來源：北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 數(shù)字孿生研究組
本文對以下十個問題進行了深入分析與思考，以期拋磚引玉，為研究者更好理解數(shù)字孿生，為決策者理性和正確對待數(shù)字孿生，為實踐者更好落地應(yīng)用數(shù)字孿生提供參考。
① 何為數(shù)字孿生？
② 誰在關(guān)注數(shù)字孿生？
③ 數(shù)字孿生：中、美、德，誰更熱？
④ 數(shù)字孿生與智能制造的關(guān)系是什么？
⑤ 數(shù)字孿生能否與新一代信息技術(shù)（New IT）融合？
⑥ 數(shù)字孿生是否存在科學(xué)問題？
⑦ 數(shù)字孿生何用？
⑧ 數(shù)字孿生適用準(zhǔn)則是什么？
⑨ 數(shù)字孿生是否需要標(biāo)準(zhǔn)？
⑩ 數(shù)字孿生是否需要商業(yè)化工具/平臺？
當(dāng)前越來越多的學(xué)者和企業(yè)關(guān)注數(shù)字孿生并開展研究與實踐，但從不同的角度出發(fā)，對數(shù)字孿生的理解存在著不同的認(rèn)識。
一類觀點認(rèn)為數(shù)字孿生是三維模型、是物理實體的 copy或是虛擬樣機。這些認(rèn)識從模型需求與功能的角度，重點關(guān)注了數(shù)字孿生的模型維度。Grieves教授曾在美國密歇根大學(xué)產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）課程中提出了與數(shù)字孿生相關(guān)的概念，因而有一種觀點認(rèn)為數(shù)字孿生就是PLM。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動力，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)不僅包括貫穿產(chǎn)品全生命周期的全要素/全流程/全業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，還強調(diào)數(shù)據(jù)的融合，如信息物理虛實融合、多源異構(gòu)融合等。一類觀點認(rèn)為數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)平臺或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，這些觀點側(cè)重從物理世界到虛擬世界的感知接入、可靠傳輸、智能服務(wù)。從滿足信息物理全面連接映射與實時交互的角度和需求出發(fā)，理想的數(shù)字孿生不僅要支持跨接口、跨協(xié)議、跨平臺的互聯(lián)互通，還強調(diào)數(shù)字孿生不同維度間的雙向連接、雙向交互、雙向驅(qū)動，且強調(diào)實時性，從而形成信息物理閉環(huán)系統(tǒng)。一類觀點認(rèn)為數(shù)字孿生是仿真，是虛擬驗證，或是可視化，這類認(rèn)識主要是從功能需求的角度，對數(shù)字孿生可支持的部分功能/服務(wù)進行了解讀。目前，數(shù)字孿生已在不同行業(yè)不同領(lǐng)域得到應(yīng)用，基于模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動，數(shù)字孿生不僅在仿真、虛擬驗證和可視化等方面體現(xiàn)其應(yīng)用價值，還可針對不同的對象和需求，提供相應(yīng)的功能與服務(wù)。一類觀點認(rèn)為數(shù)字孿生僅是物理實體的數(shù)字化表達或虛體，其概念范疇不包括物理實體。實踐與應(yīng)用表明，物理實體對象是數(shù)字孿生的重要組成部分，數(shù)字孿生的模型、數(shù)據(jù)、功能/服務(wù)與物理實體對象是密不可分的。數(shù)字孿生模型因物理實體對象而異、數(shù)據(jù)因物理實體特征而異、功能/服務(wù)因物理實體需求而異。此外，信息物理交互是數(shù)字孿生區(qū)別于其他概念的重要特征之一，若數(shù)字孿生概念范疇不包括物理實體，則交互缺乏對象。綜上所述，當(dāng)前對數(shù)字孿生存在多種不同認(rèn)識和理解，目前尚未形成統(tǒng)一共識的定義，但物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接、服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素。當(dāng)前全球50多個國家、1000多個研究機構(gòu)、上千名專家學(xué)者開展了數(shù)字孿生的相關(guān)研究并有研究成果發(fā)表。包括：
-
德國、美國、中國、英國、瑞典、意大利、韓國、法國、俄羅斯等科技相對發(fā)達的國家；
-
德國亞琛工業(yè)大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、瑞典皇家理工學(xué)院、清華大學(xué)等各國一流大學(xué)；
-
西門子、PTC、德國戴姆勒、ABB、GE、達索、空客等國際著名一流企業(yè)；
-
美國NASA、美國空軍研究實驗室、法國國家科學(xué)研究中心、俄羅斯科學(xué)院等世界頂尖國家級研究機構(gòu)；
-
具有智能制造、航空航天、醫(yī)療健康、城市管理等各研究背景的專家學(xué)者。
數(shù)字孿生應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)前數(shù)字孿生已得到了十多個行業(yè)關(guān)注并開展了應(yīng)用實踐。除在制造領(lǐng)域被關(guān)注和應(yīng)用外，近年來數(shù)字孿生還被應(yīng)用于電力、醫(yī)療健康、城市管理、鐵路運輸、環(huán)境保護、汽車、船舶、建筑等領(lǐng)域，并展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前數(shù)字孿生在國內(nèi)非常熱，各相關(guān)會議幾乎都有數(shù)字孿生的交流和報道，導(dǎo)致存在數(shù)字孿生在中國關(guān)注多，而國際上關(guān)注少的感覺。如圖所示，德國、美國和中國在數(shù)字孿生論文發(fā)表數(shù)量上，近3年均處于前三名。從時間維度分析，中、美、德3國數(shù)字孿生研究可以分為以下3個階段：數(shù)字孿生的概念誕生于美國，美國也是最早開展數(shù)字孿生研究與應(yīng)用的國家，2011-2016年美國單年論文發(fā)表總數(shù)位居第一，2016年以前累計發(fā)表總數(shù)位居世界第一。截止到2019年12月31日，美國累計發(fā)表數(shù)字孿生文章總數(shù)位居世界第二。工業(yè)4.0是一個發(fā)展方向或戰(zhàn)略，德國提出工業(yè)4.0后，一直在論證和尋求能讓工業(yè)4.0落地的使能技術(shù)。數(shù)字孿生相對其他概念更易落地工程實施，正好契合德國工業(yè)4.0需求。工業(yè)4.0主要提出單位之一——德國弗勞恩霍夫研究院的Sauer指出數(shù)字孿生是工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)。與美國、德國相比，數(shù)字孿生在中國的研究和受關(guān)注相對較晚。隨著工信部“智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用”和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程”專項，科技部“網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造與智能工廠”等國家層面的專項實施，有力促進了數(shù)字孿生的發(fā)展。各方因素促使了數(shù)字孿生在中國的快速發(fā)展，使2019年中國單年發(fā)表的數(shù)字孿生文章總量高達108篇位居世界第二。截止到2019年12月31日，中國累計發(fā)表數(shù)字孿生文章總數(shù)位居世界第三。其中，2019年《計算機集成制造系統(tǒng)》上發(fā)表的數(shù)字孿生30篇，對數(shù)字孿生研究與發(fā)展起到了重要作用。④ 數(shù)字孿生與智能制造的關(guān)系是？數(shù)字孿生是實現(xiàn)信息物理融合的有效手段。一方面，數(shù)字孿生能夠支持制造的物理世界與信息世界之間的虛實映射與雙向交互，從而形成“數(shù)據(jù)感知-實時分析-智能決策-精準(zhǔn)執(zhí)行”實時智能閉環(huán)；另一方面，數(shù)字孿生能夠?qū)⑦\行狀態(tài)、環(huán)境變化、突發(fā)擾動等物理實況數(shù)據(jù)與仿真預(yù)測、統(tǒng)計分析、領(lǐng)域知識等信息空間數(shù)據(jù)進行全面交互與深度融合，從而增強制造的物理世界與信息世界的同步性與一致性。如圖所示，從數(shù)字孿生五維模型的角度出發(fā)，New IT對數(shù)字孿生的實現(xiàn)和落地應(yīng)用起到重要的支撐作用，具體分析如下。數(shù)字孿生五維模型與New IT的關(guān)系
數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)
對物理世界的全面感知是實現(xiàn)數(shù)字孿生的重要基礎(chǔ)和前提，物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別、二維碼、傳感器等數(shù)據(jù)采集方式為物理世界的整體感知提供了技術(shù)支持。實現(xiàn)可視化與虛實融合是使虛擬模型真實呈現(xiàn)物理實體以及增強物理實體功能的關(guān)鍵。VR/AR/MR技術(shù)為此提供支持：VR技術(shù)利用計算機圖形學(xué)、細節(jié)渲染、動態(tài)環(huán)境建模等實現(xiàn)虛擬模型對物理實體屬性、行為、規(guī)則等方面層次細節(jié)的可視化動態(tài)逼真顯示；AR與MR技術(shù)利用實時數(shù)據(jù)采集，場景捕捉，實時跟蹤及注冊等實現(xiàn)虛擬模型與物理實體在時空上的同步與融合，通過虛擬模型補充增強物理實體在檢測、驗證及引導(dǎo)等方面的功能。邊緣計算技術(shù)可將部分從物理世界采集到的數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進行實時過濾、規(guī)約與處理，從而實現(xiàn)了用戶本地的即時決策、快速響應(yīng)與及時執(zhí)行。結(jié)合云計算技術(shù)，復(fù)雜的孿生數(shù)據(jù)可被傳送到云端進行進一步的處理，從而實現(xiàn)了針對不同需求的云-邊數(shù)據(jù)協(xié)同處理，進而提高數(shù)據(jù)處理效率、減少云端數(shù)據(jù)負(fù)荷、降低數(shù)據(jù)傳輸時延，為數(shù)字孿生的實時性提供保障。數(shù)字孿生的規(guī)模彈性很大，單元級數(shù)字孿生可能在本地服務(wù)器即可滿足計算與運行需求，而系統(tǒng)級和復(fù)雜系統(tǒng)級數(shù)字孿生則需要更大的計算與存儲能力。云計算按需使用與分布式共享的模式可使數(shù)字孿生使用龐大的云計算資源與數(shù)據(jù)中心，從而動態(tài)地滿足數(shù)字孿生的不同計算、存儲與運行需求。虛擬模型的精準(zhǔn)映射與物理實體的快速反饋控制是實現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵。虛擬模型的精準(zhǔn)程度、物理實體的快速反饋控制能力、海量物理設(shè)備的互聯(lián)對數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)傳輸容量、傳輸速率、傳輸響應(yīng)時間提出了更高的要求。
5G通信技術(shù)具有高速率、大容量、低時延、高可靠的特點，能夠契合數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)傳輸要求，滿足虛擬模型與物理實體的海量數(shù)據(jù)低延遲傳輸、大量設(shè)備的互通互聯(lián)，從而更好的推進數(shù)字孿生的應(yīng)用落地。數(shù)字孿生中的孿生數(shù)據(jù)集成了物理感知數(shù)據(jù)、模型生成數(shù)據(jù)、虛實融合數(shù)據(jù)等高速產(chǎn)生的多來源、多種類、多結(jié)構(gòu)的全要素/全業(yè)務(wù)/全流程的海量數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)能夠從數(shù)字孿生高速產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中提取更多有價值的信息，以解釋和預(yù)測現(xiàn)實事件的結(jié)果和過程。區(qū)塊鏈可對數(shù)字孿生的安全性提供可靠保證，可確保孿生數(shù)據(jù)不可篡改、全程留痕、可跟蹤、可追溯等。獨立性、不可變和安全性的區(qū)塊鏈技術(shù)，可防止數(shù)字孿生被篡改而出現(xiàn)錯誤和偏差，以保持?jǐn)?shù)字孿生的安全，從而鼓勵更好的創(chuàng)新。此外，通過區(qū)塊鏈建立起的信任機制可以確保服務(wù)交易的安全，從而讓用戶安心使用數(shù)字孿生提供的各種服務(wù)。數(shù)字孿生憑借其準(zhǔn)確、可靠、高保真的虛擬模型，多源、海量、可信的孿生數(shù)據(jù)，以及實時動態(tài)的虛實交互為用戶提供了仿真模擬、診斷預(yù)測、可視監(jiān)控、優(yōu)化控制等應(yīng)用服務(wù)。AI通過智能匹配最佳算法，可在無需數(shù)據(jù)專家的參與下，自動執(zhí)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、分析、融合對孿生數(shù)據(jù)進行深度知識挖掘，從而生成各類型服務(wù)。數(shù)字孿生有了AI的加持，可大幅提升數(shù)據(jù)的價值以及各項服務(wù)的響應(yīng)能力和服務(wù)準(zhǔn)確性。綜上所述，數(shù)字孿生的實現(xiàn)和落地應(yīng)用離不開New IT的支持，只有與New IT的深度融合數(shù)字孿生才能實現(xiàn)物理實體的真實全面感知、多維多尺度模型的精準(zhǔn)構(gòu)建、全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的深度融合、智能化/人性化/個性化服務(wù)的按需使用以及全面/動態(tài)/實時的交互。⑥ 數(shù)字孿生是否存在科學(xué)問題？數(shù)字孿生在制造和相關(guān)領(lǐng)域的實踐應(yīng)用過程中，存在著系列科學(xué)問題和難點。圍繞數(shù)字孿生五維模型：如何實現(xiàn)多源異構(gòu)物理實體的智能感知與互聯(lián)互通，實時獲取物理實體對象多維度數(shù)據(jù)，從而深入認(rèn)識和發(fā)掘相關(guān)規(guī)律和現(xiàn)象，實現(xiàn)物理實體的可靠控制與精準(zhǔn)執(zhí)行；
-
如何構(gòu)建動態(tài)多維多時空尺度高保真模型？
-
如何保證和驗證模型與物理實體的一致性/真實性/有效性/可靠性？
-
如何實現(xiàn)多源多學(xué)科多維模型的組裝與集成等？
-
如何實現(xiàn)海量大數(shù)據(jù)和異常小數(shù)據(jù)的變頻采集？
-
如何實現(xiàn)全要素/全業(yè)務(wù)/全流程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效傳輸？
-
如何實現(xiàn)信息物理數(shù)據(jù)的深度融合與綜合處理？
-
如何實現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)與物理實體、虛擬模型、服務(wù)/應(yīng)用的精準(zhǔn)映射與實時交互等？
-
如何實現(xiàn)跨協(xié)議/跨接口/跨平臺的實時交互？
-
如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)-模型-應(yīng)用的迭代交互與動態(tài)演化等？
如何基于多維模型和孿生數(shù)據(jù)，提供滿足不同領(lǐng)域/層次用戶/業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的服務(wù)，并實現(xiàn)服務(wù)按需使用的增值增效等？上述科學(xué)問題是當(dāng)前數(shù)字孿生研究與落地應(yīng)用亟待解決的系列難題。此外，在數(shù)字孿生商業(yè)化過程中，如商業(yè)化平臺和工具研發(fā)，商業(yè)模式推廣應(yīng)用等方面，也存在一些難題有待研究和解決。數(shù)字孿生以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構(gòu)建了與物理世界一致的高保真模型，能夠模擬對象在物理世界中的行為，監(jiān)控物理世界的變化，反映物理世界的運行狀況，評估物理世界的狀態(tài)，診斷發(fā)生的問題，預(yù)測未來趨勢，乃至優(yōu)化和改變物理世界。數(shù)字孿生能夠突破許多物理條件的限制，通過數(shù)據(jù)和模型雙驅(qū)動的仿真、預(yù)測、監(jiān)控、優(yōu)化和控制，實現(xiàn)服務(wù)的持續(xù)創(chuàng)新、需求的即時響應(yīng)和產(chǎn)業(yè)的升級優(yōu)化。數(shù)字孿生正在成為提高質(zhì)量、增加效率、降低成本、減少損失、保障安全、節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)，同時數(shù)字孿生應(yīng)用場景正逐步延伸拓展到更多和更寬廣的領(lǐng)域。數(shù)字孿生具體功能、應(yīng)用場景及作用如下表所示。⑧ 數(shù)字孿生適用準(zhǔn)則是什么？企業(yè)在應(yīng)用數(shù)字孿生前，面臨的首要決策問題是：
事實上，數(shù)字孿生并非適用于所有對象和企業(yè)。為輔助企業(yè)根據(jù)自身情況做出正確決策，本節(jié)嘗試從產(chǎn)品類型、復(fù)雜程度、運行環(huán)境、性能、經(jīng)濟與社會效益等不同維度總結(jié)數(shù)字孿生適用準(zhǔn)則，如下表所示，以供參考。⑨ 數(shù)字孿生需要哪些標(biāo)準(zhǔn)？數(shù)字孿生在落地應(yīng)用過程中缺乏標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)與參考。筆者團隊與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會及應(yīng)用企業(yè)前期共同探索建立了數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系框架，從數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工具/平臺標(biāo)準(zhǔn)、測評標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)6個方面對數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系進行了研究。但針對所建立的標(biāo)準(zhǔn)體系中各數(shù)字孿生具體標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，仍需進一步的研究與制定。據(jù)報道，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織自動化系統(tǒng)與集成技術(shù)委員會（ISO/TC184）正在開展數(shù)字孿生構(gòu)建原則、參考架構(gòu)、物理制造元素的數(shù)字表示、信息互換及數(shù)字孿生可視化元素等方面標(biāo)準(zhǔn)研究；IEEE數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)工作（IEEEP2806）正在開展智能工廠物理實體的數(shù)字化表征與系統(tǒng)架構(gòu)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究；ISO/IEC信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合技術(shù)委員會數(shù)字孿生咨詢組在數(shù)字孿生的術(shù)語、標(biāo)準(zhǔn)化需求、相關(guān)技術(shù)、參考模型等方面開展研究，但尚未有數(shù)字孿生具體標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。綜上所述，數(shù)字孿生的發(fā)展與落地應(yīng)用需標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)與參考，數(shù)字孿生國際標(biāo)準(zhǔn)的制定是當(dāng)前各國關(guān)注的重點。⑩ 數(shù)字孿生需要商業(yè)化工具與平臺？隨著數(shù)字孿生應(yīng)用價值逐步顯現(xiàn)，越來越多的企業(yè)期望利用數(shù)字孿生來提高企業(yè)效率和改進產(chǎn)品質(zhì)量。而在實踐數(shù)字孿生過程中，“使用什么工具/平臺來構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)字孿生”是企業(yè)所面臨的問題。據(jù)報道，已有相關(guān)商業(yè)工具和平臺可支持?jǐn)?shù)字孿生構(gòu)建和應(yīng)用，如MATLAB的Simulink、ANSYS的TwinBuilder、微軟Azure、達索3D Experience等。但從功能性的角度出發(fā)，這些工具和平臺大多側(cè)重某一或某些特定維度，當(dāng)前還缺乏考慮數(shù)字孿生綜合功能需求的商業(yè)化工具和平臺。另一方面，從開放性和兼容性的角度出發(fā)，相關(guān)使能工具/平臺主要針對自身產(chǎn)品形成封閉的軟件生態(tài)，不同工具和平臺間模型和數(shù)據(jù)交互與集成難、協(xié)作難、兼容性差、缺乏系統(tǒng)開放、兼容性強的數(shù)字孿生構(gòu)建工具和平臺。此外，因掌握相關(guān)的具體數(shù)據(jù)、流程、工藝、原理等，產(chǎn)品研制者或提供者相對容易實現(xiàn)數(shù)字孿生的構(gòu)建，而第三方（如系統(tǒng)集成商、產(chǎn)品終端用戶、產(chǎn)品運營維護者等）在構(gòu)建數(shù)字孿生中存在諸多困難，導(dǎo)致數(shù)字孿生的構(gòu)建成為其應(yīng)用推廣的瓶頸之一。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)品研發(fā)模式的演變，未來構(gòu)建數(shù)字孿生可能不再是困擾用戶的關(guān)鍵難題，如龍頭企業(yè)為提高自身產(chǎn)品的質(zhì)量與研發(fā)效率，未來會要求研制者或提供者在提供產(chǎn)品物理實體的同時，也必須提供相應(yīng)的數(shù)字孿生模型。未來如何基于不同用戶提供的數(shù)字孿生，針對復(fù)雜產(chǎn)品、復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜過程的數(shù)字孿生構(gòu)建需求，實現(xiàn)不同數(shù)字孿生的組裝與集成將成為一個新的難點，需要相關(guān)商業(yè)化的數(shù)字孿生集成工具與平臺支撐。
綜上分析，數(shù)字孿生的落地與推廣應(yīng)用需功能綜合、系統(tǒng)開放與兼容、集成性強的商業(yè)化工具和平臺的支持。此外，當(dāng)前還缺乏數(shù)字孿生評估與測試的商業(yè)化工具和平臺。
文章來源：工業(yè)互聯(lián)說
【免責(zé)聲明：本文版權(quán)歸原作者所有。為尊重版權(quán)，我們盡量標(biāo)注文章來源，若不愿被轉(zhuǎn)載或涉及侵權(quán)，請及時通過在線客服和郵箱聯(lián)系，郵箱地址：wutongtai@wttai.com，我們將第一時間予以刪除】
