分。
第一類：定義(1)至(5)將DT定義為數(shù)字副本、數(shù)字表示、軟件表示或虛擬表示，指向③，即DT是一個(gè)隨物理對(duì)象實(shí)時(shí)更新的模型，因?yàn)椴还苁菙?shù)字副本、數(shù)字表示還是軟件表示或虛擬表示，都屬于模型的范疇。
第二類：定義(6)至(8)將DT指向③和④，即DT是模型加仿真。
第三類：定義(9)將DT指向②和⑤，即DT是連接物理對(duì)象和模型之間的橋梁。
那么，作為一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)術(shù)語，哪一個(gè)更合理呢？不妨來分析一下。
第二類將建模和仿真合起來定義成一個(gè)新的概念，一方面沒有必要，另一方面也不合理。因?yàn)槟Ｐ秃头抡骐m然密切相關(guān)，但的確是兩件事情。模型是對(duì)事物的描述，而仿真則是基于模型的各種活動(dòng)，就像兩個(gè)數(shù)的量綱不同，是不能直接相加成為一個(gè)數(shù)的。
第三類聽起來很有煽動(dòng)性，但卻最不合理。如果將來自物理對(duì)象的數(shù)據(jù)或是仿真反饋的數(shù)據(jù)稱為“橋梁”倒也無可厚非，但這兩類數(shù)據(jù)都不能稱為物理對(duì)象的Twin。
因此，相對(duì)而言還是第一類定義最為合理，即DT就是物理對(duì)象的一個(gè)數(shù)字化模型。只不過這個(gè)模型可以實(shí)時(shí)接收來自物理對(duì)象的數(shù)據(jù)，從而可以不斷演化以保持與物理對(duì)象的一致。當(dāng)然并不是說之前的模型不具備演化特性，只不過之前模型的演化并沒有強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性。
在關(guān)于DT的理解中，還有一個(gè)問題令人困擾，即一個(gè)DT是否應(yīng)該包含物理對(duì)象，即圖1中的①？這也使得很多人對(duì)于DT與信息物理系統(tǒng)的關(guān)系感到困惑。
造成這個(gè)問題的根源也來自NASA和美國空軍研究辦公室的相關(guān)文獻(xiàn)[12][13]，它們認(rèn)為DT概念由三個(gè)不同的部分組成：物理產(chǎn)品，數(shù)字/虛擬產(chǎn)品以及兩個(gè)產(chǎn)品之間的連接。即圖1中的①②③甚至⑤。
但顯然這樣的解釋存在邏輯上的問題。如果DT里面包含物理系統(tǒng)，那么這個(gè)Twin就沒有了參照物。因?yàn)門win一定是和另一個(gè)人（或物體）相對(duì)而言的。當(dāng)然如果將①和③合起來稱為Twins，即雙胞胎，倒還說得過去，但不能叫Digital Twins，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)是digital，另一個(gè)是physical。所以在DT概念里還是應(yīng)該把物理對(duì)象和數(shù)字模型這兩部分區(qū)分開來。
按照前面的分析，若將DT定義為物理對(duì)象的一個(gè)數(shù)字化模型，那么DT和信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System）之間的關(guān)系就很容易理清了，即數(shù)字模型、基于數(shù)字模型的各種活動(dòng)（仿真）、物理對(duì)象以及數(shù)字模型和物理對(duì)象之間的連接（數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果）形成一個(gè)信息物理系統(tǒng)，如圖2所示。
圖2 DT和信息物理系統(tǒng)之間的關(guān)系
另外，還有一個(gè)可能引起歧義問題，即DT中是否應(yīng)該包含從物理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，即圖1中的②？本人認(rèn)為，DT概念中不需要也不宜包含這類數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@里的模型是根據(jù)這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)演化的，所以數(shù)據(jù)的信息將在模型中得到體現(xiàn)。而且關(guān)于數(shù)據(jù)還有一個(gè)專門的技術(shù)，即Digital Thread技術(shù)，它可以用來處理和Digital Twin有關(guān)的數(shù)據(jù)問題。
再來看一下關(guān)于DT的中文翻譯問題。目前雖然數(shù)字孿生一詞用的較為普遍，但數(shù)字雙胞胎或數(shù)字化雙胞胎等稱謂仍然經(jīng)常被使用。
DT最早翻譯為數(shù)字化雙胞胎或數(shù)字雙胞胎。后來經(jīng)專家考證，改為數(shù)字孿生。大概的意思是說，雙胞胎是指兩個(gè)人，即雙胞胎兄弟或雙胞胎姐妹，對(duì)應(yīng)的英文單詞應(yīng)該是Twins，Twin則是指雙胞胎中的一個(gè)，所以應(yīng)該叫孿生。其實(shí)孿生這個(gè)詞在中文里也少見單獨(dú)使用，多數(shù)情況下和兄弟、姐妹連用，如孿生兄弟、孿生姐妹等。不過單從詞義的準(zhǔn)確性上講，用數(shù)字孿生對(duì)應(yīng)Digital Twin，確實(shí)比數(shù)字雙胞胎更合理些。
聯(lián)想前面提到的關(guān)于DT概念的各種解釋，將DT譯為數(shù)字孿生，也就意味著，默認(rèn)了DT是指模型這一事實(shí)，并且不包含物理系統(tǒng)。因?yàn)閷\生指的是雙胞胎中的一個(gè)，顯然不包含所對(duì)應(yīng)的物理系統(tǒng)本身。如果既包含模型部分又包含物理部分，那叫數(shù)字（化）雙胞胎應(yīng)該更合適些，雖然也不算嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)檎缜懊嫠f，物理系統(tǒng)不是數(shù)字的。
在中文文獻(xiàn)中，對(duì)DigitalTwin還有一種解讀，即將其解釋為一種建模的過程和方法，也稱為數(shù)字孿生技術(shù)，而利用這一技術(shù)所構(gòu)建的模型稱為數(shù)字孿生模型，或數(shù)字孿生體。這樣的解釋顯然和Digital Twin的基本含義無法對(duì)應(yīng)。
對(duì)DT概念認(rèn)識(shí)上的模糊不清，也是導(dǎo)致中文翻譯一直不能統(tǒng)一的一個(gè)重要原因。
綜上所述，筆者認(rèn)為，將DT翻譯為數(shù)字孿生更符合其本來的含義，對(duì)于數(shù)字孿生可以這樣理解：
數(shù)字孿生是物理對(duì)象的數(shù)字模型，該模型可以通過接收來自物理對(duì)象的數(shù)據(jù)而實(shí)時(shí)演化，從而與物理對(duì)象在全生命周期保持一致?；跀?shù)字孿生可進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、診斷、訓(xùn)練等（即仿真），并將仿真結(jié)果反饋給物理對(duì)象，從而幫助對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化和決策。物理對(duì)象、數(shù)字孿生以及基于數(shù)字孿生的仿真及反饋一起構(gòu)成一個(gè)信息物理系統(tǒng)(cyber physical systems)。面向數(shù)字孿生全生命周期（構(gòu)建、演化、評(píng)估、管理、使用）的技術(shù)可稱為數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin Technology）。
2、數(shù)字孿生背后的建模和仿真技術(shù)
作為學(xué)術(shù)研究，我們需要采用一個(gè)合理的且沒有歧義的概念，而不必糾結(jié)于NASA對(duì)于DT的解釋。但對(duì)于NASA所提到的NASA Digital Twin的真實(shí)目的卻不能忽視。事實(shí)上很多人對(duì)于DT的熱情和研究動(dòng)機(jī)就來自于NASA Digital Twin為制造業(yè)的未來帶來的無限憧憬。
雖然我們對(duì)NASA關(guān)于DT概念的解釋并不認(rèn)同，但換個(gè)角度想一想，NASA其實(shí)并沒有將DT當(dāng)作一個(gè)嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)術(shù)語來進(jìn)行定義。其真正想表達(dá)的意思，是強(qiáng)調(diào)仿真的價(jià)值，即NASA飛行器研制需要遵循“基于仿真的系統(tǒng)工程”這一理念。
仿真技術(shù)幾乎是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的誕生而產(chǎn)生的，自上世紀(jì)五十年代至今，已經(jīng)經(jīng)歷了六十多年的發(fā)展。由于仿真是以建立模型為基礎(chǔ)的，所以為了突出建模的重要性，建模和仿真常常一起出現(xiàn)，即Modeling&Simulation，常縮寫為M&S.
從下面的這段文字可以看出美國對(duì)建模和仿真的認(rèn)識(shí)所達(dá)到的高度。這段文字摘錄自美國國會(huì)于2007年7月16日通過的487號(hào)決議[14]。
美利堅(jiān)合眾國是一個(gè)偉大而繁榮的國家，而建模和仿真極大地促進(jìn)了這一偉大和繁榮。在美國，建模和仿真是計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)的獨(dú)特應(yīng)用，它基于模型或仿真的有效性、正確性和可重復(fù)性，以及成千上萬的美國人在建模和仿真事業(yè)中開發(fā)這些模型的能力；政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的建模和仿真領(lǐng)域的成員為美國的整體福利做出了突出的貢獻(xiàn)，下面的例子可以部分體現(xiàn)建模和仿真為美國做出的貢獻(xiàn)，盡管這些貢獻(xiàn)不勝枚舉：（1）曼哈頓計(jì)劃期間，通過最早復(fù)現(xiàn)核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程的仿真，拓展了對(duì)核裂變的理解，最終促成了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束；（2）作為“庫存管理計(jì)劃”的基本要素，使美國總統(tǒng)能夠在不進(jìn)行真實(shí)核試驗(yàn)的情況下，確保核武器庫存十年以上的安全性和可靠性，并展示了國家對(duì)核不擴(kuò)散的承諾。
僅從上面兩項(xiàng)貢獻(xiàn)，便可看出建模和仿真的巨大威力。而在這個(gè)決議中，這樣的案例共羅列了11條。在該決議中還明確提出，建模和仿真是“國家核心技術(shù)（NationalCritical Technology）”。
下面的內(nèi)容更加震撼。
1965年頒布的《高等教育法》是美國歷史上第一部高等教育立法,它通過擴(kuò)展聯(lián)邦政府在高等教育財(cái)政領(lǐng)域的角色，使聯(lián)邦政府介入美國高等教育的發(fā)展，為美國高等教育普及化奠定了基礎(chǔ)。該法在美國高等教育改革中具有里程碑的意義[15]。
而2018年12月修訂生效的新版高等教育法，專門將建模和仿真作為一項(xiàng)重要的內(nèi)容（20 U.S.Code§1161v-Modeling and simulation）列入其中[16]，并使用大量篇幅說明政府和社會(huì)應(yīng)如何推動(dòng)建模和仿真技術(shù)在大學(xué)教育中的普及。在整個(gè)法案中，還沒有見到任何其他的一項(xiàng)技術(shù)能夠享受如此高的待遇，即使近年來熱火朝天的人工智能技術(shù)，都沒有出現(xiàn)。
從這兩個(gè)文件可以看出，建模和仿真技術(shù)的基礎(chǔ)性和長遠(yuǎn)價(jià)值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其所在的技術(shù)領(lǐng)域范疇，將對(duì)國家利益和國家安全產(chǎn)生重大影響。
而在制造業(yè)，建模和仿真也一直發(fā)揮著不可替代的作用。2000年，由美國DARPA、商務(wù)部、能源部、NSF聯(lián)合發(fā)布了一項(xiàng)國家級(jí)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究及推廣計(jì)劃“集成制造技術(shù)路線圖(Integrated Manufacturing TechnologyRoadmapping－IMTR)”。IMTR提出了未來制造業(yè)面臨的6個(gè)“重大挑戰(zhàn)”，即成為精良、高效的企業(yè)，提高響應(yīng)客戶的企業(yè)，成為全面互聯(lián)的企業(yè)，保持環(huán)境可持續(xù)性，進(jìn)行知識(shí)管理，善于應(yīng)用新技術(shù)。不難看出，這六大挑戰(zhàn)放到今天也仍然成立。IMTR進(jìn)而提出了迎接這6大挑戰(zhàn)的4類技術(shù)對(duì)策，即面向制造的信息系統(tǒng)，建模和仿真技術(shù)，制造工藝與裝備，企業(yè)集成。由此可見建模和仿真技術(shù)對(duì)于制造業(yè)的重要性。
而在此報(bào)告發(fā)布之前的1997年，美國國防部對(duì)武器采辦進(jìn)行改革，最重要的改革就是提出“基于仿真的采辦”（SimulationBased Acquisition,SBA），即將建模和仿真應(yīng)用于武器從需求分析到最終報(bào)廢的全生命周期過程。而洛克希德馬丁公司的F35則是第一個(gè)全面引進(jìn)SBA概念而研制的產(chǎn)品。2017年11月，有報(bào)道稱，洛克希德馬丁公司將數(shù)字孿生列為未來國防和航天工業(yè)六大頂尖技術(shù)之首。洛瑪?shù)臄?shù)字孿生背后其實(shí)是SBA，即基于仿真的采辦，這和NASA的基于仿真的系統(tǒng)工程如出一轍。
建模和仿真技術(shù)六十多年前誕生于美國，而且一直都在為美國的國家利益發(fā)揮著不可估量的作用，但美國人從來不把建模和仿真拿出來炒作。其中的原因值得我們深思。
3、對(duì)數(shù)字孿生不宜過度演繹
數(shù)字孿生（digitaltwin）這個(gè)詞之所以能夠走紅，很大程度上得益于這個(gè)詞本身的傳播特性，它形象，上口，通俗易懂，即使行外人也能從字面上明白個(gè)大概，而且還能引發(fā)無限的想象。對(duì)于科普或商業(yè)推廣，確實(shí)是個(gè)好詞。但作為一個(gè)學(xué)術(shù)術(shù)語，它卻缺乏應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)性，至少到目前為止仍然如此。當(dāng)前有兩種傾向值得關(guān)注，一是在概念上把數(shù)字孿生的內(nèi)涵不斷放大，賦予越來越多的內(nèi)容，致使與其他概念交叉甚至重疊；二是在應(yīng)用上將傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用貼上數(shù)字孿生的標(biāo)簽。這兩種傾向?qū)?shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展都沒有好處。
正如前面所講，數(shù)字孿生背后是建模和仿真技術(shù)。數(shù)字孿生最誘人的地方，是數(shù)字模型和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，而這種結(jié)合的最終目的是為了將模型打磨得更加接近真實(shí)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為建模提供了一種新的強(qiáng)有力的手段，而且在對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)機(jī)理缺乏足夠認(rèn)識(shí)的情況下，還可基于所采集的數(shù)據(jù)利用人工智能技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模。這是對(duì)建模技術(shù)的發(fā)展和補(bǔ)充。而基于模型的分析、預(yù)測(cè)、訓(xùn)練等等活動(dòng)，本來就是仿真要做的事。所以數(shù)字孿生本質(zhì)上是新一代信息技術(shù)在建模和仿真中的應(yīng)用。
經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，建模和仿真已經(jīng)形成了一個(gè)相當(dāng)完善和系統(tǒng)的技術(shù)體系。事實(shí)上，在仿真領(lǐng)域，利用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和仿真的方法和技術(shù)已經(jīng)研究多年，如動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真（Dynamic Data Driven Simulations,DDDS），嵌入式仿真，硬件在回路的仿真等等。當(dāng)然，數(shù)字孿生作為仿真技術(shù)的重要內(nèi)容，通過與新一代信息技術(shù)的融合，將進(jìn)一步促進(jìn)建模和仿真技術(shù)的發(fā)展。
另外，建模和仿真技術(shù)體系中很多可以直接用于數(shù)字孿生的研究和應(yīng)用，包括理論、方法、標(biāo)準(zhǔn)、工具和平臺(tái)，而沒有必要在數(shù)字孿生的名義下重復(fù)開發(fā)。這也是NASA雖然提出2027年實(shí)現(xiàn)DigitalTwin的目標(biāo)，但后續(xù)并沒有就Digital Twin本身再建立新的技術(shù)體系的原因。因?yàn)樗枰募夹g(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、工具和平臺(tái)等，在其建模和仿真技術(shù)體系里大多都已經(jīng)存在了。換個(gè)標(biāo)簽，再搞一套類似的東西，既浪費(fèi)資源，又浪費(fèi)時(shí)間。
然而，上面提到的這些核心技術(shù)和產(chǎn)品恰恰是我國目前最缺乏的。但有意思的是，在國內(nèi)，對(duì)數(shù)字孿生的研究卻常常避重就輕，關(guān)注的多是些外圍的、非核心的東西，而且對(duì)其概念的熱情遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于提出這一概念的美國以及其他工業(yè)發(fā)達(dá)國家。我們大多數(shù)時(shí)間熱衷于概念的炒作，說的多、做的少，做虛事兒多，做實(shí)事兒少。其實(shí)尚且不知，我們一輪一輪的吶喊，都是在為他人助威。
對(duì)于嚴(yán)重缺乏核心技術(shù)支撐的我們，在熱詞不斷涌現(xiàn)的今天，應(yīng)該保持清醒的頭腦。埋頭研發(fā)卡脖子的關(guān)鍵技術(shù)才是硬道理。否則，我們既浪費(fèi)了資源，又浪費(fèi)了時(shí)間，最終失去的是發(fā)展的大好機(jī)遇和戰(zhàn)略主動(dòng)權(quán)。
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[15]殷超，試析1965年《美國高等教育法》，滄桑，2012年3月，74-79.
[16]HIGHEREDUCATION ACT OF 1965，As Amended Through P.L.115-334,Enacted December 20,2018.
