數(shù)字孿生為何成為戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢

張靖笙

? ? ?2017年，全球領(lǐng)先的信息技術(shù)研究和顧問公司Gartner公布了將在2018年對大部分企業(yè)和組織機(jī)構(gòu)必然產(chǎn)生顯著影響的首要十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢。Gartner將戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢定義為具有巨大顛覆性潛力、脫離初期階段且影響范圍和用途正不斷擴(kuò)大的戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢；這些趨勢在未來五年內(nèi)迅速增長、高度波動、預(yù)計(jì)達(dá)到臨界點(diǎn)。前三個(gè)戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢探討了人工智能（AI）與機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learning）將如何滲透至幾乎任意領(lǐng)域，隨后的四個(gè)趨勢集中于混合數(shù)字與物理世界，以打造一個(gè)沉浸式、數(shù)字增強(qiáng)型環(huán)境，其中就包括了數(shù)字孿生。

? ? ? ?簡單來說，數(shù)字孿生是指以數(shù)字化方式再現(xiàn)物理世界中真實(shí)的實(shí)體或系統(tǒng)。數(shù)字孿生一詞，最早是美國密西根大學(xué)教授Grieves于2003在產(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(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間的連接。后來NASA在2010年對飛行器的真實(shí)運(yùn)行活動進(jìn)行鏡像仿真，試圖在虛擬世界中，盡可能地模仿飛行器在物理世界的太空中真實(shí)發(fā)生的一切。數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界中物理實(shí)體的配對虛擬體（映射）。這個(gè)物理實(shí)體（或資產(chǎn)）可以是一個(gè)設(shè)備或產(chǎn)品、生產(chǎn)線、流程、物理系統(tǒng)，也可是一個(gè)組織。數(shù)字孿生概念的落地是用數(shù)字化所構(gòu)建的“虛擬實(shí)體”去映射現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體來實(shí)現(xiàn)。這種映射通常是一個(gè)多維動態(tài)的數(shù)字映射，它依賴安裝在物體上的傳感器或模擬數(shù)據(jù)來洞察和呈現(xiàn)物體的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)也將承載指令的數(shù)據(jù)回饋到物體導(dǎo)致狀態(tài)變化。數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁。Gartner認(rèn)為， 一個(gè)數(shù)字孿生需要至少四個(gè)要素：數(shù)字模型，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，身份識別和實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。

? ? ? 數(shù)字孿生在企業(yè)界有更加“商業(yè)化”的定義，根據(jù)德勤在《數(shù)字孿生與工業(yè)4.0》報(bào)告中的觀點(diǎn)，數(shù)字孿生是以全面數(shù)字化的形式對某一物理實(shí)體過去和目前的行為或流程進(jìn)行動態(tài)呈現(xiàn)，有助于提升企業(yè)績效。數(shù)字孿生以針對產(chǎn)品的生命周期中眾多層面持續(xù)、實(shí)時(shí)開展的大量物理世界數(shù)據(jù)檢測為基礎(chǔ)，這些檢測可通過數(shù)字化的形式對某一物理實(shí)體或流程進(jìn)行動態(tài)呈現(xiàn)，從而有效反映系統(tǒng)運(yùn)行情況。德勤在其發(fā)布的《工業(yè)4.0與數(shù)字孿生》報(bào)告中給出了新工業(yè)生產(chǎn)流程中的數(shù)字孿生模型，這是將物理世界中的工廠某一生產(chǎn)流程與在數(shù)字世界中的數(shù)字化鏡像而相輔相成的模型，該模型呈現(xiàn)了數(shù)字孿生的五大驅(qū)動要素——物理世界的傳感器和促動器、集成、數(shù)據(jù)和分析，以及持續(xù)更新的數(shù)字孿生應(yīng)用程序。

? ? ?在物理世界中的生產(chǎn)流程中配置的傳感器可發(fā)出信號，數(shù)字孿生可通過信號獲取實(shí)際流程相關(guān)的運(yùn)營和環(huán)境數(shù)據(jù)。若確定應(yīng)當(dāng)采取實(shí)際行動，則數(shù)字孿生將在人工干預(yù)的情況下通過促動器展開實(shí)際行動，推進(jìn)實(shí)際流程的開展。在工業(yè)4.0的數(shù)字世界中，傳感器提供的實(shí)際運(yùn)營和環(huán)境數(shù)據(jù)將在聚合后與分布在企業(yè)各應(yīng)用信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)合并，比如物料清單、企業(yè)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)規(guī)范、工程圖紙、客戶投訴記錄以及外部來源數(shù)據(jù)等，對這些從實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中感知得到的數(shù)據(jù)，利用分析技術(shù)開展算法模擬和可視化程序，通過分析這些數(shù)據(jù)給各項(xiàng)生產(chǎn)控制和決策提供依據(jù)，不斷積累這些數(shù)據(jù)也更進(jìn)一步支撐各種人工智能技術(shù)的深度學(xué)習(xí)。

? ? ?數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步推動數(shù)字孿生理論與技術(shù)的研究，促進(jìn)數(shù)字孿生理念在產(chǎn)品全生命周期中落地應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)陶飛教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合多年在智能制造服務(wù)、制造物聯(lián)、制造大數(shù)據(jù)等方面的研究基礎(chǔ)和認(rèn)識，將數(shù)字孿生模型由最初Grieves提出的三維結(jié)構(gòu)發(fā)展為如圖所示的五維結(jié)構(gòu)模型，包括物理實(shí)體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)和連接。關(guān)于這五維結(jié)構(gòu)各部分所扮演的角色和發(fā)揮的作用如下。

（１） ? ? 物理實(shí)體是客觀存在的，它通常由各種功能子系統(tǒng)（如控制子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng)等）組成，并通過子系統(tǒng)間的協(xié)作完成特定任務(wù)。各種傳感器部署在物理實(shí)體上，實(shí)時(shí)監(jiān)測其環(huán)境數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)。

（２） ? ? 虛擬模型是物理實(shí)體忠實(shí)的數(shù)字化鏡像，集成與融合了幾何、物理、行為及規(guī)則４層模型。其中：幾何模型描述尺寸、形狀、裝配關(guān)系等幾何參數(shù)；物理模型分析應(yīng)力、疲勞、變形等物理屬性；行為模型響應(yīng)外界驅(qū)動及擾動作用；規(guī)則模型對物理實(shí)體運(yùn)行的規(guī)律／規(guī)則建模，使模型具備評估、優(yōu)化、預(yù)測、評測等功能。

（３） ? ? 服務(wù)系統(tǒng)集成了評估、控制、優(yōu)化等各類信息系統(tǒng)，基于物理實(shí)體和虛擬模型提供智能運(yùn)行、精準(zhǔn)管控與可靠運(yùn)維服務(wù)。

（４） ? ? 孿生數(shù)據(jù)包括物理實(shí)體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，領(lǐng)域知識及其融合數(shù)據(jù)，并隨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生被不斷更新與優(yōu)化。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生運(yùn)行的核心驅(qū)動。

（５） ? ? 連接將以上４個(gè)部分進(jìn)行兩兩連接，使其進(jìn)行有效實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互以保證各部分間的一致性與迭代優(yōu)化。

? ? 基于陶飛教授團(tuán)隊(duì)提出的上述數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生驅(qū)動的應(yīng)用，需要針對應(yīng)用需求及場景對象分析物理實(shí)體的特征，以物理實(shí)體忠實(shí)的數(shù)字化鏡像建立虛擬模型，構(gòu)建連接實(shí)現(xiàn)虛實(shí)信息數(shù)據(jù)的交互，并借助孿生數(shù)據(jù)的融合與分析，最終為使用者提供各種服務(wù)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

根據(jù)Garnter的2017技術(shù)成熟度曲線，數(shù)字孿生正在處于冉冉上升的階段。同樣，IDC在2017年11月給出的預(yù)測是，到2020年，全球頭部2000家企業(yè)的30%，都會使用IoT（Internet of Thing，萬物互聯(lián)）產(chǎn)品中的數(shù)字孿生來提供產(chǎn)品創(chuàng)新。盡管數(shù)字孿生盡管尚未成為主流，卻是每一個(gè)企業(yè)都不能回避的命題。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將是數(shù)字孿生的應(yīng)用加速器。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使得工業(yè)中所有生產(chǎn)要素的物理實(shí)體的各種工業(yè)大數(shù)據(jù)收集、交換，都要借助于IoT來實(shí)現(xiàn)。它將機(jī)器、物理基礎(chǔ)設(shè)施都連接到數(shù)字孿生上，將工業(yè)大數(shù)據(jù)的傳遞、存儲分別放到邊緣或者云端?？梢哉f，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)激活了數(shù)字孿生的生命，它天生具有的雙向通路的特征，使得數(shù)字孿生真正成為一個(gè)有生命力的模型。

? ? ? ?如何判斷數(shù)字孿生能成為第四次工業(yè)革命中戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，而不是曇花一現(xiàn)的科技概念炒作呢？筆者認(rèn)為核心理由是數(shù)字孿生使得未來所有的工業(yè)行為能在準(zhǔn)確把握消費(fèi)者需求的基礎(chǔ)上，在合適的時(shí)間、合適的場景，基于孿生數(shù)據(jù)做出實(shí)事求是的、實(shí)時(shí)正確的決定，這意味著工業(yè)將可以更好地服務(wù)客戶（消費(fèi)者）的想法和創(chuàng)意。數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要場景，也是工業(yè)4.0中的產(chǎn)品全生命周期中各種智能化應(yīng)用場景的完美搭檔。在工業(yè)4.0中通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，任何一個(gè)產(chǎn)品在其全生命周期中的各方面信息處理應(yīng)用都可以調(diào)用數(shù)字孿生各項(xiàng)模型和數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生可以支持產(chǎn)品全生命周期中各種應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)需求，從而支撐企業(yè)可以及時(shí)獲取和分析大量的關(guān)乎產(chǎn)品各階段各種狀態(tài)的數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)效率、宕機(jī)分析、失效率、能源數(shù)據(jù)等等，形成評估結(jié)果，可以反饋并儲存到孿生數(shù)據(jù)之中，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)維和回收全生命周期的管理模式都可以得到實(shí)質(zhì)性和可持續(xù)的優(yōu)化。數(shù)字孿生能夠幫助產(chǎn)品的利益相關(guān)方（包括產(chǎn)品的各種生產(chǎn)者和消費(fèi)者）在物理世界和數(shù)字世界之間全面建立準(zhǔn)實(shí)時(shí)聯(lián)系，第四次工業(yè)革命中，消費(fèi)者和人工智能都會成為新生產(chǎn)關(guān)系中必然會出現(xiàn)和發(fā)揮作用的組成部分，而數(shù)字孿生是幫助這些新生產(chǎn)關(guān)系中各種要素發(fā)揮作用的必選項(xiàng)，新生產(chǎn)關(guān)系中各方利益相關(guān)者都要依賴數(shù)字孿生形成的高度信用化的數(shù)據(jù)資源，這是該技術(shù)的最真實(shí)的價(jià)值所在，也是成為必然的戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢最堅(jiān)實(shí)的理由。

? ? ? 而基于產(chǎn)品或流程現(xiàn)實(shí)情況與虛擬情況之間的交互，數(shù)字孿生能夠創(chuàng)造更加豐富的模型和數(shù)據(jù)，從而對不可預(yù)測的情況進(jìn)行更加真實(shí)和全面的檢測。利用數(shù)字孿生，產(chǎn)品能夠自設(shè)計(jì)和開發(fā)階段起，就以數(shù)字化的形式完整記錄整個(gè)產(chǎn)品生命周期的演進(jìn)過程，有利于加快新產(chǎn)品上市速度、改善不足、優(yōu)化經(jīng)營，能更加快速地檢測和解決實(shí)際問題，提高預(yù)測準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出最終能更貼近用戶需求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，并在過程中不斷積累新的知識和經(jīng)驗(yàn)，以此推動產(chǎn)品持續(xù)的創(chuàng)新。

? ? 所有真正有生命力的創(chuàng)新，都離不開對必然趨勢的先知先覺和搶先行動，而趨勢成為現(xiàn)實(shí)，也需要不斷的創(chuàng)新，數(shù)字孿生是工業(yè)4.0中必然的戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，而在企業(yè)的落地也離不開持續(xù)變革和創(chuàng)新。

（本稿完成與2018年12月2日，如需引用請注明出處）