數(shù)字孿生（Digital Twin），并非今天才產(chǎn)生，已經(jīng)走過了幾十年的發(fā)展歷程，只不過以前沒有這樣命名，而是走到了一定的發(fā)展階段，人們意識到可以給這種技術(shù)起一個更確切的名字。實(shí)際上，自從有了諸如CAD等數(shù)字化的“創(chuàng)作（authoring）”手段，就已經(jīng)有了數(shù)字孿生的源頭，有了CAE仿真手段，就讓數(shù)字虛體和物理實(shí)體走得更近，有了系統(tǒng)仿真，可以讓數(shù)字虛體更像物理實(shí)體，直至有了比較系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)技術(shù)。發(fā)展到現(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)在數(shù)字世界里做了這么多年的數(shù)字設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果，越來越虛實(shí)對應(yīng)，越來越虛實(shí)融合，越來越廣泛應(yīng)用，數(shù)字虛體越來越賦能物理實(shí)體系統(tǒng)。。

一、數(shù)字孿生的學(xué)術(shù)研究

基于數(shù)字虛體的數(shù)字孿生技術(shù)，到底怎樣才能更好、更精準(zhǔn)地反映物理世界的實(shí)際情況？這一直是國際學(xué)術(shù)界持續(xù)研究的問題。

德國弗里德里希-亞歷山大大學(xué)工程設(shè)計(jì)主任Benjamin Schleicha與法國巴黎-蘇德大學(xué)Nabil Anwer等專家對數(shù)字孿生有著很深入的認(rèn)識，他們合寫了一篇題為 “塑造用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程的數(shù)字孿生（Shaping the digital twin for design and production engineering）”的文章，指出：“更加逼真的制造產(chǎn)品的虛擬模型，對彌合設(shè)計(jì)和制造之間的差距以及反映真實(shí)和虛擬世界至關(guān)重要。 在本文中，我們提出了一個基于‘表皮模型形狀’概念的綜合參考模型，并將其作為設(shè)計(jì)和制造中的實(shí)物產(chǎn)品的數(shù)字孿生體?！薄耙虼?，……我們提出了數(shù)字孿生體的‘抽象‘與其’表達(dá)‘之間的區(qū)別。”如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生體的“表達(dá)”與其“抽象”之間的區(qū)別

數(shù)字孿生體的“抽象”可以在高度抽象層面上描述一些操作，通常抽象描述只是抓住了物理孿生體的一些基本的外部形體特征；而虛擬的“表達(dá)”是通過特定的仿真模型來執(zhí)行的，是要在三維數(shù)字模型上加載能夠代表物理孿生體形態(tài)或行為的特定算法來實(shí)現(xiàn)的。由于模型的近似性，顯然在做某個操作時，“抽象”描述與其“表達(dá)”之間仍然存在著不確定性，“抽”得“像不像”，“仿”得“真不真”，其實(shí)二者與物理孿生體都有一定的差異。因此“抽象”與“表達(dá)”類型的數(shù)字孿生體，都只能作為物理孿生體近似的方案。

基于上述的“表達(dá)”與“抽象”，該文章給出了評價數(shù)字孿生的四個指標(biāo)，對研究者與應(yīng)用者加深對數(shù)字孿生的認(rèn)識提供了進(jìn)一步的思路。

①   規(guī)模性，能夠提供不同規(guī)模（從細(xì)節(jié)到大型系統(tǒng)）的對數(shù)字孿生體的洞察力，在結(jié)構(gòu)上不丟失細(xì)節(jié)，盡量映射物理孿生體的細(xì)微之處。如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生體的縮放性

②   互操作性，能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達(dá)”的等同性，以多樣性的數(shù)字孿生體來映射物理孿生體。如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生體的互操作性

③   可擴(kuò)展性，集成、添加或替換數(shù)字模型的能力，如隨時隨處添加若干擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生體的可擴(kuò)展性

④   保真性，描述數(shù)字虛體模型與物理實(shí)物產(chǎn)品的接近性。不僅在外觀和幾何結(jié)構(gòu)上相像，在質(zhì)地上也要相像。如圖5所示。

圖5 數(shù)字孿生體的保真性

另外值得一提的是數(shù)字孿生體的抽象性，除了上述的幾何與結(jié)構(gòu)在“形（外形、內(nèi)形、分形、層次等）”上的描述之外，我們還應(yīng)該對數(shù)字孿生體的“態(tài)（如狀態(tài)、相態(tài)、時態(tài)等）”進(jìn)行描述，而這種描述會有兩種情況：一種需要在保持幾何與結(jié)構(gòu)的高度仿真的情況下來描述其“態(tài)”，另一種是在簡化了幾何與結(jié)構(gòu)的情況下來描述其“態(tài)”，例如，工況場景只要求描述數(shù)字孿生體的位置、方位、振動、濕度、高溫等，并不需要關(guān)注結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，此時就可以對數(shù)字模型進(jìn)行大量簡化和高度抽象。例如，一列高鐵車輛，在不同的場景和條件下，其所對應(yīng)的數(shù)字虛體的顆粒度就有所不同，既可以用數(shù)萬個虛擬零部件詳細(xì)表達(dá)系統(tǒng)仿真場景下的結(jié)構(gòu)保真性，也可以用幾根線條簡要表達(dá)車輛調(diào)度場景下的位置準(zhǔn)確性。如圖6所示。

圖6 數(shù)字虛體在高鐵調(diào)度位置表達(dá)上的簡化與抽象（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

二、數(shù)字孿生≠CPS

很多人分不清楚數(shù)字孿生與CPS（賽博物理系統(tǒng)，也稱信息物理系統(tǒng)），經(jīng)常將二者搞混，誤以為數(shù)字孿生就是CPS。

應(yīng)該說，數(shù)字孿生是建設(shè)CPS的基礎(chǔ)，是CPS發(fā)展的必經(jīng)階段。所謂建立數(shù)字孿生關(guān)系，就是以“軟件定義”的方式，對物理實(shí)體（物理孿生體）建立了完全對應(yīng)的數(shù)字虛體（數(shù)字孿生體），所創(chuàng)建的數(shù)字虛體經(jīng)歷了一個從其“形”、其“態(tài)”，逐漸向物理實(shí)體的“形、態(tài)”逼近的過程，直至看起來完全“相像”，如同同胞兄弟一般。在“相像”程度上，可以用不同級別的仿真度來衡量，如表1所示。

當(dāng)數(shù)字虛體與物理實(shí)體在時空狀態(tài)上都相像之后，距離CPS還有一步之遙，即控制。從物理實(shí)體一側(cè)，是否能實(shí)現(xiàn)對數(shù)字虛體的控制（以P控C）？反之，從數(shù)字虛體一側(cè)，是否能實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的控制（以C控P）？尤其是“以C控P”，是判斷是否實(shí)現(xiàn)了CPS的核心要求。關(guān)于在CPS中“C”與“P”的控制，如表2所示。

實(shí)際上，三年前撰寫《三體智能革命》書時，筆者就給出了一個典型的CPS結(jié)構(gòu)圖，在圖中明確以數(shù)字機(jī)器與物理機(jī)器相對應(yīng)、虛實(shí)映射的方式，說明了數(shù)字孿生與CPS之間的關(guān)系。如圖7所示。

圖7 《三體智能革命》中CPS結(jié)構(gòu)圖（書中P28頁）

數(shù)字虛體與物理實(shí)體在形與態(tài)的彼此相像屬于“數(shù)字孿生”；以“狀態(tài)感知、實(shí)時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”的智能方式實(shí)現(xiàn)了“以C控P”的精準(zhǔn)控制才算是CPS。

三、數(shù)字孿生的范疇并非無限

筆者研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生的范疇是一定限度的。就目前的數(shù)字化技術(shù)手段而言，我們雖然經(jīng)常說“數(shù)字化一切可以數(shù)字化的事物”，但是并非“一切都是可以數(shù)字化的”，也意味著并非“一切都是可以軟件定義的”。因此，數(shù)字世界和物理世界之間尚無法做到一一對應(yīng)、完全能夠相互映射。

從物理側(cè)（P）來看，未知的事物談不上數(shù)字化，當(dāng)然也不可能有數(shù)字孿生；已知但是無法定義、無法描述的事物不能數(shù)字化（如暗能量、弦等）；從數(shù)字/賽博側(cè)（C）來看，神話、傳說可以隨意展現(xiàn)，動漫創(chuàng)意和想象中的事物也是如此，都可以通過數(shù)字虛體不受限制地表現(xiàn)出來，但是在物理空間找不到對應(yīng)的物理實(shí)體。因此，在兩“體”中都存在暫時無法延伸、映射到對方，可供建立孿生關(guān)系的內(nèi)容。如圖8所示。

圖8 數(shù)字孿生的范疇不是無限的

弄清楚數(shù)字孿生的范疇、限制，我們才能有所為、有所不為，才能清晰地知道技術(shù)的邊界在哪里，不把精力花在低效和缺乏實(shí)際意義的地方。

四、數(shù)字孿生伴隨產(chǎn)品終生

數(shù)字孿生是在產(chǎn)品的全生命周期中的每一個階段都存在的普遍現(xiàn)象，大量的物理實(shí)體系統(tǒng)都有了數(shù)字虛體的“伴生”，這種現(xiàn)象在Schleicha和Anwer的文章中稱作是“孿生化（Twinning）”。而且，由于每個階段與每個物理孿生體所對應(yīng)的“數(shù)字孿生體”的模型不止一種（不同的算法、不同的逼真/抽象程度等），于是就出現(xiàn)了筆者在上一篇文章（“再論數(shù)字孿生——似是而非‘?dāng)?shù)字雙胞胎’）中所說的“一對多”的現(xiàn)象。在產(chǎn)品全生命周期中彼此對應(yīng)的數(shù)、物孿生體以及有關(guān)的“操作”如圖9所示。

圖9 產(chǎn)品全壽期都有不同的數(shù)字孿生體

有了越來越多的數(shù)字孿生體，人們可以做越來越多的事情，很多新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)也就此產(chǎn)生。在兩個“體”之間，信息可以雙向傳輸：當(dāng)信息從物理孿生體傳輸?shù)綌?shù)字孿生體，數(shù)據(jù)往往來源于用傳感器來觀察物理孿生體（例如GE用大量傳感器觀察航空發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況）；反之，當(dāng)信息從數(shù)字孿生體傳輸?shù)轿锢韺\生體，數(shù)據(jù)往往是出自科學(xué)原理、仿真和虛擬測試模型的計(jì)算，用于模擬、預(yù)測物理孿生體的某些特征和行為（例如用流體仿真技術(shù)計(jì)算汽車高速行駛的風(fēng)阻）。

德國西門子是比較強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品生命周期管理的企業(yè)，較早提出了數(shù)字孿生。他們給出了對一個物理產(chǎn)品及其數(shù)字孿生“在全產(chǎn)品生命周期進(jìn)行更新和維護(hù)”的認(rèn)識，特別是CPS中的數(shù)字孿生體中都包含了哪些內(nèi)容。如圖10所示。

圖10 西門子對數(shù)字孿生的認(rèn)識

PTC公司一直推動數(shù)字孿生，甚至以“數(shù)物融合”作為公司的新發(fā)展戰(zhàn)略，在一個更大的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景中描述了數(shù)字孿生的作用，企業(yè)的物理產(chǎn)品都通過云服務(wù)，在Thingworx中建立了一個或多個數(shù)字孿生體，用于制造、研發(fā)、銷售、服務(wù)、財(cái)務(wù)等各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。

圖11 PTC對數(shù)字孿生的認(rèn)識

美國《航空周報(bào)》兩年前就做出這樣的預(yù)測：“到了2035年，當(dāng)航空公司接收一架飛機(jī)的時候，將同時還驗(yàn)收另外一套數(shù)字模型。每個飛機(jī)尾號，都伴隨著一套高度詳細(xì)的數(shù)字模型。”每一特定架次的飛機(jī)都不再孤獨(dú)。因?yàn)樗鼘碛幸粋€忠誠的“影子”，終生相伴，永不消失，這就是數(shù)字孿生的本意。

五、小結(jié)

數(shù)字孿生，不過是長期以來，人們用數(shù)字世界的數(shù)字虛體技術(shù)，來描述物理世界的物理實(shí)體的必然結(jié)果，完全遵從《三體智能革命》中的“三體智能模型”。

數(shù)字孿生這個術(shù)語和與之相關(guān)的技術(shù)，并非是突然產(chǎn)生的新生事物，而是幾十年來CAX發(fā)展的必然結(jié)果，只不過在今天人們經(jīng)過總結(jié)提高之后，加深了對它的認(rèn)識，給出了新的認(rèn)識和命名。

數(shù)字孿生，是CPS中的必備技術(shù)構(gòu)成。要搞好智能制造、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，就必須研究和實(shí)施CPS。要做好CPS，就必須充分認(rèn)識數(shù)字孿生。要認(rèn)識數(shù)字孿生，就必須研究與數(shù)字孿生有關(guān)的所有問題，從起源、技術(shù)、應(yīng)用、界限到命名。

本文是筆者對數(shù)字孿生解讀的第三篇。以后還將會與讀者分享進(jìn)一步的研究進(jìn)展。