毋庸置疑，數(shù)字孿生是當(dāng)今智能制造領(lǐng)域最熱的話題之一，Gartner自2016年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢。近期埃森哲對全球6,200多位業(yè)務(wù)和信息技術(shù)高層管理者進(jìn)行了調(diào)查，其中包括250名中國企業(yè)高管，有88%中國高管預(yù)計所在企業(yè)未來三年內(nèi)將加大數(shù)字孿生領(lǐng)域的投資力度。數(shù)字孿生已經(jīng)成為眾多企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要抓手。

但在這個過程中，有些企業(yè)過于追求外在“形似”，甚至做成了3D動畫的形式，筆者認(rèn)為，這種做法只是關(guān)注了數(shù)字孿生的表象和形式，忽視了其內(nèi)涵與本質(zhì)，沒有充分體現(xiàn)出數(shù)字孿生應(yīng)有的價值。

一、映射是表象，內(nèi)涵是仿真

彭慧研究員曾發(fā)表了《數(shù)字孿生的前世今生》一文，作者認(rèn)為是誰最早提出數(shù)字孿生概念存在爭議，有些人認(rèn)為是密歇根大學(xué) Michael Grieves教授2002年提出，也有些人認(rèn)為是NASA(美國宇航局)最先提出。本文對此不做定論，但這兩個流派對數(shù)字孿生的認(rèn)知很有代表性。‘’

1.Grieves教授強調(diào)了映射

2002年，Michael Grieves教授首次提出了PLM以及現(xiàn)實空間、虛擬空間等概念，該概念模型具備了數(shù)字孿生的基本要素，Michael Grieves在后來的著作中稱之為信息鏡像模型(Mirrored Spaces Model)，并在2011年的書中引入了術(shù)語“數(shù)字孿生”。Michael Grieves 教授是站在IT視角，認(rèn)為數(shù)字孿生是通過虛擬空間與現(xiàn)實空間中的通訊與信息交換，在虛擬空間實現(xiàn)對物理空間的映射/鏡像。

圖1 Michael Grieves PLM概念模型

2.NASA聚焦于仿真

NASA于2010年提出了數(shù)字孿生概念，并定義為：“一個數(shù)字孿生，是一種集成化了的多種物理量、多種空間尺度的運載工具或系統(tǒng)的仿真，該仿真使用了當(dāng)前最為有效的物理模型、傳感器數(shù)據(jù)的更新、飛行的歷史等等，來鏡像出其對應(yīng)的飛行當(dāng)中孿生對象的生存狀態(tài)。”

在當(dāng)時NASA阿波羅計劃中，數(shù)字孿生最初的目的就是在地面仿真太空中的狀況進(jìn)行訓(xùn)練使用，并在后面演進(jìn)到以計算機等技術(shù)在虛擬空間實現(xiàn)對物理空間的仿真。從出可以看出，NASA是站在業(yè)務(wù)應(yīng)用的視角，重點聚焦于仿真，仿真是NASA數(shù)字孿生的主線和主要目的。

綜上可以得出這樣的結(jié)論：映射是數(shù)字孿生的基本特征，仿真是數(shù)字孿生的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用。

二、重新定義數(shù)字孿生

1.不能局限于映射和仿真

筆者認(rèn)為如果將數(shù)字孿生僅僅定位于虛實兩個空間的映射與仿真，就沒有充分體現(xiàn)出數(shù)字孿生的本質(zhì)，是智能制造的初級階段。

圖2 德國國家工程院工業(yè)4.0成熟度六階段

在2017年4月25日德國國家工程院發(fā)布的《工業(yè)4.0成熟度指數(shù)：管理企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型》中，將工業(yè)4.0成熟度劃分為六個階段，分別為計算機化、連通性、可見性、透明性、預(yù)測性、適應(yīng)性。從這個劃分中，映射、仿真基本是處于可視化與透明化階段，離預(yù)測性和自適應(yīng)性尚有距離。顯然，被寄予厚望的數(shù)字孿生不應(yīng)止步于此。

2.從三體智能視角看數(shù)字孿生

在筆者合著的《三體智能革命》一書中，作者群體以東方文化視角，創(chuàng)造性地提出了物理實體、意識人體和數(shù)字虛體，以及三體聯(lián)接、三體融合的智能演化路徑，該模型也可以對數(shù)字孿生進(jìn)行很好的解讀。

圖3 三體智能模型

從三體智能模型視角看，數(shù)字孿生是在數(shù)字虛體崛起的大背景下，以近乎無所不在的傳感，無所不在的數(shù)據(jù)，無所不在的網(wǎng)絡(luò)，無所不能的算力，無所不能的算法，無所不能的智能，基于意識人體的創(chuàng)想(創(chuàng)意和想法)，通過數(shù)字虛體，解決意識人體不愿、不善、不能的問題，充分發(fā)揮與實現(xiàn)意識人體獨特的創(chuàng)想能力，在物理實體世界，優(yōu)化產(chǎn)品性能及研發(fā)/制造/服務(wù)過程，以獲得更高的效率、更優(yōu)的質(zhì)量與更好的用戶體驗，根本目的是提升企業(yè)競爭力。

圖4 從三體智能視角看數(shù)字孿生

上圖以航空發(fā)動機為例。首先是在人的大腦中進(jìn)行構(gòu)思，然后在計算機中通過CAD/CAE/CAM/PLM/ERP/MES等信息化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)計、分析、加工和管理，經(jīng)過迭代優(yōu)化，在物理空間通過機床加工成型，最終裝配與調(diào)試成所需產(chǎn)品。

在這個過程中，最初的創(chuàng)想來自意識人體，最重要的過程是在數(shù)字虛體中孕育與發(fā)生，經(jīng)過反復(fù)仿真和優(yōu)化，最后以物理實體的形式體現(xiàn)最終價值。

因此，數(shù)字孿生價值不僅僅在于虛實兩個空間的映射，也不僅僅是通過仿真實現(xiàn)對物理實體的模擬，更重要的是在數(shù)字虛體中對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造過程、管理流程等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，以最優(yōu)決策驅(qū)動物理實體產(chǎn)生。“形(外觀)象”是數(shù)字孿生的外在特征，“神(機理)象”是數(shù)字孿生的內(nèi)在邏輯，而產(chǎn)生“形象”、“神象”的優(yōu)化迭代是數(shù)字孿生的價值根本。如果一套系統(tǒng)只是一味強調(diào)或只能做到“形象”，而沒有通過在數(shù)字虛體中對物理實體/業(yè)務(wù)流程進(jìn)行優(yōu)化，其價值是有限的，不是一套真正意義上的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

基于以上分析，筆者將數(shù)字孿生總結(jié)為以下幾句話：

源于意識人體，孕于數(shù)字虛體，生于物理實體。

形式是映射，內(nèi)涵是仿真，本質(zhì)是優(yōu)化。

無優(yōu)化，不孿生。

注：此處的仿真不僅僅是指通過CAE等工具軟件進(jìn)行物理實體形態(tài)的仿真，還包括PLM/ERP/MES等對研發(fā)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的過程仿真。

3.重新定義數(shù)字孿生

經(jīng)過研究與思考，筆者認(rèn)為當(dāng)前國外常見的幾種數(shù)字孿生定義并不理想，需要進(jìn)行進(jìn)一步完善與提升。

德勤對數(shù)字孿生的定義為：“數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進(jìn)行動態(tài)呈現(xiàn)。”很遺憾，德勤僅僅強調(diào)了動態(tài)呈現(xiàn)，即映射，并未涉及仿真，更體現(xiàn)沒有優(yōu)化的成分。

埃森哲認(rèn)為“數(shù)字孿生是指物理產(chǎn)品在虛擬空間中的數(shù)字模型，包含了從產(chǎn)品構(gòu)思到產(chǎn)品退市全生命周期的產(chǎn)品信息。”本定義中僅僅是突出了對產(chǎn)品信息進(jìn)行管理，PLM的特征非常明顯，但沒有看到仿真與優(yōu)化的影子。

密歇根大學(xué)的定義：“數(shù)字孿生是基于傳感器所建立的某一物理實體的數(shù)字化模型，可模擬顯示世界中的具體事物。”也基本局限于仿真層面。

美國國防采辦大學(xué)是致力于為美國國防部專業(yè)人員提供培訓(xùn)和持續(xù)學(xué)習(xí)課程的機構(gòu)，對數(shù)字孿生的定義體現(xiàn)了自身專業(yè)特點：“數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(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。”這是當(dāng)前被業(yè)界廣為認(rèn)可的定義，但也僅僅是強調(diào)了仿真與映射，并沒有體現(xiàn)優(yōu)化，且稍顯學(xué)術(shù)化，工業(yè)企業(yè)很難從本定義領(lǐng)會到在實際工作中如何應(yīng)用數(shù)字孿生，并且本定義只局限于“實體裝備”，生產(chǎn)管理流程等業(yè)務(wù)被排除在外。

2020年4月，筆者與走向智能研究院執(zhí)行院長趙敏老師發(fā)表了《數(shù)字孿生、賽博物理系統(tǒng)、智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之辨析》一文，對數(shù)字孿生進(jìn)行了定義：“數(shù)字孿生主要是在賽博空間對物理實體與業(yè)務(wù)流程等現(xiàn)實對象進(jìn)行映射、仿真、優(yōu)化和數(shù)據(jù)支持等數(shù)字形態(tài)傳承類的活動，重在數(shù)字體驗，以期最大幅度地通過優(yōu)化數(shù)字孿生體而提升物理世界的材料、時間、能量、人力等作業(yè)效率與質(zhì)量。”本定義除了強調(diào)映射、仿真、優(yōu)化和數(shù)字體驗等價值體現(xiàn)，還涵蓋了物理實體、業(yè)務(wù)流程等相對完整的優(yōu)化對象，重點提出了優(yōu)化物理世界的材料、時間、能量、人力等要素的作業(yè)效率與完成質(zhì)量，筆者認(rèn)為相比以上的定義該定義更為完善，對工業(yè)企業(yè)也有更強的指導(dǎo)意義。

三、數(shù)字孿生六階落地模型

基于以上思想，結(jié)合蘭光創(chuàng)新二十年數(shù)字化車間實踐經(jīng)驗，筆者提出“數(shù)字孿生六階落地模型”，即以降本提質(zhì)增效為中心，充分發(fā)揮數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等數(shù)字虛體技術(shù)優(yōu)勢，對企業(yè)中的人機料法環(huán)等各環(huán)節(jié)，通過“泛在連接、實時映射、精準(zhǔn)仿真、動態(tài)優(yōu)化、科學(xué)決策與數(shù)字體驗”，優(yōu)化數(shù)字孿生體而最大程度地提升物理世界的材料、時間、能量、人力等作業(yè)效率與質(zhì)量。

圖5 數(shù)字孿生六階落地模型

1.泛在連接

對研發(fā)過程而言，泛在連接就是通過在數(shù)字虛體中的建模等活動，在意識人體、數(shù)字虛體、物理實體之間進(jìn)行建立關(guān)聯(lián)與數(shù)據(jù)交換;在生產(chǎn)、管理及售后運維等環(huán)節(jié)就是將人機料法環(huán)等要素通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)互聯(lián)互通。

2.實時映射

通過數(shù)據(jù)采集等手段實現(xiàn)物理實體與數(shù)字虛體之間的雙向數(shù)據(jù)流動與呈現(xiàn)，實現(xiàn)物理實體與數(shù)字虛體兩個空間甚至三個空間(意識人體)中對象的相互映射。

3.精準(zhǔn)仿真

通過建立在機理模型基礎(chǔ)上數(shù)字虛體的動態(tài)變化，實現(xiàn)數(shù)字虛體對物理實體(包括業(yè)務(wù)流程等)在形(如CAD/CAE/CAM等，對設(shè)計、分析、加工等環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真)、態(tài)(如運動、流程運轉(zhuǎn)等)等多維度的仿真，預(yù)演或?qū)崟r展現(xiàn)物理世界的活動。

4.動態(tài)優(yōu)化

基于機理模型、工業(yè)知識以及物理實體狀態(tài)的實時反饋，在意識人體參與下通過數(shù)字虛體(如CAD/CAE/CAD/PLM/ERP/MES等工業(yè)軟件)對物理實體的形、態(tài)及業(yè)務(wù)流程等進(jìn)行迭代優(yōu)化。

5.科學(xué)決策

基于時間、空間、效率、性能、成本等約束條件，數(shù)字虛體在強大的軟件算法支撐下，從成千上萬種方案中找出最優(yōu)方案，指導(dǎo)或者直接驅(qū)動物理實體或業(yè)務(wù)流程的進(jìn)一步優(yōu)化并實現(xiàn)最優(yōu)的形與態(tài)。

6.數(shù)字體驗

數(shù)字孿生的一大特點就是數(shù)字虛體對物理實體的映射、仿真和展現(xiàn)。一套好的數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅僅是完成對物理實體、業(yè)務(wù)流程的仿真與優(yōu)化，還必須具有良好的數(shù)字化展現(xiàn)形式。除了以數(shù)字、表格、圖形進(jìn)行實時、透明化展現(xiàn)以外，如果有更為逼真的3D等展現(xiàn)形式，將給人以更好的數(shù)字體驗，有助于人們對物理實體進(jìn)行更直觀、高效、科學(xué)的洞察和管理。

當(dāng)然，由于工業(yè)的復(fù)雜性與存在的不確定性，數(shù)字孿生也是一個不斷迭代映射、仿真、優(yōu)化的過程，但最終的目的是為了對產(chǎn)品或者流程的優(yōu)化。

四、結(jié)語

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字虛體具有了越來越強大的功能，可以更高效、高質(zhì)、低成本地完成物理實體與業(yè)務(wù)流程的建模、仿真、優(yōu)化、展現(xiàn)等活動，是工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向和重要使能技術(shù)。

但數(shù)字孿生是近些年出現(xiàn)的一個新概念，其內(nèi)涵隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等技術(shù)的發(fā)展以及人們的認(rèn)知與實踐，在不斷地提升與深化，我們不能固守于國外一些機構(gòu)的現(xiàn)有定義，更不能將數(shù)字孿生局限于3D可視化這種外在形式的應(yīng)用。映射只是數(shù)字孿生的基本特征，仿真也僅僅是其基本內(nèi)涵，數(shù)字孿生的本質(zhì)及價值在于對物理實體、業(yè)務(wù)流程等的優(yōu)化，最終幫助人們以更高的效率、更低的成本、更優(yōu)的質(zhì)量、更人性化的數(shù)字體驗，構(gòu)建企業(yè)高效、高質(zhì)、低成本、綠色的研發(fā)、生產(chǎn)、管理、營銷及服務(wù)體系，提升企業(yè)競爭力。