作為在數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域的愛好者，也觀察了眾多HTML5/Web化、2D/3D化的項目在工業(yè)界的落地的情況。借此機(jī)會談一談想法和探究歷程。
近年來，數(shù)字孿生（DigitalTwin）一詞迅速躥紅，成為一個炙手可熱的概念。但隨著工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對數(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。
一、“數(shù)字孿生“從哪里來？
起初我們抱著“數(shù)字孿生”這個詞是從哪里來的疑問？調(diào)查了文獻(xiàn)和百科等資料，調(diào)查結(jié)果是“數(shù)字孿生”概念的萌芽最早可以追溯到二十世紀(jì)六七十年代的美國航天“阿波羅”項目，NASA制造完全相同的兩個空間飛行器，一個用于執(zhí)行飛行任務(wù)，另一個留在地球上，被稱為“孿生體”，用于反映另一個飛行器的狀態(tài)。
數(shù)字孿生
此時的孿生體還停留在仿真階段。“孿生體”具備兩個顯著特征：孿生體與其所反映的實體在外表、內(nèi)容、性質(zhì)、性能等各方面完全相同；孿生體能夠真實完全地反映另一實體的運(yùn)行狀況。此時的孿生體側(cè)重“仿真”性能，其表現(xiàn)形式仍為物理實體。后來密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯教授在2003年提出“物理產(chǎn)品的數(shù)字表達(dá)”的觀念，并強(qiáng)調(diào)物理產(chǎn)品的數(shù)字表達(dá)應(yīng)能夠抽象的表現(xiàn)物理產(chǎn)品，能夠基于數(shù)字表達(dá)對物理產(chǎn)品進(jìn)行真實條件或模擬條件下的測試。這個觀念盡管在當(dāng)時沒有被稱作數(shù)字孿生，但它具有數(shù)字孿生的組成和功能，即“構(gòu)建物理實體的等價虛擬體”，虛擬體能夠?qū)ξ锢韺嶓w進(jìn)行仿真分析和測試，這個理論可以被看成是數(shù)字孿生在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)中的運(yùn)用。
盡管再后來的這些描述概念不斷變化，但其包含的組成要素與概念模型卻基本保持一致，都突破了原來孿生體的物理空間限制，組成要素有物理空間、數(shù)字虛擬空間與兩者之間的聯(lián)接三部分，概念模型即實體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及兩個空間之間的數(shù)據(jù)信息交互接口。
二、“數(shù)字孿生“究竟是什么？
搞清楚來源之后再來研究一下當(dāng)今社會對數(shù)字孿生的定義，現(xiàn)在由于各行各業(yè)都站在自己行業(yè)相關(guān)內(nèi)的角度來考慮“數(shù)字孿生”所以已經(jīng)賦予了數(shù)字孿生很多不同領(lǐng)域的定義。我這里列舉兩個我認(rèn)為最具普遍性和代表性的定義。
首先第一個定義也是最初誕生“數(shù)字孿生”定義的航空業(yè)，由中國航空制造技術(shù)組提出、“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目組審核、百度百科認(rèn)證的數(shù)字孿生定義：“數(shù)字孿生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，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)“。
第二個定義是美國和德國均提出了Cyber-Physical System（CPS）“信息-物理系統(tǒng)”中提到的關(guān)于他們對數(shù)字孿生的定義，首先簡要說明一下，CPS作為美國和德國先進(jìn)制造業(yè)的核心支撐技術(shù)，其目標(biāo)就是實現(xiàn)物理世界和信息世界的交互融合，他們對數(shù)字孿生的定義：“數(shù)字孿生是在信息世界對物理世界的等價映射，通過大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新一代信息技術(shù)在虛擬世界的仿真分析和預(yù)測，以最優(yōu)的結(jié)果驅(qū)動物理世界的運(yùn)行。”
所以我們認(rèn)為數(shù)字孿生具有將虛擬空間和物理實體緊密融合的特點(diǎn)。對于現(xiàn)在，在大數(shù)據(jù)、5G等技術(shù)的支撐下，在各種虛擬現(xiàn)實引擎層出不窮、GIS技術(shù)高度成熟、三維影像能夠更加快速生成的大環(huán)境下，數(shù)字孿生更容易落地；對于未來，物理世界中的各種事物都將可以使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行復(fù)制。
三、數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用分析
在《數(shù)字孿生體（Digital Twin）是誰提出的？》一文中，工業(yè)4.0研究院院長胡權(quán)詳細(xì)介紹了數(shù)字孿生體的歷史淵源，通過詳細(xì)的書面證據(jù)，指出美國空軍研究實驗室（AFRL，Air Force Research Laboratory）在2011年3月明確提出了數(shù)字孿生體這個概念（出于對戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行仿真的需求，美國空軍實驗室與NASA合作，首次提出飛行器的數(shù)字孿生體概念，“利用當(dāng)前可用物理模型、更新的傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等來反映與該模型對應(yīng)的飛行實體的狀態(tài)”）。隨之其后，數(shù)字孿生不僅在航空領(lǐng)域逐漸獲得了更多應(yīng)用，一般工業(yè)企業(yè)也開始采用數(shù)字孿生體這個概念，但同時它們也逐漸呈現(xiàn)了往左走還是往右走的選擇。
對于聲稱首先提出數(shù)字孿生體概念的Michael W.Grieves來講（事實上沒有任何證據(jù)），對物理設(shè)備進(jìn)行建模（3Dmax、CAD等）是其核心價值；美國空軍研究室實驗室應(yīng)用數(shù)字孿生體的目標(biāo)是為武器裝備提供運(yùn)行維護(hù)數(shù)字化，這是往右走的選擇。
德國HOMAG的數(shù)字孿生體應(yīng)用案例，就行業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生體的現(xiàn)狀來看，美國通用電氣（GE，General Electric）的選擇是往右走，而德國西門子（Siemens）的選擇是往左走。
國內(nèi)大部分工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，選擇的大都是往右走，包括工業(yè)4.0研究院下屬翼絡(luò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（重慶）有限公司，也主要選擇往右走的策略；一些高校背景的企業(yè)，或者從傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計外企出來創(chuàng)業(yè)的企業(yè)，大都接受了工信部政策的引導(dǎo)，選擇往左走的策略。
為什么有兩種迥然不同的選擇？如果我們從數(shù)字孿生體的技術(shù)特點(diǎn)來看。數(shù)字孿生體本質(zhì)上是對物理世界的數(shù)字映射，如果可以實現(xiàn)全保真映射，那么就能實現(xiàn)類似阿凡達(dá)一樣的效果。據(jù)工業(yè)4.0研究院觀察，就人類社會目前的數(shù)字化技術(shù)水平來講，未來100年以內(nèi)也很難實現(xiàn)阿凡達(dá)那樣的水平。但是，這不意味著我們不可以利用數(shù)字孿生體技術(shù)。雖然不能高保真的對物理世界進(jìn)行映射，但如果可以比目前簡單的關(guān)鍵傳感器部署方式更進(jìn)一步，就已經(jīng)能對傳統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)、交付和維護(hù)等過程產(chǎn)生巨大的影響。
德國大眾使用的PDM、PLM和BPM按照一些鼓吹利用數(shù)字孿生體技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）的企業(yè)說法來看，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化，當(dāng)然是好事情，不過投入必然不菲。工業(yè)4.0研究院發(fā)現(xiàn)，具有一定規(guī)模的企業(yè)，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM，Product Data Management）就不錯了，如果要實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理，大部分在短期內(nèi)是不經(jīng)濟(jì)的。
因此，往左走的數(shù)字孿生體選擇，除了一些不計成本和代價的行業(yè)（例如航天軍工），普通工業(yè)領(lǐng)域無需激進(jìn)推行，可以等候相關(guān)技術(shù)及解決方案的成熟之后再選擇。
對數(shù)字孿生體的態(tài)度，除了往左走，還有往右走的選擇，這個選擇就是在產(chǎn)品交付之后的維護(hù)過程，可以采用數(shù)字孿生體來實現(xiàn)。通過產(chǎn)品的數(shù)字化建模，針對運(yùn)維過程需要監(jiān)控的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析，能夠了解產(chǎn)品的健康情況，在可能出現(xiàn)故障之前發(fā)現(xiàn)問題，及時進(jìn)行修復(fù)。
美國通用電氣的數(shù)字孿生體應(yīng)用模型。就是所謂基于狀態(tài)的維護(hù)，有的也稱為預(yù)測性維護(hù)，對于通用電氣來講，它把這種業(yè)務(wù)發(fā)展為資產(chǎn)性能管理（APM，Assets Performance Management），從而形成一種智能服務(wù)。當(dāng)然，西門子在重點(diǎn)推產(chǎn)品生命周期管理業(yè)務(wù)，但對于資產(chǎn)性能管理也投入了不少精力開發(fā)和推廣。
毫無疑問，數(shù)字孿生體往右走的選擇，體現(xiàn)了輕資產(chǎn)的業(yè)務(wù)創(chuàng)新邏輯，更適合互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊介入，因為它較少涉及到復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場，同時，數(shù)字孿生體在產(chǎn)品使用過程中的創(chuàng)新空間，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)品設(shè)計過程體現(xiàn)的機(jī)會。
通過前面的分析，我們可以看到，數(shù)字孿生體的應(yīng)用場景層出不窮，但目前實用的典型場景主要有兩大類，一是往左走的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計，主要體現(xiàn)為產(chǎn)品生命周期管理解決方案，二是往右走的產(chǎn)品使用過程的數(shù)字化，主要服務(wù)模式是基于狀態(tài)的維護(hù)。
四、數(shù)字孿生的意義
1、更便捷，更適合創(chuàng)新
數(shù)字孿生通過設(shè)計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等各種數(shù)字化的技術(shù)手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，生成可拆解、可復(fù)制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像，這極大地加快了操作人員對物理實體的掌握，可以讓許多原先基于物理條件限制、必須依賴真實的物理實體而難以完成的操作，如模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發(fā)人們?nèi)ヌ綄ば碌耐緩絹韮?yōu)化設(shè)計、制造和服務(wù)。
2、更全面的分析和預(yù)測能力
目前的產(chǎn)品生命周期管理，極少可以實現(xiàn)精確的預(yù)測，因此通常難以對隱藏在表象下的問題提前進(jìn)行預(yù)判。而數(shù)字孿生可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析，實現(xiàn)對當(dāng)下狀態(tài)的評估、對以往發(fā)生問題的診斷，及其對未來發(fā)展趨勢的預(yù)測，并給予分析的結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。
3、經(jīng)驗的數(shù)字化
在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計、制造和服務(wù)領(lǐng)域，經(jīng)驗通常是一種模糊而難以把握的狀態(tài)，難以將其作為精確判決的依據(jù)。而數(shù)字孿生的一大關(guān)鍵性進(jìn)步，是可以通過數(shù)字化的技術(shù)手段，將原先無法保存的專家經(jīng)驗進(jìn)行數(shù)字化，并提供了保存、復(fù)制、修改和轉(zhuǎn)移的能力。比如說，針對大型設(shè)備運(yùn)作過程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其生成未來對設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行精確判決的依據(jù)，并可針對不同的形態(tài)的故障進(jìn)行特征庫的豐富和更新，最終生成自治化的智能化診斷和判決。
五、總結(jié)
數(shù)字孿生技術(shù)需要進(jìn)行全域感知、運(yùn)行監(jiān)測，并整合歷史積累數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，還要做到快速及時地輸出信息，首先是高度依賴傳感器所采集的數(shù)據(jù)和信息。其次軟件上，需要更加先進(jìn)的算法，各類軟件的整合，例如利用人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行更加快速的分析處理，進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。數(shù)字孿生可以為各行各業(yè)、未來生活帶來無限的可能。隨著其他技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生將有更多想象空間。
