數(shù)字孿生與工匠精神

張靖笙

     筆者第一次接觸數(shù)字孿生（Digital twin）這個概念是2017年伊始，筆者的好朋友、北京航空航天大學(xué)的陶飛教授給筆者發(fā)來了他和研究團隊最新發(fā)表的一篇論文《數(shù)字孿生車間------一種未來車間運行新模式》，陶教授的最新研究成果讓我眼前一亮，當(dāng)時有種經(jīng)過漫長的航海后看到了新大陸的感覺。

     建模仿真和圖形學(xué)等計算機輔助設(shè)計（CAD）方面的理論與技術(shù)筆者早年也是接觸過的，這源于本人在上世紀(jì)九十年代初期的大學(xué)本科考上的是工科華南重鎮(zhèn)---華南理工大學(xué)，所學(xué)的就是一個徹頭徹尾的工科專業(yè)-----船舶工程，雖然我就讀是一個關(guān)于大型工程和機械的專業(yè)，而我當(dāng)年對計算機產(chǎn)生了異乎尋常的濃厚癡迷，在華工良好的學(xué)習(xí)氛圍和實習(xí)條件（華工當(dāng)時就有成體系的小型機到微機的機房供我這樣的窮學(xué)生上機實習(xí)）的支持下，我這個計算機愛好者的相關(guān)技能也在與日俱增，當(dāng)時我自學(xué)計算機知識并沒有轉(zhuǎn)行的考慮，本來是想結(jié)合本專業(yè)將來搞CAD方面的工作，在那個信息科技還很稀缺的年代，工作上能沾點電腦的光也是很酷的事情，當(dāng)然隨著我在校期間考過了高級程序員的計算機水平考試，我在船海系還真成了這方面稀缺的人，所以畢業(yè)設(shè)計也是真的搞了CAD的課題?；叵氘?dāng)時我們的水平，除了編程解算各種工程方程式外，也只是能用計算機輔助做一些制圖和圖形化輸出的工作，記得我當(dāng)年在AutoCad軟件里面打開一個不知道從哪里找回來的美國航天飛機的三維結(jié)構(gòu)圖矢量模型，旋轉(zhuǎn)不同的角度來觀察這個航天飛機的結(jié)構(gòu)，充滿了膜拜的感覺，這恐怕也就是當(dāng)年我國工程師水平和夢想巨大差距的體現(xiàn)了，當(dāng)然，后來我參加工作去了仿佛更熱門的銀行崗位，從此也偏離了自己CAD工程師的想法，近些年在緣分的使然下，我能和包括陶飛教授在內(nèi)的工業(yè)界專家和朋友發(fā)生了一些合作交集，讓我這個務(wù)“虛”多年的IT人也重拾了當(dāng)初工程師的夢想。

     美國Michael Grieves教授指出，物理對象具有信息的等效性，所有的物理對象都包含用于描述自身的信息，如幾何性質(zhì)、材料特性、功能用途等，人類智慧使我們有能力從物理對象中找到和提取信息，以滿足我們的特定需求，正是由于產(chǎn)品信息等效性的價值，產(chǎn)品信息可以作為避免生產(chǎn)過程中浪費的物理資源的替代品，諸如時間、能源和材料，正是由于產(chǎn)品在本質(zhì)上具有雙重性-----它們既是物理的，也是信息的，所以在工業(yè)制造過程中創(chuàng)建物理產(chǎn)品的同時，可以通過有效的信息采集而同時創(chuàng)建與之如影隨形的虛擬產(chǎn)品，從產(chǎn)品的全生命周期的角度，我們可以通過產(chǎn)品的信息屬性來完成很多特定的任務(wù)，這樣就可以在許多情況下顯著地減少物理資源的使用，虛擬產(chǎn)品雖然不是物理產(chǎn)品的替代品，但擴大這些虛擬產(chǎn)品的使用范圍和程度，可以有效地減少物理資源的浪費，而虛擬產(chǎn)品的成本，也就是信息的成本，雖然初期應(yīng)用信息的成本也可能是巨大的，由于使用信息并不會帶來信息資源的損耗，而物理資源總是有限的，所以長期來說使用虛擬產(chǎn)品的信息成本肯定是會大大低于物理資源的浪費的。數(shù)字孿生的概念最初正是Grieves教授于2003年在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，并被定義為三維模型，包括實體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間的連接，數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實時、高效、智能的服務(wù)。

     搞過工業(yè)的朋友就知道，嚴(yán)謹細致是所有做工業(yè)的人都應(yīng)該具備的基本素質(zhì)，所謂工匠精神就是對產(chǎn)品高品質(zhì)的持續(xù)追求，“工匠精神”的基本內(nèi)涵包括敬業(yè)、精益、專注、創(chuàng)新等方面的內(nèi)容。德國工業(yè)給我們帶來的啟迪，遠不止生產(chǎn)和制造，如何保證企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，才是最大的挑戰(zhàn)，成就世界頂級產(chǎn)品質(zhì)量，是需要幾代人專注在產(chǎn)品品質(zhì)上孜孜不倦的追求和堅持。而對于一個組織來說，一個持續(xù)性的壓力來自如何用最少的資源做更多的事情，理論上每種產(chǎn)品的生產(chǎn)可以找出完成物理任務(wù)的最小資源數(shù)，而在實際執(zhí)行任務(wù)過程中在這個基礎(chǔ)上還會消化更多的其他物理資源，精益的理念是希望用信息資源替代掉這些其他物理資源的消耗，從而讓生產(chǎn)剛剛好沒有浪費，當(dāng)然最小數(shù)量的物理資源是信息不能替代的。而實際上，尋找和確定最小資源消耗量是個反復(fù)探索和實踐的過程，大自然中要找到完成任務(wù)最有效的做法是在實踐中嘗試任務(wù)的所有可能的組合，這個過程必然需要有更多的物質(zhì)資源耗費來配合，所以，過去在沒有有效信息技術(shù)配合之前，生產(chǎn)活動中的物理資源的信息存儲于個人的頭腦之中，豐富經(jīng)驗的熟練技術(shù)工人是實現(xiàn)精益理念的核心，如何通過組織管理和職業(yè)培訓(xùn)來實現(xiàn)工人滿足精益生產(chǎn)的要求是關(guān)鍵。

      而如果已經(jīng)生產(chǎn)很長時間的產(chǎn)品很少或者沒有變化，可能幾乎不需要通過信息的手段來同時創(chuàng)建虛擬產(chǎn)品，實際上，這種情況下所依賴的信息都是過去事件的歷史，如果假定現(xiàn)在、將來跟過去一樣，那么確實不需要任何額外的信息了，因為我們知道怎么設(shè)計、怎么生產(chǎn)、供應(yīng)商如何執(zhí)行，因為我們有生產(chǎn)歷史，有和供應(yīng)商長時間的合作記錄，所需要的信息都包含在歷史記錄之中，當(dāng)然我們也非常清楚用最小資源數(shù)完成生產(chǎn)任務(wù)的方法。

     而在互聯(lián)網(wǎng)帶來的新時代，新的需求、新的機會層次不窮，這帶來的問題是，用戶可能更喜歡競爭對手的新產(chǎn)品帶來的新體驗，滿足21世紀(jì)需求的商業(yè)模式，我們也可以稱之為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，越來越多的工業(yè)生產(chǎn)能力和資源通過互聯(lián)網(wǎng)與客戶、供應(yīng)商和合作伙伴結(jié)合成協(xié)同創(chuàng)新和生產(chǎn)的緊密聯(lián)系，這種情況下產(chǎn)品光有精益對用戶來說不再有任何作用，產(chǎn)品也必須是創(chuàng)新的，而創(chuàng)新意味著變化，原來生產(chǎn)中所掌握的信息和經(jīng)驗很可能也過時了，因為創(chuàng)新要進入一個未知的領(lǐng)域，因此肯定會有資源的浪費，信息可以用來減輕風(fēng)險和減少不確定性，在原先耗用物理資源的地方，只要有可能，都應(yīng)該盡量使用信息，例如：

ü  在產(chǎn)品設(shè)計階段，我們需要對產(chǎn)品設(shè)計的所有方面有更高的預(yù)見性，需要執(zhí)行更多產(chǎn)品性能分析和仿真，還需要提前進行產(chǎn)品的集成和概念驗證工作；

ü  在產(chǎn)品制造階段，我們需要更多仿真與產(chǎn)品設(shè)計相結(jié)合的過程，為了盡可能早地捕獲潛在的制造過程問題和產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，我們也需要知道供應(yīng)商制造過程狀態(tài)的持續(xù)信息；

ü  在產(chǎn)品售后服務(wù)階段，我們需要了解更多產(chǎn)品在實際使用中的各項狀態(tài)信息，越早發(fā)現(xiàn)關(guān)于質(zhì)量問題的信息，就越能采用更低成本的方式來補救和解決。

     通過信息資源來降低物理資源的消耗讓創(chuàng)新和精益從財務(wù)的角度找到了相互兼容的目標(biāo)，只追求創(chuàng)新而不追求精益的企業(yè)，存在消耗了大量的資源反而得不償失的巨大風(fēng)險；追求精益而不追求創(chuàng)新的企業(yè)，雖然能維持短期的盈利水平，但最終肯定會被追求創(chuàng)新的競爭對手所超越。所以在這個劇烈變化的世界了，工匠精神所追求的產(chǎn)品生產(chǎn)過程不但是精益求精的，還必須是不斷創(chuàng)新的，我們不僅需要關(guān)注在當(dāng)前產(chǎn)品制造中如何減少資源的浪費，同時也要不斷創(chuàng)建新的信息和知識，用這些新的信息和知識支持我們對產(chǎn)品的持續(xù)的創(chuàng)新，包括新的設(shè)計、新的工藝、新的生產(chǎn)方式和新的商業(yè)模式等等，產(chǎn)品的信息屬性在新工業(yè)時代中越來越重要的情況下，“工匠精神”的基本內(nèi)涵還必須加上“信息意識”這樣一條素養(yǎng)。

    如何通過信息來實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中的創(chuàng)新與精益的要求，成為新工業(yè)時代發(fā)揚“工匠精神”的一個新命題和新要求，我們分析普遍的工業(yè)的生產(chǎn)過程中的信息需求，我這里提煉成三個方面，第一個是生產(chǎn)要素方面，第二個是生產(chǎn)計劃方面，第三個是生產(chǎn)活動方面。

    首先是生產(chǎn)要素方面，生產(chǎn)要素就是為了滿足生產(chǎn)的需要的一些物理資源的要素，包括了人員、設(shè)備、工具、環(huán)境、物料這樣一些我們在生產(chǎn)的過程中需要消耗的物理資源，生產(chǎn)的過程需要對這樣一些生產(chǎn)要素的靜態(tài)和動態(tài)的物理屬性、狀態(tài)、關(guān)系、能力等等的信息進行采集，在這個信息采集、存儲、加工處理、傳播、分析和應(yīng)用的基礎(chǔ)上來支撐我們生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)計劃的編制和生產(chǎn)活動中的各項工作的管理決策和控制的需要，這個就是生產(chǎn)要素層面管理的信息需求；

    其次是生產(chǎn)計劃方面，現(xiàn)代化工業(yè)大生產(chǎn)都是需要有組織有計劃的，生產(chǎn)計劃需要考慮在滿足對產(chǎn)品的時間、成本、質(zhì)量等等要求和約束條件前提之下，全面了解和綜合考慮與計劃的生產(chǎn)活動有關(guān)的各種生產(chǎn)要素本身及其能力的限制，根據(jù)生產(chǎn)要素的實際情況來對將要開展的生產(chǎn)活動進行合理的組織規(guī)劃和任務(wù)安排；

      然后就是生產(chǎn)活動方面，生產(chǎn)活動就是在訂單驅(qū)動、在生產(chǎn)計劃的指導(dǎo)下把生產(chǎn)要素按照一定的關(guān)系和流程組合起來，完成特定的生產(chǎn)任務(wù)這樣一個過程，這個過程要滿足產(chǎn)品的質(zhì)量需求、用戶功能和其他的客戶需求、還有企業(yè)自身的其他需求，我們在生產(chǎn)活動的過程控制里邊需要對過程中各種生產(chǎn)要素，包括人員、設(shè)備、物料、環(huán)境、產(chǎn)品等等，以及和這些生產(chǎn)要素相關(guān)的生產(chǎn)活動進行檢測、分析和動作控制，比如我們要對生產(chǎn)設(shè)備的動作控制，對于產(chǎn)品的質(zhì)量檢查，對于物料的加工等等，這里面都涉及到了圍繞著這些生產(chǎn)要素在生產(chǎn)活動中，我們要通過對物理資源的檢測手段來獲取一些能夠支持這些生產(chǎn)活動信息的過程。

      我們可以從這三個方面去看工業(yè)生產(chǎn)過程中的信息需求，然后回顧工業(yè)信息化的一個演變過程，就是可以從生產(chǎn)要素、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)活動這三個方面的信息管理工作來回顧演變過程。

      第一個階段就是完全沒有信息化，沒有電子計算機之前，其實我們整個工業(yè)的生產(chǎn)都是在物理空間中完全都是靠人工來完成信息管理的工作，生產(chǎn)要素信息主要是通過人工的記錄在一些紙上,通過紙或者口頭這樣的方式來傳遞,這樣一種方式,自然就很難做數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了,而且這種信息的準(zhǔn)確率和準(zhǔn)備性和使用效率也比較低, 生產(chǎn)計劃主要就憑人的經(jīng)驗來制定, 用手工的方式來完成,那么制定生產(chǎn)計劃本身對于計劃者的能力和經(jīng)驗的要求就很高,選擇余地也很少,也很難去優(yōu)化它；而在生產(chǎn)活動里面，我們對于產(chǎn)品的質(zhì)量檢測也好，對于生產(chǎn)過程的管理也好，基本上是靠人的感官去完成監(jiān)測，依據(jù)人的經(jīng)驗來判斷，然后控制的過程也是靠人工操作來調(diào)整，包括操作設(shè)備等等，所以我們可以看到在工業(yè)信息化的第一個階段，生產(chǎn)過程中只有物理空間，一切的信息都依賴于物理空間里邊的人工處理。

     第二階段的時候，我們在工業(yè)生產(chǎn)里面引入了一定的計算機信息處理系統(tǒng)，比如我們對生產(chǎn)要素的信息管理就引入了人力資源管理、設(shè)備管理、物料倉儲管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理這樣一些信息系統(tǒng)，但是這些信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集錄入基本上也是人工的方式，跟第一階段相比的信息系統(tǒng)，就是把原來用紙來記載的一些生產(chǎn)要素信息電子化的過程；然后在生產(chǎn)計劃方面雖然已經(jīng)引入一些計算機建模技術(shù)，可以開展一些基于數(shù)據(jù)模型的生產(chǎn)計劃的形成，但是這種生產(chǎn)計劃基本上都只是局限在產(chǎn)前，就是靜態(tài)條件下產(chǎn)生的，相對來說是在比較理想化假設(shè)的情況下做出生產(chǎn)計劃，在實際的生產(chǎn)過程中有可能受到各種干擾，各種干擾讓這種生產(chǎn)計劃遇到很大執(zhí)行上的困難，就有一句話叫做計劃跟不上變化快，計劃調(diào)整不能支撐變化要求，計劃很容易就過時了；生產(chǎn)活動中雖然也引入了數(shù)字化儀表技術(shù)，可以結(jié)合這種數(shù)據(jù)化的儀表和計算機處理的綜合應(yīng)用，可以提高監(jiān)測結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，提高控制的精度，但這種控制過程還是人工干預(yù),所以必然在信息的傳遞上會出現(xiàn)較大的延遲,很容易造成了和實際生產(chǎn)環(huán)境相脫節(jié)。第二階段雖然已經(jīng)出現(xiàn)了信息的空間，但是信息空間和物理空間之間還是要靠人工來完成連接，就是用人工輸入的方式把物理空間的一些信息錄入到計算機系統(tǒng)的信息空間里面。

      后來工業(yè)也走了這么多年的兩化融合，其實完成第三次工業(yè)革命要求的信息化工業(yè)化的融合，我們需求生產(chǎn)要素信息現(xiàn)在通過物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)要素信息的數(shù)據(jù)自動化采集，例如用RFID和傳感器可以實時地去采集一些數(shù)據(jù)，然后通過物聯(lián)網(wǎng)可以替代原來數(shù)據(jù)人工錄入信息系統(tǒng)，從這個層面來說生產(chǎn)活動中信息空間和物理空間有了一定的交互了，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)這種數(shù)據(jù)的自動采集和錄入，解決了數(shù)據(jù)的實時性問題，然后我們在生產(chǎn)活動上可以將這些實時采集的生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)，根據(jù)一些擾動的情況來動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)計劃，以此來改進生產(chǎn)過程，物聯(lián)網(wǎng)提高了生產(chǎn)過程控制的實時性，但是我們還是看到整個生產(chǎn)過程的智能性和一體化協(xié)同生產(chǎn)全局協(xié)調(diào)能力還是不夠的。

      經(jīng)過前面三個階段，現(xiàn)在第四次工業(yè)革命也進入了工業(yè)信息化的第四個階段，就是如何實現(xiàn)生產(chǎn)活動中物理空間和信息空間的進一步融合的問題，雖然當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中信息空間和物理空間存在一定的交互，但是這種交互還不能滿足智能化生產(chǎn)的需要，一方面是預(yù)測性不夠，第二方面智能工廠需要通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)這么多的企業(yè)內(nèi)外部的生產(chǎn)的能力和資源，這種全局的一體化協(xié)同制造能力需要更大范圍的信息空間和物理空間有更加實時的交互和融合，所以我們從全球的范圍來看如何實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中物理空間和信息空間的進一步融合是當(dāng)前各國共同面臨的難題，是實現(xiàn)智能制造的迫切的需要。

數(shù)字孿生的概念就是能夠有效地實現(xiàn)物理世界和信息世界實時交互和融合的有效方法，數(shù)字孿生是一種集成的多物理、多尺度、多學(xué)科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性，實現(xiàn)物理世界和信息世界交互與融合的技術(shù)手段。因為前文提到的滿足新時代創(chuàng)新和精益要求的智能制造目標(biāo)，是需要多種物理資源生產(chǎn)要素的實時融合和集成，所以要先解決生產(chǎn)活動過程中代表物理資源的信息實時交互和融合的問題，數(shù)字孿生的概念是一種很好地解決智能生產(chǎn)過程中的多種要素、能力、資源的融合以及協(xié)同制造的機制，它有三方面特點：

第一特點是數(shù)字孿生所提出的信息空間里面的虛擬對象，比如虛擬產(chǎn)品、虛擬設(shè)備、甚至虛擬的人、虛擬場所，它們都是對應(yīng)物理空間里面物理對象的忠實映射，而因為物理空間里面各種類型的對象很多，所以在信息空間里面對物理對象的各項狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行有效的集成，才能解決是物理對象的忠實映射，就是鏡像這樣一個概念，我們這里可以看一個例子，就像現(xiàn)在我們發(fā)射到太空的衛(wèi)星，同時有一個虛擬的衛(wèi)星可以實時地反映一個物理衛(wèi)星的運行狀態(tài)；

第二個特點是在信息空間里面存在的虛擬對象的生命周期是跟物理空間的物理對象的生命周期是重合的，換句話說，信息空間里面的虛擬對象和物理空間里邊的物理對象的變化是同步的，是共同進化的，并且能夠不斷地通過這樣的手段來積累相關(guān)的知識和信息；

第三個特點是我們在信息空間里面的虛擬對象不僅能夠?qū)ξ锢韺ο筮M行忠實映射、進行描述，它更大的作用是在于我們可以在信息空間里面基于對模型的優(yōu)化來優(yōu)化我們物理空間里面的物理對象，這樣來實現(xiàn)更加合理的生產(chǎn)計劃和活動控制。

     驅(qū)動我們越來越多使用信息空間中的虛擬產(chǎn)品和實施產(chǎn)品全生命周期管理還有另外一個原因是：我們將持續(xù)改進對物理世界的理解以及模擬物理對象的能力，隨著一切皆可數(shù)據(jù)化的工業(yè)大數(shù)據(jù)積累，我們對物理世界的理解每天都在增長，而且能夠持續(xù)地建構(gòu)不斷增長的關(guān)于物理世界如何運轉(zhuǎn)的知識和信息，與此同時，我們的計算能力也將繼續(xù)呈指數(shù)級增長，這意味著不僅能增加仿真的粒度和精確性讓我們可以尋找更精益的生產(chǎn)方案，并且用新增長的知識和信息嘗試設(shè)計更多新的產(chǎn)品。

      因此我的結(jié)論是，在數(shù)字孿生的實踐中不斷學(xué)習(xí)，在基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)中持續(xù)創(chuàng)新，是大數(shù)據(jù)新時代“工匠精神”必須的表現(xiàn)。

（本稿完成于2018年10月7日，如需要引用，請注明出處，同時祝愿中國繁榮富強）