數(shù)字孿生已成為今年最炙手可熱的概念。這一概念的最大優(yōu)點是具體直觀，易于理解。望文生義也好，顧名思義也罷，說者言語一出，聽者便猜出大概。與此有關(guān)的文章鋪天蓋地，講座也層出不窮，但大多數(shù)要么停留在溯源和概念層面，要么談論某個具體案例，缺乏系統(tǒng)的理論框架。很多案例是把早已存在的案例穿了數(shù)字孿生馬甲出來蹭蹭熱度。即使是套用數(shù)字孿生概念的新案例，對數(shù)字孿生的理解也似是而非。涉及到具體技術(shù)的時候，要么比較單一，要么多而零散，缺乏嚴密遞進的邏輯。本文作者安世亞太高級副總裁、數(shù)字孿生體實驗室主任田鋒，希望在系統(tǒng)性和理論性方面前進一步，從體系框架和核心技術(shù)方面做初步厘清，從更完整全面的視角觀察數(shù)字孿生體系的全貌，以期能對業(yè)界做一些微薄貢獻。
安世亞太高級副總裁、數(shù)字孿生體實驗室主任田鋒認為，數(shù)字孿生體是個具有社會性的生命體，其產(chǎn)生、進化和社會性，都符合生物進化和社會發(fā)展規(guī)律。
一、孿生溯源
當前業(yè)界對數(shù)字孿生體起源的普遍認定是2003年Michael Grieves博士所提。筆者對此沒有異議，只是數(shù)字孿生體實驗室在數(shù)字孿生體系研究中發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成數(shù)字孿生體的關(guān)鍵技術(shù)遠早于2003年。本實驗室將這個時點前推至1960年代——CAD技術(shù)出現(xiàn)的時點，因為數(shù)字孿生體的第一個重要“器官”是“數(shù)字建模”，基于計算機圖形學的CAD技術(shù)便是該器官的核心技術(shù)。
數(shù)字孿生體的技術(shù)起源和概念提出的時點都很早，但為什么這兩年才突然興起。數(shù)字孿生體實驗室認為，數(shù)字孿生體的第二個器官——物聯(lián)網(wǎng)的成熟起到了重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)的中國國家標準的提出時間是2016年，國際標準是2018年，這兩個標準的提出意味著物聯(lián)網(wǎng)進入了成熟和工程應用階段。而且，即將推出的數(shù)字孿生體標準也是在物聯(lián)網(wǎng)標準基礎(chǔ)上演變出來的，昭示著這兩個體系的緊密關(guān)聯(lián)性。物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)字孿生體的第二級成熟度(成熟度概念參見后文)的核心技術(shù)，是數(shù)字孿生體入門級或門檻級技術(shù)。沒有物聯(lián)網(wǎng)，數(shù)字孿生體連起步都很難，不用說進化了。2016年是數(shù)字孿生體的提速時點，2018年正是數(shù)字孿生體的爆發(fā)時點。
二、體系框架
數(shù)字孿生體實驗室的研究選擇了國際公認的高起點——國際標準化組織(ISO)的相關(guān)標準ISO_DIS_23247(目前為公示期，年底最終發(fā)布)。該標準提出了數(shù)字孿生制造的參考架構(gòu)。由于標準尚未最終發(fā)布，此處不便引用其架構(gòu)圖。該參考架構(gòu)雖然不是最終版本，但其所包含的要素全面，邏輯合理，符合我們所研究的結(jié)論。但該標準顯然是從物聯(lián)網(wǎng)國際標準ISO/IEC30141基礎(chǔ)上的演變，具體本實驗室認為對于具體應用來說過于抽象，所以我們在《數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書(2019)》中對這個框架做了術(shù)語上的修訂和釋義，我們下面所提的理論框架是從這個架構(gòu)出發(fā)而設計的。
在《數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書(2019)》中，我們給出了數(shù)字孿生體的定義：數(shù)字孿生體是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺嶓w對象的數(shù)字模型，通過實測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態(tài)，通過性能和狀態(tài)優(yōu)化和指令發(fā)送來調(diào)控物理實體對象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關(guān)方在物理實體對象生命周期內(nèi)的決策。
本定義既承接了國際標準參考架構(gòu)，也是我們設計理論架構(gòu)的基礎(chǔ)。下圖是我們提出的理論架構(gòu)，本架構(gòu)可以指導數(shù)字孿生體的建設與實施。
(來源：數(shù)字孿生體實驗室，安世亞太)
本圖上部是數(shù)字孿生體系框架，下部是物理對象的示意。物理對象在此圖中用于表達數(shù)字孿生世界與物理世界的關(guān)系，不是數(shù)字孿生體框架的要素。數(shù)字孿生體系架構(gòu)包含以下要素：數(shù)字建模、測量與控制、模擬仿真、數(shù)據(jù)分析、數(shù)字資產(chǎn)和人機交互。這些要素使得數(shù)字孿生體呈現(xiàn)出一種生命體甚至社會性特征，下文對此展開說明。
三、數(shù)字建模
“數(shù)字建模”是物理對象的數(shù)字化表達，這個過程需要將物理對象表達為計算機所能識別的數(shù)字模型，在軟件中建立物理對象的結(jié)構(gòu)元素和時空關(guān)系，不深入涉及物理機理和運行數(shù)據(jù)，就像我們給正在雕塑的人體打造一個軀體。這也當然是數(shù)字孿生體的基本要素，畢竟既然稱為 “體”，那這樣一個基本的、直觀的軀體是必須的。
我們通常使用三維實體來建立物理對象的結(jié)構(gòu)形狀和位置關(guān)系，用系統(tǒng)(一維)建模工具來描述物理對象的行為模式。建模工具通常包括譬如CAD、3D動畫、BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)、CIM(CityInformation Modeling，城市信息模型)或基于SysML(系統(tǒng)建模語言)的系統(tǒng)建模工具。建立的模型可以是設備、廠房、人群、運輸系統(tǒng)、交通、電網(wǎng)、城市、軍事戰(zhàn)場、戰(zhàn)斗群體系等。
我們把這個過程稱為“數(shù)化”，提供了數(shù)字孿生體的“軀體”。不過這樣的軀體是一個沒有神經(jīng)、沒有思想、與世界隔離、無生命的軀體。
四、測量與控制
“測量與控制”用來實現(xiàn)數(shù)字體與物理對象之間實時互傳信息和數(shù)據(jù)。數(shù)字化模型利用測量系統(tǒng)，通過傳感器獲得物理對象的狀態(tài)數(shù)據(jù)：尺寸、速度、溫度、光潔度等，利用控制系統(tǒng)，通過致動器向物理對象發(fā)送致動指令：停止、加速、調(diào)節(jié)角度等，這就像我們給數(shù)字孿生體安裝一套神經(jīng)系統(tǒng)。人類的神經(jīng)系統(tǒng)有兩種，一種是感覺神經(jīng)，就像這里的測量系統(tǒng)，另一種是運動神經(jīng)，就像這里的控制系統(tǒng)。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)是測量與控制要素的主要技術(shù)，不僅能提供對物理世界的感知，還能對物理世界傳遞信息，從而驅(qū)動物理世界。
我們把這個過程稱為“互動”，提供了數(shù)字孿生體的“神經(jīng)”。神經(jīng)系統(tǒng)的存在，讓數(shù)字孿生體具有了初步的生命特征，可以感知和驅(qū)動物理世界。但由于缺乏思考能力，目前的數(shù)字孿生體還是個“傀儡”或“僵尸”孿生體。
五、模擬仿真
模擬仿真是基于完整信息和明確機理計算未來，將“數(shù)化”過程建立的模型與物理機理相結(jié)合，包括材料性質(zhì)、理論規(guī)律、工程規(guī)律等，根據(jù)完整和實時的邊界條件和物理狀態(tài)，來計算和預測數(shù)字模型的下一步狀態(tài)。這種仿真不是對一個階段或一種現(xiàn)象的仿真，應是全周期和全領(lǐng)域的動態(tài)仿真。實時邊界條件和物理對象狀態(tài)是被完整測量，可作為物理規(guī)律的完備輸入條件。模擬仿真的輸出結(jié)果必須具有確定化和無二義性的特征。“實時”二字依賴于“互動”過程的測量系統(tǒng)來保證。
此處所說的仿真是廣義仿真，那些具有明確物理機理的計算過程都屬于廣義仿真，包括物理(如流動、力學、化學等)原理確定并被實踐驗證，往往被作為成熟理論來使用，包含公理、定理、公式、數(shù)值計算、工程算法、經(jīng)驗公式等。模擬仿真采用的工具包括算法程序、各類CAE工具，譬如物理場仿真、人群仿真、交通仿真、物流仿真、組織仿真等。
通常來說，CAE有兩種類型：物理場仿真和系統(tǒng)仿真。物理場仿真的計算規(guī)模大、時間長，通常無法滿足數(shù)字孿生體與物理對象實時交互的需要;系統(tǒng)仿真則具有速度快的優(yōu)勢，通?？梢赃_到實時交互要求。因此，在數(shù)字孿生實踐中，往往需要把物理仿真過程進行降階(ROM)，抽取物理仿真的某些特性和參數(shù)，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)仿真模型來參與計算。
我們把模擬仿真過程稱為“先知”，該過程提供了數(shù)字孿生體的“左腦”。人類的左腦專事邏輯推理和理性判斷，只要具有明確規(guī)律和邏輯，不管多復雜，總是可以通過推理獲得明確的結(jié)論，提前知道數(shù)字孿生體和物理對象將會發(fā)生什么。此時的數(shù)字孿生體就是一個有頭腦、會思考的智能孿生體，開始具有明顯的生命特征，特別是人類的理性思維特征。
六、數(shù)據(jù)分析
數(shù)據(jù)分析過程是基于不完整信息和不明確機理來推測未來。我們的世界中，大多數(shù)現(xiàn)象的物理規(guī)律并不明確，大多數(shù)情況無法獲得完備的邊界條件和物理狀態(tài)，但我們?nèi)匀徊坏貌粚ξ磥碜龀鲱A測，哪怕是在模糊的判斷，仍然好于毫無判斷。如果要求數(shù)字孿生體越來越智能和智慧，就不應局限于人類對物理世界的確定性知識。其實人類本身就不是完全依賴確定性知識而領(lǐng)悟世界的。
大數(shù)據(jù)和人工智能(AI)技術(shù)是數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)通過“互動”過程收集的數(shù)據(jù)以及“先知”過程輸出的數(shù)據(jù)，利用相關(guān)性分析建立物理世界的近似模型，依據(jù)當前邊界條件和物理狀態(tài)進行下一步狀態(tài)的預測，并且對近似模型逐步優(yōu)化。當前邊界條件和物理對象狀態(tài)是被不完整測量的，但也只能作為近似模型的不完備輸入條件，輸出的結(jié)果當然距離物理世界的真實情況有一定偏差。但隨著機器學習的持續(xù)，算法和模型逐步改善，近似模型會越來越逼近物理機理，預測結(jié)果也會逼近物理世界。也正是因為這個原因，業(yè)界有人將大數(shù)據(jù)(及AI)視為科學研究的“第四范式”，科研方法從傳統(tǒng)的三種方法——理論、實驗、計算拓展到第四種方法——大數(shù)據(jù)(及AI)。
我們把這個過程稱為“先覺”，提供了數(shù)字孿生體的“右腦”。人類的右腦專事感性思維，利用直覺和第六感來獲得對世界的判斷和預測。當然這里指的直覺那種優(yōu)秀的直覺，而非普通人的直覺。優(yōu)秀的直覺源于對豐富經(jīng)歷和有效經(jīng)驗的高度總結(jié)，還需要經(jīng)常性的深度思考和遠期瞭望。我們的社會中確有一類具有這種優(yōu)秀和敏銳直覺的人，是他們引導著你的企業(yè)、機構(gòu)甚至人類的發(fā)展方向。
七、數(shù)字資產(chǎn)
數(shù)字孿生體作為一種數(shù)字資產(chǎn)，其中的數(shù)據(jù)就像生命體的基因。它的積累、管理、追溯和共享既是其存在的基本特征，又是其進步的必要手段。數(shù)字資產(chǎn)通過傳承、協(xié)同和進化，向歷史學習，向他人學習，從而實現(xiàn)持續(xù)成長。人類之所以進步，是因為我們的祖先通過將他們的思想和成果用文字的方式流了下來，使得我們可以傳承祖先的智力資產(chǎn)，可以向老子問道，向孔子習理，向牛頓求知，向亞里士多德討教。
數(shù)字線程和云計算是進行數(shù)字資產(chǎn)處理的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字線程將物理對象的全生命周期的各數(shù)字孿生體之間的數(shù)據(jù)資產(chǎn)進行傳遞和追溯，從而實現(xiàn)優(yōu)秀基因遺傳。云計算則將不同物理對象的數(shù)字孿生體之間實現(xiàn)共享和協(xié)同，從而實現(xiàn)平庸基因進化。
我們把這個過程稱為“共智”，使數(shù)字孿生體出現(xiàn)“社會性”特征。同一物理對象在生命周期的不同階段有不同的數(shù)字孿生體，數(shù)字資產(chǎn)記錄了數(shù)字孿生體整個生命周期中的全息數(shù)據(jù)，并反映這些數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生體整個生命周期中的演變路線，但相同對象的孿生數(shù)據(jù)必須關(guān)聯(lián)和傳承。物理世界的多樣性決定了其對應的數(shù)字孿生體的多樣性，世界的普遍聯(lián)系決定了數(shù)字孿生體的普遍聯(lián)系。人與人之間具有聯(lián)系構(gòu)成了人的社會，數(shù)字孿生體之間的聯(lián)系構(gòu)成了數(shù)字社會。
“共智”實現(xiàn)了不同數(shù)字孿生體之間的智慧交換和共享，多個數(shù)字孿生單體可以通過“共智”形成更大和更高層次的數(shù)字孿生體，這個數(shù)量和層次可以是無限的?！栋⒎策_》電影中的潘多拉星球是個物與物天然共智的世界，也許是人類科技所限，地球的各物件之間是否能天然共智尚不得而知，但通過數(shù)字孿生體，我們可以實現(xiàn)地球上物理世界的共智。
八、人機交互
人機交互是人類與數(shù)字模型打交道的直觀可視化界面。這里可以展示數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)，了解數(shù)字孿生體的狀態(tài)，也可以操作和干預數(shù)字孿生體，同時實現(xiàn)對物理對象的干預。
數(shù)據(jù)的可視化展示技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)是人機交互的兩個重要技術(shù)。數(shù)據(jù)的可視化展示技術(shù)將數(shù)據(jù)和信息輸出為高清、直觀、可視化的、可交互的圖形圖像，通過對數(shù)據(jù)的操作可以實現(xiàn)與數(shù)字孿生體乃至物理對象的操縱。虛擬現(xiàn)實(包括VR、AR和MR)提供的深度沉浸技術(shù)讓人類與數(shù)字世界交互模式可以與物理世界類似。
我們把這種特性稱為“五官”。對人類來說，五官是人們相互認識、了解和溝通的界面，通過望聞問切基本可以了解人的身體狀況，通過眼神和語言的交流可以了解人的精神狀況。而數(shù)字孿生體的人機交互所提供的能力則超越了人體五官所能提供的功能。虛擬現(xiàn)實技術(shù)使數(shù)字化的世界在感官和操作體驗上更加接近物理世界，讓“孿生”一詞變得更為精妙。但在數(shù)字世界中，人類又具有超人般的特異功能，可以無限駕馭數(shù)字世界，例如變換大小、穿墻而過、隔空取物、時空穿越等，將數(shù)字孿生體的應用推向極致。
在物理世界，有一種讓社會系統(tǒng)或(和)技術(shù)系統(tǒng)(譬如機器、工廠、物流、城市、戰(zhàn)場)充分發(fā)揮作用和價值的高效方式——應用系統(tǒng)，譬如ERP、PLM、MES、SCM、MRO等系統(tǒng)。這種高效方式在數(shù)字孿生體世界仍然可以采納，但鑒于人在數(shù)字孿生體世界無所不能的自由特性，使得這個世界的類似系統(tǒng)可能不需要像物理世界那樣割裂，也許會合并一個系統(tǒng)。
《黑客帝國(Mtrix)》電影為我們展開了一個奇特的應用系統(tǒng)，可以認為該系統(tǒng)整合了所有我國熟知的應用系統(tǒng)。人類與這個世界打交道的方式是：人的意識通過網(wǎng)絡進入系統(tǒng)，與其中的各種數(shù)字孿生體進行交互。
九、生命特征
通過以上分析，我們認為，數(shù)字孿生體是一個具有思維能力、可持續(xù)進化的生命體。
當然，物理對象也具有天然的生命特征，但這種生命具有的特點如下：本能、直覺、條件反射、既定式、預設化、確定性、機械性、個體化。
數(shù)字孿生體的生命特征則有更多發(fā)展空間，使其可以進化到更加接近智慧生物：靈性、精神、思考、理性、推理、創(chuàng)造性、變通性、不確定性、生物性、社會性。
(來源：數(shù)字孿生體實驗室，安世亞太)
十、孕育與服役
數(shù)字孿生體是物理對象的數(shù)字化表達和虛擬鏡像，這種物理對象可能是設備、產(chǎn)線、車間、工廠、企業(yè)、人群、城市、戰(zhàn)場、物流、交通、電網(wǎng)、營銷、流程等。這些對象都有研發(fā)、制造、供應、運維等過程。這幾個不同過程，因為物理對象的成熟度不同，導致數(shù)字孿生體的適用性也不同。
1.孕育
物理對象的研發(fā)與制造是數(shù)字孿生體的孕育過程，其本質(zhì)是通過前置數(shù)字體提前優(yōu)化未來物理對象，不是終極產(chǎn)品的孿生體，最多是試驗對象的孿生體，是終極產(chǎn)品孿生體的前身或原型。從數(shù)字孿生體的成熟度要素來看，研發(fā)和制造階段的“數(shù)字孿生體”有完整的數(shù)化和非實時先知能力，缺乏互動、先覺能力，具有可以與前代產(chǎn)品的數(shù)字孿生體共智獲得優(yōu)化設計的能力，但無法在真實運行環(huán)境中與其他數(shù)字孿生體實時共智。前置數(shù)字體往往不能作為未來運維過程的數(shù)字孿生體，但可以為運維數(shù)字孿生體的建立提供指導，也可以為物理世界的傳感器配置提供指導。
2.服役
供應與運維過程中，物理對象已經(jīng)完全具備，其數(shù)字孿生體也可以完整建造，具備所有要素和特性，并可以實現(xiàn)交互、先知、先覺乃至共智，實現(xiàn)自我進化，可以通過數(shù)字孿生體實時優(yōu)化物理對象的運行。此時的數(shù)字孿生體是個全職服役的孿生體，因此，物理對象的供應和運維過程才是數(shù)字孿生體的主戰(zhàn)場。
十一、成熟度
綜上所述，基于數(shù)字孿生體的生命特征和進化規(guī)律，我們可以把數(shù)字孿生體的成熟度劃分為：數(shù)化、互動、先知、先覺和共智。
(來源：數(shù)字孿生體實驗室，安世亞太)
各級別關(guān)鍵特征、核心技術(shù)和生命特征總結(jié)如下：
總之，數(shù)字孿生體系的成熟度模型反映了生物進化、個體成長以及社會發(fā)展規(guī)律。數(shù)字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實時信息，更要反過來實時驅(qū)動物理世界，而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體，最終形成可以互相共享智慧的數(shù)字孿生體社會。
十二、關(guān)鍵技術(shù)
根據(jù)數(shù)字孿生體的生命體系結(jié)構(gòu)和成熟度模型，數(shù)字孿生體的第一層關(guān)鍵技術(shù)包括建模、仿真、物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)(及AI)、云計算，第二層關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字線程、虛擬現(xiàn)實(VR/AR/MR)、MBSE、區(qū)塊鏈等。
除了以上基本關(guān)鍵技術(shù)，不同領(lǐng)域或場景(譬如制造、產(chǎn)業(yè)、城市或戰(zhàn)場)的數(shù)字孿生體，還有不同的技術(shù)。
十三、總結(jié)
生命體是在“物競天擇，適者生存”法則之下經(jīng)過長期進化而來的系統(tǒng)，在完備性方面往往高于人造系統(tǒng)，在經(jīng)濟性方面優(yōu)于人造系統(tǒng)。因此，用生命體作為一個人造系統(tǒng)的終極發(fā)展目標是一個合理的選擇。
進化法則讓所有生物都不會停留在簡單體，而是會越來越復雜，也會越來越精密。在數(shù)字化時代，人們身邊不停出現(xiàn)各種新型數(shù)字化技術(shù)，紛繁復雜，你方唱罷我登場，讓人迷失在眾多概念和技術(shù)中無法自拔。數(shù)字孿生體系的出現(xiàn)將終結(jié)這一迷亂困局。其實，從數(shù)字孿生生命體進化角度來看，這種現(xiàn)象很正常，也很好理解。任何新的或者舊的數(shù)字化技術(shù)都是構(gòu)成數(shù)字孿生體的一個構(gòu)件，且是階段性的。今后，不論出現(xiàn)何種數(shù)字化單項技術(shù)，都應該是數(shù)字孿生體這個生命體的一個器官甚至是細胞。我們需要做的事情是，將這些新出現(xiàn)的單項技術(shù)安放在數(shù)字孿生體生命框架的正確位置，不僅能讓這些技術(shù)更好地為我們服務，也可解決我們的困惑，讓我們平靜地與這些技術(shù)和諧相處。
當然，任何一種單項技術(shù)都會向著自成體系的方向努力發(fā)展，所以，數(shù)字孿生體所需的通常不會是某個單項技術(shù)體系的全部，應該是其核心要素。當前，數(shù)字孿生體作為新生事物，或者說是新近開始工程化應用的事物，對當前構(gòu)成這個生命體的各個器官的整合方式肯定是設備級的集成。但隨著我們對它的認識越來越深入，這些器官的融合肯定會走向原子級別，只取用這些器官中對數(shù)字孿生體有用的部分而舍棄其他部分。這些有用部分之間的結(jié)合不會像現(xiàn)在這樣通過宏觀接口來實現(xiàn)，而是通過微觀茸毛來融合，使得數(shù)字孿生體的整體性和生命力都要更強!
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