導(dǎo)語(yǔ)
數(shù)字孿生是一個(gè)對(duì)物理實(shí)體或流程的實(shí)時(shí)數(shù)字化鏡像，以數(shù)據(jù)為線索實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的全周期集成與管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的信息物理系統(tǒng)雙向互控及混合智能決策，人工智能貫穿于整個(gè)系統(tǒng)。
數(shù)字孿生至少包含六個(gè)維度：系統(tǒng)仿真與多模型驅(qū)動(dòng)（SM），數(shù)據(jù)線索與數(shù)據(jù)全周期（DT），知識(shí)模型與知識(shí)體系（KM），CPS雙向自主控制（AC），混合智能決策（ID），全局人工智能（AI）。數(shù)字孿生內(nèi)涵可基于六維度表達(dá)，數(shù)字孿生=。
正 文
1 數(shù)字孿生起源與發(fā)展
數(shù)字孿生(Digital Twin)的概念最早由密西根大學(xué)的Michael Grieves博士于2002年在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出（最初的名稱(chēng)叫“Conceptual Idealfor PLM”），至今有差不多有15年多的歷史。當(dāng)時(shí)的概念稱(chēng)為“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”，定義為一個(gè)或一組特定裝置的數(shù)字復(fù)制品，能夠抽象表達(dá)真實(shí)裝置并能夠以此為基礎(chǔ)進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測(cè)試。這一概念在2003—2005年被稱(chēng)為“鏡像的空間模型(Mirrored Spaced Model)”，2006—2010年被稱(chēng)為“信息鏡像模型(Information Mirroring Model)”，可以看到其具有物理空間、虛擬空間以及兩者之間的關(guān)聯(lián)或接口這三個(gè)重要組成要素，是數(shù)字孿生概念的雛形。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF，National Science Foundation）的Helen Gill在2006年創(chuàng)造了信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）概念，德國(guó)于2011年利用該概念提出了工業(yè)4.0（Industrie4.0）；美國(guó)Michael Grieves號(hào)稱(chēng)在2003年創(chuàng)造了數(shù)字孿生體（Digital Twin）概念，德國(guó)西門(mén)子在2016年就開(kāi)始嘗試?yán)脭?shù)字孿生體來(lái)完善工業(yè)4.0應(yīng)用。美國(guó)國(guó)防部最早提出將Digital Twin技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障。首先在數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型，并通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過(guò)往載荷，及時(shí)分析評(píng)估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。NASA將數(shù)字孿生的理念應(yīng)用在阿波羅計(jì)劃中，開(kāi)發(fā)了兩種相同的太空飛行器，以反映地球上太空的狀況，進(jìn)行訓(xùn)練和飛行準(zhǔn)備。
在當(dāng)前的概念內(nèi)涵下，數(shù)字孿生作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)并集成多學(xué)科的技術(shù)，其面向產(chǎn)品全生命周期過(guò)程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，從而提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)。目前，國(guó)防、工業(yè)、城市等領(lǐng)域都紛紛提出了對(duì)數(shù)字孿生的理解，并著手開(kāi)發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)。但直到目前為止，從全球范圍看，數(shù)字孿生并未誕生被普遍認(rèn)可的確切定義，數(shù)字孿生理論、技術(shù)、應(yīng)用總體上處于起步階段。
2 數(shù)字孿生在工業(yè)制造領(lǐng)域
數(shù)字孿生源自工業(yè)制造領(lǐng)域，從2014年開(kāi)始，西門(mén)子、達(dá)索、PTC、ESI、ANSYS等知名工業(yè)軟件公司，都在市場(chǎng)宣傳中使用“Digital Twin”術(shù)語(yǔ)，并陸續(xù)在技術(shù)構(gòu)建、概念內(nèi)涵上做了很多深入研究和拓展。
數(shù)字孿生在工業(yè)制造領(lǐng)域的內(nèi)涵與作用可總結(jié)如下：
（1）工藝流程仿真：數(shù)字孿生形象地稱(chēng)之為“數(shù)字化雙胞胎”，是智能工廠的虛實(shí)互聯(lián)技術(shù)，從構(gòu)想、設(shè)計(jì)、測(cè)試、仿真、生產(chǎn)線、廠房規(guī)劃等環(huán)節(jié)，可以虛擬和判斷出生產(chǎn)或規(guī)劃中所有的工藝流程，以及可能出現(xiàn)的矛盾、缺陷、不匹配，所有情況都可以用這種方式進(jìn)行事先的仿真，縮短大量方案設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試時(shí)間，加快交付周期。
（2）三維數(shù)字模型：數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將帶有三維數(shù)字模型的信息可以被拓展到整個(gè)生命周期中去，最終實(shí)現(xiàn)虛擬與物理數(shù)據(jù)同步和一致。
（3）人工智能融合：數(shù)字孿生集成了人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)等技術(shù)，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起，建立模擬，即物理對(duì)象的虛擬映射。在問(wèn)題發(fā)生之前先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，監(jiān)控在虛擬模型西門(mén)子數(shù)字孿生體應(yīng)用模型。
西門(mén)子數(shù)字孿生體應(yīng)用模型
3 六維度數(shù)字孿生
數(shù)字孿生是一個(gè)對(duì)物理實(shí)體或流程的實(shí)時(shí)數(shù)字化鏡像，以數(shù)據(jù)為線索實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的全周期集成與管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的信息物理系統(tǒng)雙向互控及混合智能決策，人工智能貫穿于整個(gè)系統(tǒng)。
數(shù)字孿生至少包含六個(gè)維度：系統(tǒng)仿真與多模型驅(qū)動(dòng)（SM），數(shù)據(jù)線索與數(shù)據(jù)全周期（DT），知識(shí)模型與知識(shí)體系（KM），CPS雙向自主控制（AC），混合智能決策（ID），全局人工智能（AI）。
數(shù)字孿生內(nèi)涵可基于六維度表達(dá)，數(shù)字孿生=。
①系統(tǒng)仿真與多模型驅(qū)動(dòng)（SM）
②數(shù)據(jù)線索與數(shù)據(jù)全周期（DT）
③知識(shí)模型與知識(shí)體系（KM）
④CPS雙向自主控制（AC）
⑤混合智能決策（ID）
⑥全局人工智能（AI）
物理對(duì)象的變化，診斷基于人工智能的多維數(shù)據(jù)復(fù)雜處理與異常分析，并預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，合理有效地規(guī)劃或?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。
（4）智慧建造：數(shù)字孿生，也用來(lái)指廠房及產(chǎn)線在沒(méi)有建造之前就完成數(shù)字化模型，從而在虛擬的賽博空間中對(duì)工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)。而工房和產(chǎn)線建成之后，在日常運(yùn)維中二者繼續(xù)進(jìn)行信息交互。
西門(mén)子應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。2017年底，西門(mén)子正式發(fā)布了完整的數(shù)字孿生體應(yīng)用模型。
3.1系統(tǒng)仿真與多模型驅(qū)動(dòng)
數(shù)字孿生與計(jì)算機(jī)輔助（CAX）軟件（尤其是廣義仿真軟件）關(guān)系十分密切。在工業(yè)界，人們用軟件來(lái)模仿和增強(qiáng)人的行為方式。人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展成熟后，以下模仿行為出現(xiàn)：
用CAD軟件模仿產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與外觀
CAE軟件模仿產(chǎn)品在各種物理場(chǎng)情況下的力學(xué)性能
CAM軟件模仿零部件和夾具在加工過(guò)程中的刀軌情況
CAPP軟件模仿工藝過(guò)程
CAT軟件模仿產(chǎn)品的測(cè)量/測(cè)試過(guò)程
OA軟件模仿行政事務(wù)的管理過(guò)程
MES軟件模仿車(chē)間生產(chǎn)的管理過(guò)程
SCM軟件模仿企業(yè)的供應(yīng)鏈管理
CRM軟件模仿企業(yè)的銷(xiāo)售管理過(guò)程
MRO軟件模仿產(chǎn)品的維修過(guò)程管理
BIM軟件模擬建筑構(gòu)件及建筑工程管理
……
可以說(shuō)，建模與仿真以及多類(lèi)型模型驅(qū)動(dòng)是數(shù)字孿生首當(dāng)其中的核心要義。
波音F-15C飛機(jī)的多個(gè)數(shù)字孿生模型
3.2 數(shù)據(jù)線索與數(shù)據(jù)全周期（DT）
數(shù)字線索是數(shù)字孿生的核心技術(shù)。美空軍認(rèn)為，系統(tǒng)工程將在基于模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步經(jīng)歷數(shù)字線索變革。數(shù)字線索是基于模型的系統(tǒng)工程分析框架。數(shù)字線索的特點(diǎn)是“全部元素建模定義、全部數(shù)據(jù)采集分析、全部決策仿真評(píng)估”，能夠量化并減少系統(tǒng)壽命周期中的各種不確定性，實(shí)現(xiàn)需求的自動(dòng)跟蹤、設(shè)計(jì)的快速迭代、生產(chǎn)的穩(wěn)定控制和維護(hù)的實(shí)時(shí)管理。數(shù)字線索將變革傳統(tǒng)產(chǎn)品和系統(tǒng)研制模式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和系統(tǒng)全生命周期管理。數(shù)字線索的應(yīng)用，將大大提高基于模型系統(tǒng)工程的實(shí)施水平，實(shí)現(xiàn)“建造前運(yùn)行”，顛覆傳統(tǒng)“設(shè)計(jì)－制造－試驗(yàn)”模式，在數(shù)字空間中高效完成大部分分析試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)向“設(shè)計(jì)－虛擬綜合－數(shù)字制造－物理制造”的新模式轉(zhuǎn)變?；跀?shù)字線索和數(shù)字孿生可構(gòu)建智能應(yīng)用場(chǎng)景，典型的如：故障診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)等。
3.3 知識(shí)模型與知識(shí)體系（KM）
知識(shí)驅(qū)動(dòng)是數(shù)字孿生系統(tǒng)的典型特征之一，知識(shí)工程是數(shù)字孿生工程中必不可少的一環(huán)。借助知識(shí)圖譜、人工智能、大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，可建立通用知識(shí)體系和行業(yè)知識(shí)體系。知識(shí)體系能夠有效吸納、融合行業(yè)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)，將行業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、人、機(jī)器、專(zhuān)家等的智慧充分融合在一起，使定性的知識(shí)在信息系統(tǒng)中發(fā)揮更大價(jià)值?；谒槠闹R(shí)，可構(gòu)建系統(tǒng)化的知識(shí)體系。知識(shí)體系作為“核心驅(qū)動(dòng)力”應(yīng)具有自我學(xué)習(xí)、自我完善、自我進(jìn)化能力，通過(guò)持續(xù)豐富和完善系統(tǒng)運(yùn)行的一般規(guī)律，找到問(wèn)題相關(guān)聯(lián)的要素，以及要素間的相互影響關(guān)系。
AI知識(shí)圖譜
3.4 CPS雙向自主控制（AC）
數(shù)字孿生的本質(zhì)是通過(guò)建模仿真，實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)與賽博系統(tǒng)的相互控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛實(shí)一體互動(dòng)和智慧決策支持。數(shù)字孿生的一個(gè)重要貢獻(xiàn)是實(shí)現(xiàn)了物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋（逆向工程思維）。
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的CPS雙向控制
3.5 混合智能決策（ID）
第三代人工智能的目標(biāo)是要真正模擬人類(lèi)的智能行為，人類(lèi)智能行為的主要表現(xiàn)是隨機(jī)應(yīng)變、舉一反三。為了做到這一點(diǎn)，我們必須充分地利用知識(shí)、數(shù)據(jù)、算法和算力，把四個(gè)因素充分利用起來(lái)，這樣才能夠解決不完全信息、不確定性環(huán)境和動(dòng)態(tài)變化環(huán)境下面的問(wèn)題，才能達(dá)到真正的人工智能。（張鈸院士）
高度融合人工智能與人類(lèi)智慧的混合智能決策是數(shù)字孿生的一個(gè)重要特征。這也凸顯了數(shù)字孿生與第三代人工智能的高度吻合性。
3.6 全局人工智能（AI）
制造業(yè)本身已經(jīng)擴(kuò)展到了全生命周期，包括產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、加工制造、管理、營(yíng)銷(xiāo)、售后服務(wù)、報(bào)廢處理等環(huán)節(jié)。AI融入產(chǎn)品全命周期當(dāng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)，采用AI任何一種具體技術(shù)，橫向提升制造業(yè)。AI融入制造業(yè)/城市/…的任何一個(gè)層級(jí)，采用AI任何一種具體技術(shù)，縱向提升產(chǎn)業(yè)和城市。AI無(wú)處不在的融合時(shí)數(shù)字孿生的一個(gè)重要特征。
4 以系統(tǒng)思維持續(xù)探索數(shù)字孿生
黨的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書(shū)記在推進(jìn)政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、科學(xué)、文化等方面的思維和決策，表現(xiàn)出系統(tǒng)思維方法的科學(xué)性與系統(tǒng)性。主要體現(xiàn)在：注重用系統(tǒng)思維方法來(lái)推進(jìn)黨和國(guó)家治理體系的變革。注重系統(tǒng)的整體性和要素與要素的協(xié)同性。注重系統(tǒng)的開(kāi)放性與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。注重系統(tǒng)的重點(diǎn)突破與整體推進(jìn)。注重解決非平衡問(wèn)題，推進(jìn)系統(tǒng)走向動(dòng)態(tài)平衡。在系統(tǒng)思維的啟發(fā)與指導(dǎo)下，數(shù)字孿生仍需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用持之以恒的探索，以使其發(fā)揮更大作用，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供通用智能基礎(chǔ)設(shè)施。
