文章導(dǎo)讀

《數(shù)字孿生概念體系開(kāi)發(fā)》由安世亞太科技股份有限公司和中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部的段海波、高素、楊旭和李元林共同完成。本文分析了數(shù)字孿生這一術(shù)語(yǔ)指代不清的現(xiàn)象，提出了開(kāi)發(fā)概念體系的改進(jìn)方法和流程，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了一套系統(tǒng)化的數(shù)字孿生概念體系，為數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化工作提供了有益輸入。

摘要

本文梳理分析了“digital twin（數(shù)字孿生）”這一術(shù)語(yǔ)指代不清、邊界模糊等現(xiàn)象給標(biāo)準(zhǔn)化和行業(yè)實(shí)踐帶來(lái)的困擾，指出數(shù)字孿生這一技術(shù)體系的集成性和跨學(xué)科性使得其標(biāo)準(zhǔn)化工作需要以系統(tǒng)化、完備的概念術(shù)語(yǔ)體系為基礎(chǔ)。在現(xiàn)有術(shù)語(yǔ)工作國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)概念體系開(kāi)發(fā)原則和指南的基礎(chǔ)上，提出了開(kāi)發(fā)概念體系的改進(jìn)方法和流程，包括應(yīng)用系統(tǒng)思維和系統(tǒng)工程方法，評(píng)估候選上位概念的工具和步驟，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)完備分類的框架、原則和步驟，以及術(shù)語(yǔ)工作的成熟度等級(jí)。

基于這些方法和流程，確定了將數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)與通用術(shù)語(yǔ)“數(shù)字孿生”區(qū)分開(kāi)來(lái)的必要性，分析了數(shù)字孿生現(xiàn)有21個(gè)定義及其10個(gè)上位概念，提出數(shù)字孿生體的上位概念最好是一種數(shù)字資產(chǎn)，而不選一種數(shù)字化表征。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含100個(gè)概念和50個(gè)定義的系統(tǒng)化的數(shù)字孿生概念體系。這項(xiàng)工作解決了“數(shù)字孿生”術(shù)語(yǔ)的多義問(wèn)題，驗(yàn)證了概念體系開(kāi)發(fā)改進(jìn)方法的有效性。所提出的數(shù)字孿生概念體系為數(shù)字孿生術(shù)語(yǔ)工作和數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了有益的輸入，也為其他領(lǐng)域的概念體系開(kāi)發(fā)提供了最佳實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生、概念體系、術(shù)語(yǔ)工作、標(biāo)準(zhǔn)化

1. 引言

在行業(yè)實(shí)踐中，“數(shù)字孿生”這一術(shù)語(yǔ)存在指代不清、邊界模糊的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在時(shí)空兩個(gè)維度同時(shí)存在。

(a)（圖片來(lái)源：ElenaBs / Alamy Stock Vector）

(b)（圖片來(lái)源：Redshift Video / Autodesk）

(c)（圖片來(lái)源：The AnyLogic Company）

(d)（圖片來(lái)源：techtarget.com）

圖1 術(shù)語(yǔ)“數(shù)字孿生”在空間視角下的模糊性

例如圖1給出的四個(gè)例子，(a)把“數(shù)字孿生”定義在數(shù)字空間，(b)的“數(shù)字孿生”模型包括了物理空間，(c)的“數(shù)字孿生”雖然在虛擬空間，但排除了模型和數(shù)據(jù)庫(kù)，(d)的“數(shù)字孿生”定義存在循環(huán)嵌套。

相比空間視角下的歧義和模糊可以靠構(gòu)建和豐富數(shù)字孿生概念和術(shù)語(yǔ)體系比較容易地解決，“數(shù)字孿生”時(shí)間維度上的邊界模糊對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化工作的挑戰(zhàn)更大。

圖2 術(shù)語(yǔ)“數(shù)字孿生”在時(shí)間視角下的模糊性（圖片來(lái)源：DOI: 10.1515/eng-2020-0088, Fig 1）

如圖2所示，有學(xué)者認(rèn)為，只有單向數(shù)據(jù)流的數(shù)字影子不是數(shù)字孿生，這也符合目前數(shù)字孿生領(lǐng)域最重要的兩個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 23247和在研的ISO/IEC 30173）對(duì)digital twin的定義。但是，Michael Grieves博士不認(rèn)可“數(shù)字孿生不存在，除非有實(shí)物產(chǎn)品”的觀點(diǎn)，認(rèn)為這是對(duì)數(shù)字孿生的過(guò)度定義。這里的核心問(wèn)題是：一個(gè)數(shù)字孿生體和其所在的數(shù)字孿生系統(tǒng)，它們的生命周期何時(shí)開(kāi)始、何時(shí)結(jié)束？?jī)烧呤欠癖仨?、?yīng)該、可以、可能或不可能具有相同的生命周期？

圖3 試圖解決“數(shù)字孿生”的空間模糊性的努力（ISO 23247-2:2021）

作為最早發(fā)布的數(shù)字孿生國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，ISO 23247在解決“數(shù)字孿生”這一概念的空間模糊性上做了一些努力，區(qū)分了數(shù)字孿生體（digital twin entity）和數(shù)字孿生框架（digital twin framework）（如圖3所示），進(jìn)而作者提出把圖3中的所有內(nèi)容（藍(lán)框以內(nèi)）作為數(shù)字孿生系統(tǒng)（digital twin system）的范圍。

通過(guò)文獻(xiàn)分析，我們發(fā)現(xiàn)除了術(shù)語(yǔ)“digital twin”，其衍生形式“digital twins”，“digital twinned” 和“digital twinning”也被頻繁使用，“digital twin entity”和“digital twin system”兩個(gè)新的復(fù)合術(shù)語(yǔ)也出現(xiàn)在技術(shù)出版物中。此外，英語(yǔ)文獻(xiàn)中的“digital twin”一詞有多種含義：

1. 技術(shù)領(lǐng)域或標(biāo)準(zhǔn)化主題

2. 包括核心技術(shù)和使能技術(shù)在內(nèi)的技術(shù)體系（system）

3. 細(xì)分市場(chǎng)或產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

4. 數(shù)字孿生系統(tǒng)

5. 數(shù)字孿生體系（SoS）

6. 數(shù)字孿生體

7. 數(shù)字孿生體或數(shù)字孿生系統(tǒng)

而“數(shù)字孿生”一詞的復(fù)數(shù)形式digital twins可以指數(shù)字孿生體或數(shù)字孿生系統(tǒng)，或兩者兼而有之。表 1 總結(jié)了術(shù)語(yǔ)數(shù)字孿生多義現(xiàn)象的示例。

表1 英文術(shù)語(yǔ)digital twin(s)的多義現(xiàn)象

可以看出，只靠一個(gè)術(shù)語(yǔ)和一個(gè)定義無(wú)法表達(dá)多個(gè)概念，只用“digital twin/數(shù)字孿生”這一個(gè)詞來(lái)應(yīng)對(duì)這么多的語(yǔ)境和應(yīng)用場(chǎng)景只會(huì)造成歧義和溝通障礙，有必要將數(shù)字孿生體digital twin entity和數(shù)字孿生系統(tǒng)digital twin system與數(shù)字孿生digital twin這個(gè)術(shù)語(yǔ)的其他通用用途區(qū)分開(kāi)來(lái)。

同時(shí)，作為一個(gè)集成化的技術(shù)體系，數(shù)字孿生的跨學(xué)科性正在使其成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心。它的演變需要多學(xué)科的支持，其標(biāo)準(zhǔn)化需要構(gòu)建支持?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型的頂層本體和數(shù)字孿生領(lǐng)域本體。因此，我們需要分析、綜合和協(xié)調(diào)學(xué)科之間的概念關(guān)系和聯(lián)系，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)完備的數(shù)字孿生概念和術(shù)語(yǔ)體系。

2. 方法

目前兩個(gè)術(shù)語(yǔ)工作的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 1087:2019和ISO 704:2022只提供了開(kāi)發(fā)一個(gè)概念體系及其概念圖的術(shù)語(yǔ)定義、目的用途、操作任務(wù)和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，缺乏詳細(xì)的流程步驟、行業(yè)實(shí)例和解決疑難情況的手段工具。

ISO/IEC 30141（物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)）在研中的第二版和ISO/IEC 22989:2022（人工智能概念和術(shù)語(yǔ)）兩個(gè)數(shù)字孿生相關(guān)領(lǐng)域的最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)給出了解決核心術(shù)語(yǔ)多義問(wèn)題的思路，即依靠修飾限制性的后綴詞構(gòu)建本領(lǐng)域小規(guī)模核心概念和術(shù)語(yǔ)體系。

ISO 19101-1:2014（地理信息參考模型第一部分：基礎(chǔ)）給出了概念體系的形式化表達(dá)語(yǔ)言建議，如UML和EXPRESS。ISO/IEC 30141:2018（物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)）和ISO/IEC/IEEE 42010:2022（架構(gòu)描述）給出了相應(yīng)領(lǐng)域概念體系的概念圖示例。

本文在上述現(xiàn)有術(shù)語(yǔ)工作和相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)概念體系開(kāi)發(fā)原則和示例的基礎(chǔ)上，提出了開(kāi)發(fā)概念體系的改進(jìn)方法和流程，包括應(yīng)用系統(tǒng)思維觀點(diǎn)原則和系統(tǒng)工程方法工具，評(píng)估候選上位概念的工具和步驟，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)完備分類的框架、原則和步驟，以及術(shù)語(yǔ)工作的成熟度等級(jí)。

2.1 應(yīng)用系統(tǒng)思維觀點(diǎn)原則和系統(tǒng)工程方法工具

開(kāi)發(fā)一個(gè)系統(tǒng)完備的概念術(shù)語(yǔ)體系，除了ISO 704的宏觀建議，首先需要采納系統(tǒng)思維的觀點(diǎn)和原則，運(yùn)用系統(tǒng)工程方法和工具。本文提出了以下觀點(diǎn)、原則和方法工具，為概念體系開(kāi)發(fā)提供方法論層面的頂層框架和指導(dǎo)。

1. 系統(tǒng)的觀點(diǎn)、功能的觀點(diǎn)是工程實(shí)踐的基本觀點(diǎn)；

2. 時(shí)間關(guān)系、空間關(guān)系、目的手段或因果關(guān)系是世間的三大基本關(guān)系。

3. 既把概念體系當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)，也把給定概念的定義當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)；

4. 從所關(guān)注系統(tǒng)的目的性和層次性出發(fā)；

5. 明確應(yīng)用場(chǎng)景和各利益相關(guān)方的需求；

6. 不要忽視各層次的使能系統(tǒng)。

7. TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)完備性法則；

8. TRIZ理論的系統(tǒng)思維九屏幕法；

9. IDEF0功能建模方法。

2.2 評(píng)估候選上位概念的工具和步驟

開(kāi)發(fā)概念體系的關(guān)鍵是確定一個(gè)概念在概念體系中的位置和關(guān)系。特別是當(dāng)這個(gè)概念來(lái)自一個(gè)新的領(lǐng)域，人們尚未就其定義達(dá)成一致時(shí)，這一步變得至關(guān)重要和具有挑戰(zhàn)性。根據(jù)術(shù)語(yǔ)工作國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)給出的“內(nèi)涵定義=上位概念+區(qū)別特征（delimiting characteristic）”這一公式，這一任務(wù)可重新表述為“如何為一個(gè)新概念評(píng)估和選擇合適的上位概念”。

本文提出了一套詳細(xì)的步驟（詳見(jiàn)英文原文）來(lái)構(gòu)建概念圖、進(jìn)而分析評(píng)估候選上位概念之間的語(yǔ)義關(guān)系。候選上位概念的定義及其上下位關(guān)系來(lái)自普林斯頓大學(xué)的WordNet 3.1。作為可視化工具，UML類圖被用來(lái)分析候選上位概念之間的語(yǔ)義關(guān)系。

需要指出的是，這種針對(duì)單一概念進(jìn)行追根溯源的概念圖不但可以用于為該概念尋找合適的上位概念，也可用于跨語(yǔ)言或多語(yǔ)種的術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)化工作。例如，筆者在《digital thread何時(shí)是數(shù)字主螺紋的意思》一文中，利用上位概念間的語(yǔ)義關(guān)系圖，探究digital thread各中文譯法與thread各英文釋義的起源對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而為digital thread恰當(dāng)中文譯法的選擇提供決策依據(jù)。

2.3 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)完備的分類的框架、原則和步驟

人們?cè)诮o事物分類時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)分類維度前后不一致、分類結(jié)果未能窮盡的現(xiàn)象。本文為開(kāi)發(fā)概念體系提出的第三項(xiàng)改進(jìn)是提出面對(duì)特定問(wèn)題情境的分類框架，并給出開(kāi)發(fā)一個(gè)系統(tǒng)完備的分類體系（taxonomy）的原則和步驟。

應(yīng)用公式“內(nèi)涵定義=上位概念+區(qū)別特征”來(lái)構(gòu)建一個(gè)領(lǐng)域的概念體系時(shí)，從根本上說(shuō)，這個(gè)概念體系就是一個(gè)分類體系，也可以理解為該領(lǐng)域的輕量級(jí)領(lǐng)域本體。然而，現(xiàn)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明概念體系的類型時(shí)，最多只給出了單維和多維分類（classification）的示例，并未規(guī)范或說(shuō)明如何為一個(gè)領(lǐng)域甚至一個(gè)概念構(gòu)建系統(tǒng)完備（肯定也是多維的）的本體意義上的分類體系（taxonomy）。

圖4 構(gòu)建分類體系的三維框架

為了給各種分類維度提供一個(gè)管理和實(shí)例化的頂層框架，本文運(yùn)用系統(tǒng)思維觀點(diǎn)，以2.1節(jié)所述三大基本關(guān)系為骨架，提出了一個(gè)構(gòu)建分類體系的通用三維框架（圖4）。這一框架是領(lǐng)域無(wú)關(guān)的，可以根據(jù)需要進(jìn)行定制。例如，系統(tǒng)的手段-目的關(guān)系維度可以根據(jù)問(wèn)題解決的邏輯進(jìn)一步分解擴(kuò)展為需求指標(biāo)、質(zhì)量特征或行業(yè)領(lǐng)域等。

在此基礎(chǔ)上，本文給出了開(kāi)發(fā)一個(gè)分類體系的詳細(xì)步驟（詳見(jiàn)英文原文），其中提到了開(kāi)發(fā)分類體系應(yīng)遵循的兩個(gè)準(zhǔn)則：

1. 對(duì)于一維分類，各子集之間的交集應(yīng)為空集；所有子集的并集應(yīng)等于上位概念的全集。

2. 對(duì)于多維分類體系，圖4的分類框架提供分類維度的初始正交性；增加分類維度時(shí)，需要檢查新增維度與現(xiàn)有維度的正交性。

圖4的通用分類該分類框架已被MBSE領(lǐng)域第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC/IEEE 24641采納為基于模型的系統(tǒng)和軟件工程（MBSSE）參考框架的一部分。

2.4 術(shù)語(yǔ)工作的成熟度等級(jí)

面對(duì)具體的術(shù)語(yǔ)工作項(xiàng)目，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和能力成熟度水平，來(lái)定制和選擇相應(yīng)的流程、方法和工具。本文為開(kāi)發(fā)概念體系提出的第四項(xiàng)改進(jìn)是，提出了術(shù)語(yǔ)工作的成熟度等級(jí)模型，為數(shù)字孿生術(shù)語(yǔ)工作提供高層次的需求和愿景：

1級(jí)：概念定義語(yǔ)法正確，但語(yǔ)義和語(yǔ)用不準(zhǔn)確；

2級(jí)：術(shù)語(yǔ)條目和概念定義符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；

3級(jí)：所構(gòu)建的概念體系符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；

4級(jí)：運(yùn)用本文提出的開(kāi)發(fā)概念體系的改進(jìn)方法和流程，所開(kāi)發(fā)的概念體系及其概念定義和術(shù)語(yǔ)條目，符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足利益相關(guān)方要求；

5級(jí)：實(shí)現(xiàn)基于模型的概念體系構(gòu)建和概念定義，即基于模型的術(shù)語(yǔ)工程或本體工程。

數(shù)字孿生的跨學(xué)科性使其成為一種集成的技術(shù)系統(tǒng)。它不僅需要從學(xué)術(shù)研究和行業(yè)實(shí)施的角度，還需要從標(biāo)準(zhǔn)化的角度獲得多學(xué)科的支持。其高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化將促進(jìn)并惠及所有行業(yè)。因此，本文建議數(shù)字孿生的術(shù)語(yǔ)及其他標(biāo)準(zhǔn)化工作采用采用本文提出的開(kāi)發(fā)概念體系的改進(jìn)方法和流程，數(shù)字孿生術(shù)語(yǔ)工作的入門(mén)成熟度級(jí)別從三級(jí)開(kāi)始，以達(dá)到四級(jí)為近期目標(biāo)。

2.5 概念體系的表達(dá)與可視化

ISO 704中開(kāi)發(fā)概念體系的建議和本文提出的改進(jìn)方法對(duì)概念體系的表達(dá)和可視化提出了以下的技術(shù)要求：

1. 采用形式化的建模方法及其表達(dá)語(yǔ)言，而非類自然語(yǔ)言的概念圖；

2. 概念體系的構(gòu)建應(yīng)遵循“內(nèi)涵定義=上位概念+區(qū)別特征”的公式，尤其對(duì)于其中的關(guān)鍵概念；

3. 除了上下位關(guān)系外，為了計(jì)算機(jī)可讀性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的效率，概念體系應(yīng)盡可能少地使用其他語(yǔ)義關(guān)系；

4. 工具或語(yǔ)言應(yīng)支持分類（taxonomy）的表達(dá)，即2.3節(jié)提到的開(kāi)發(fā)一維分類的準(zhǔn)則。

5. 工具或語(yǔ)言應(yīng)支持小規(guī)模（如20個(gè)概念）和中等規(guī)模（如200個(gè)概念）的概念體系開(kāi)發(fā)和表達(dá)，特別是發(fā)表文章中的可視化。

目前，概念體系的表達(dá)和可視化有三個(gè)選項(xiàng)：

(1). 2.2節(jié)提到的用于評(píng)估候選上位概念的UML類圖，

(2). 工業(yè)數(shù)據(jù)相關(guān)（如ISO/TC184/SC4和ISO/TC59/SC13等）的許多標(biāo)準(zhǔn)使用的EXPRESS及其圖形化語(yǔ)言EXPRESS-G（即ISO 10303-11），

(3). 部分標(biāo)準(zhǔn)使用的類自然語(yǔ)言非形式化概念圖。

UML類圖（以及SysML塊定義圖）和EXPRESS-G都可以滿足上述大部分要求。鑒于EXPRESS及其EXPRESS-G的非重疊子類型（ONEOF）和全覆蓋子類型對(duì)2.3節(jié)提出的分類準(zhǔn)則的支持，本文決定選擇EXPRESS-G語(yǔ)言作為所提出的數(shù)字孿生概念體系的建模和可視化工具。

此外，與UML類圖和SysML塊定義圖相比，EXPRESS-G具有簡(jiǎn)潔的表達(dá)規(guī)則和更高的信息密度，可節(jié)省大量的頁(yè)面空間，但在某種程度上犧牲了可讀性。因此，除了給出數(shù)字孿生概念體系的總圖外，本文還提供了不同的局部視圖以提高其可讀性。

3. 成果

面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型的構(gòu)建過(guò)程如圖2所示。首先，以物理生產(chǎn)線中的實(shí)體為基礎(chǔ)，提取生產(chǎn)過(guò)程中物理實(shí)體的尺寸信息、車(chē)間布局設(shè)計(jì)和實(shí)體加工方式等生產(chǎn)信息，作為數(shù)字孿生邏輯模型的幾何參數(shù)和物理屬性；然后，根據(jù)物理實(shí)體在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生的生產(chǎn)行為，構(gòu)建基于事件驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，使數(shù)字孿生邏輯模型具有行為特征、響應(yīng)機(jī)制，以及進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能力；最后，在幾何屬性、物理屬性和生產(chǎn)行為的基礎(chǔ)上，建立生產(chǎn)物理實(shí)體的數(shù)字孿生邏輯模型的仿真規(guī)則，通過(guò)制定模型間的同步推進(jìn)規(guī)則和互斥優(yōu)先規(guī)則，利用邏輯管道將仿真過(guò)程中產(chǎn)生的行為信息傳遞給相關(guān)聯(lián)的模型，從而使各類模型設(shè)備具備演化、運(yùn)轉(zhuǎn)的能力?！?/p>

基于ISO 704開(kāi)發(fā)概念體系的一般原則和指南以及本文提出的改進(jìn)方法，本文分析了術(shù)語(yǔ)“數(shù)字孿生”的多義現(xiàn)象，并確定了區(qū)分?jǐn)?shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)的必要性。本文從“數(shù)字孿生”這一通用術(shù)語(yǔ)出發(fā)，分析了digital twin的二十一個(gè)定義，并從中總結(jié)出十個(gè)上位概念；給出了數(shù)字孿生體的定義，并建議把數(shù)字孿生體認(rèn)定為一種數(shù)字資產(chǎn)，而非數(shù)字化表征；開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)化的數(shù)字孿生概念體系，由大約一百個(gè)概念和五十個(gè)定義組成，包括五個(gè)部分：實(shí)體的頂層本體和分類、數(shù)字孿生體相關(guān)概念、數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)概念、分類框架相關(guān)概念，以及數(shù)字孿生系統(tǒng)的姊妹概念。

3.1 區(qū)分?jǐn)?shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)

為解決引言及表1所指出的“數(shù)字孿生”一詞指代不清的問(wèn)題，有必要參考物聯(lián)網(wǎng)和人工智能術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)化的做法，在ISO 23247采納使用“digital twin entity”（數(shù)字孿生體）這一術(shù)語(yǔ)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入數(shù)字孿生系統(tǒng)digital twin system的概念，將數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)并列使用，用來(lái)消除“數(shù)字孿生”在空間維度下的模糊和歧義。

數(shù)字孿生體digital twin entity的內(nèi)涵外延與目前常見(jiàn)的各種digital twin定義（參見(jiàn)下表2）的范圍基本相同，即與數(shù)字孿生化對(duì)象（或稱目標(biāo)實(shí)體）相對(duì)應(yīng)、互動(dòng)、同步的數(shù)字實(shí)體。而數(shù)字孿生系統(tǒng)中最重要的兩個(gè)核心組件就是目標(biāo)實(shí)體和對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體。按照TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以認(rèn)為是一種“雙”系統(tǒng)bi-system。

這樣，“數(shù)字孿生”作為一個(gè)領(lǐng)域的通用基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)，可以指代該學(xué)科領(lǐng)域、標(biāo)準(zhǔn)化主題、技術(shù)體系、細(xì)分市場(chǎng)或產(chǎn)業(yè)生態(tài)，與物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等其他領(lǐng)域或技術(shù)體系相互作用。而“數(shù)字孿生系統(tǒng)”和“數(shù)字孿生體”這兩個(gè)新的復(fù)合術(shù)語(yǔ)分別指代該領(lǐng)域的工程化系統(tǒng)及其核心組件。

這種區(qū)分既符合基本術(shù)語(yǔ)易于推導(dǎo)或復(fù)合生成新術(shù)語(yǔ)的原則，也符合開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生概念體系和數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)的需要。

3.2 為數(shù)字孿生體選定上位概念

目前有影響的digital twin定義已不下二十種。如何從眾多定義中找出有價(jià)值的亮點(diǎn)，并寫(xiě)出照顧所有利益相關(guān)方要求的定義，是數(shù)字孿生術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)化的首要任務(wù)。根據(jù)“方法”各節(jié)中提到的公式，表2總結(jié)了近十年21個(gè)digital twin典型定義，從中識(shí)別出十個(gè)上位概念，并附加了作者評(píng)論。

表2中典型定義的選取有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：一是識(shí)別出盡可能的digital twin上位概念；二是選擇標(biāo)準(zhǔn)化組織、高引指數(shù)作者、著名研究機(jī)構(gòu)和公司的權(quán)威定義。作者評(píng)論欄基于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù) ISO 704:2022中提到的內(nèi)涵定義編寫(xiě)原則和指南，該定義認(rèn)定的上位概念是否合適？

表2 digital twin典型定義中的上位概念

利用普林斯頓大學(xué)英語(yǔ)詞匯數(shù)據(jù)庫(kù)WordNet提供的定義和關(guān)系，采用UML類圖/SysML塊定義圖中的關(guān)聯(lián)、泛化（即上下位）和依賴關(guān)系表示，圖5給出了 digital twin各種英文定義所涉及的多個(gè)上位概念（圖中標(biāo)棕色的單詞）之間的語(yǔ)義關(guān)系。

圖5 digital twin典型定義中各上位概念之間的語(yǔ)義關(guān)系

分析表 2 和圖 5，可以對(duì)digital twin上位概念的選擇得到一些啟示。

術(shù)語(yǔ)“digital twin”借用了生物學(xué)中的術(shù)語(yǔ)“twin”。這種使用隱喻或轉(zhuǎn)喻的做法有助于新概念的傳播和接受，然而它有時(shí)會(huì)導(dǎo)致術(shù)語(yǔ)和其內(nèi)涵的不一致。這也是為什么大多數(shù)定義都在試圖規(guī)避與生物學(xué)的孿生或復(fù)制相關(guān)的概念，來(lái)為數(shù)字孿生體尋找新的上位概念。但這些努力并不十分成功。例如，National Instruments的定義使用了“replica”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，是“twin”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的叔輩概念，試圖擴(kuò)展數(shù)字孿生的內(nèi)涵和外延，但也沒(méi)有擺脫“copy”的局限。

那些選擇“表示”或“表征”作為上位概念的定義，利用representation是多義詞的特點(diǎn)，試圖進(jìn)一步遠(yuǎn)離“孿生”或“拷貝”。但無(wú)論是表征的活動(dòng)、動(dòng)作，還是表征的結(jié)果，representation都只是數(shù)字孿生體的一個(gè)子功能或一個(gè)組成部分。它只強(qiáng)調(diào)從目標(biāo)實(shí)體（即數(shù)字孿生化的目標(biāo)對(duì)象，可以是物理實(shí)體、數(shù)字實(shí)體或物理-虛擬混合實(shí)體）到數(shù)字孿生體的抽象復(fù)制（即建模），而忽略了數(shù)字孿生體另外兩個(gè)重要的子功能：數(shù)字化執(zhí)行以及與目標(biāo)實(shí)體的狀態(tài)同步。

那些選擇“數(shù)字模型”或“仿真”作為上位概念的定義過(guò)于專注于技術(shù)細(xì)節(jié)（即數(shù)字孿生體的某些組件或子功能），違反了奧卡姆剃刀原則（如無(wú)必要，請(qǐng)勿增加實(shí)體）。數(shù)字孿生體的內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越建模，超越仿真，甚至超越建模加仿真，因此需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)新的概念來(lái)應(yīng)對(duì)新的需求和問(wèn)題情況。從而誤導(dǎo)人們將數(shù)字孿生體視為傳統(tǒng)建模或仿真，或者反過(guò)來(lái)，認(rèn)為傳統(tǒng)的建模仿真就是數(shù)字孿生。

因此，僅靠數(shù)字化表征或數(shù)字化建模無(wú)法承擔(dān)數(shù)字孿生系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)對(duì)象的責(zé)任。需要超越傳統(tǒng)的語(yǔ)義關(guān)系，打破思維定式，引入業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)架構(gòu)等外部因素，為數(shù)字孿生體選擇一個(gè)超越建模和仿真的上位概念，從而超越數(shù)字化表征和數(shù)字化執(zhí)行。

美國(guó)數(shù)字孿生聯(lián)盟（DTC）把數(shù)字化表征分為存儲(chǔ)表征和計(jì)算表征（圖6），試圖將數(shù)字化執(zhí)行相關(guān)的過(guò)程信息也認(rèn)為是一種數(shù)字化表征。這種分法或叫法也說(shuō)得過(guò)去。

圖6 兩類數(shù)字化表征（圖片來(lái)源：美國(guó)數(shù)字孿生聯(lián)盟）

圖7 數(shù)字孿生系統(tǒng)與同步機(jī)制的關(guān)系（圖片來(lái)源：美國(guó)數(shù)字孿生聯(lián)盟）

但DTC進(jìn)而把同步機(jī)制排除在數(shù)字孿生體的范圍之外、甚至排除在數(shù)字孿生系統(tǒng)之外（圖7），筆者不能認(rèn)同。

3.3 數(shù)字孿生的概念體系

在識(shí)別數(shù)字孿生領(lǐng)域的兩個(gè)基本概念（數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)），分析數(shù)字孿生體現(xiàn)有定義中的上位概念，并提出數(shù)字孿生體新的上位概念后，本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)字孿生的概念體系，由數(shù)字孿生的領(lǐng)域本體及相關(guān)的頂層本體構(gòu)成，目前包括約一百個(gè)概念，其中約五十個(gè)概念有正式定義。

圖8 數(shù)字孿生的概念體系

本文采用EXPRESS-G圖來(lái)表達(dá)這一概念體系（圖8），其中按顏色劃分為五個(gè)區(qū)域：

(1) 中下部的藍(lán)色概念是實(shí)體Entity的頂級(jí)本體和分類（taxonomy），是數(shù)字孿生概念體系的基礎(chǔ)部分；(2) 右側(cè)區(qū)域的棕色概念是數(shù)字孿生體相關(guān)概念；(3) 頂部和左上角的綠色概念是數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)概念；(4) 中上部橙色概念是分類框架相關(guān)概念；(5) 左下角的黑色概念是數(shù)字孿生系統(tǒng)的姊妹概念。

3.4 實(shí)體相關(guān)概念的頂層本體

為了給數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)這兩個(gè)最重要的概念確定合適的上位概念，并將其置于數(shù)字孿生概念體系的正確位置，有必要開(kāi)發(fā)實(shí)體Entity這一抽象概念的頂層本體。圖9是圖8實(shí)體相關(guān)概念的簡(jiǎn)化局部視圖，僅有上下位關(guān)系，沒(méi)有屬性關(guān)系。

本文參考WordNet和ISO/IEC 21838-2:2021，梳理了實(shí)體的分類視角，并對(duì)實(shí)體進(jìn)行了一級(jí)分解，包括物理實(shí)體（包括人工實(shí)體、自然實(shí)體和社會(huì)實(shí)體）、虛擬實(shí)體和物理-虛擬混合實(shí)體；抽象實(shí)體和具體實(shí)體；物質(zhì)、能量和信息；系統(tǒng)和過(guò)程；資產(chǎn)和非資產(chǎn)。實(shí)體分類體系的開(kāi)發(fā)符合2.3節(jié)提到的開(kāi)發(fā)分類體系的步驟（詳見(jiàn)英文原文）。

圖9 實(shí)體Entity的頂層本體和分類體系

為了建立物理-虛擬混合實(shí)體與數(shù)字孿生系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從功能角度確定了物理-虛擬混合實(shí)體的三個(gè)下位概念：人機(jī)交互、數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)和信息物理系統(tǒng)。這里的信息物理系統(tǒng)是廣義的，它采用ISO IWA-39:2022中的定義：具有數(shù)字、模擬、網(wǎng)絡(luò)、物理和人類組件相互交互的系統(tǒng)，通過(guò)集成物理和邏輯的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

圖9還確定了數(shù)字孿生系統(tǒng)的兩個(gè)姊妹概念：信息物理系統(tǒng)（狹義）和資產(chǎn)管理外殼。它們都是上述廣義信息物理系統(tǒng)的下位概念。信息物理系統(tǒng)（狹義）的定義修改自ISO 23704-1:2022：其運(yùn)行由計(jì)算和通信內(nèi)核來(lái)監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)、控制和集成的人工物理虛擬混合實(shí)體。

3.5 數(shù)字孿生體相關(guān)概念

本文采用ISO/TS 18101-1:2019提出的digital twin的上位概念——數(shù)字資產(chǎn)作為數(shù)字孿生體的上位概念，即認(rèn)同數(shù)字孿生體是一種數(shù)字資產(chǎn)（如圖8和圖9所示）。資產(chǎn)是指對(duì)組織具有潛在或?qū)嶋H價(jià)值的物品、事物或?qū)嶓w（ISO 55000:2014）。結(jié)合實(shí)際問(wèn)題和業(yè)務(wù)需求，利用數(shù)字孿生體的價(jià)值屬性，構(gòu)建數(shù)字孿生體與數(shù)字資產(chǎn)之間的語(yǔ)義和業(yè)務(wù)關(guān)系，將有助于數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)的開(kāi)發(fā)和在各種工業(yè)場(chǎng)景中的實(shí)施。

基于圖8和圖9中實(shí)體相關(guān)概念的頂層本體，本文提出了數(shù)字資產(chǎn)的新定義（以數(shù)字實(shí)體形式存在的認(rèn)知資產(chǎn)），數(shù)字資產(chǎn)既是數(shù)字實(shí)體，又是認(rèn)知資產(chǎn)。構(gòu)成DIKW層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)和智慧被確定為認(rèn)知資產(chǎn)；因此，實(shí)體相關(guān)概念和數(shù)字孿生體相關(guān)概念被鏈接在一起。圖10提供了數(shù)字孿生體相關(guān)概念的局部視圖。

圖10 數(shù)字孿生體相關(guān)概念的局部視圖

將數(shù)字孿生體認(rèn)定為一種數(shù)字資產(chǎn)的好處如下：

1. 徹底解決twin一詞帶來(lái)的digital twin名實(shí)不符問(wèn)題，擺脫英文語(yǔ)義關(guān)系束縛，引入業(yè)務(wù)需求和架構(gòu)因素，為數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)建立真正意義上的概念體系和領(lǐng)域本體。

2. 通過(guò)將目標(biāo)實(shí)體的數(shù)字化表征和執(zhí)行及其同步機(jī)制封裝在一個(gè)業(yè)務(wù)對(duì)象——數(shù)字孿生體中，避免了數(shù)字孿生體的核心組件與其核心能力的分離。

3. 通過(guò)將數(shù)字孿生體認(rèn)定為數(shù)字資產(chǎn)，明確認(rèn)知資產(chǎn)與數(shù)字資產(chǎn)之間的關(guān)系，豐富了資產(chǎn)分類體系，而且數(shù)字資產(chǎn)管理為數(shù)字孿生體的共享、復(fù)用和管理提供了應(yīng)用場(chǎng)景和方法。

4. 作為MBSSE參考框架的關(guān)鍵維度，DIKW層次結(jié)構(gòu)為數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)設(shè)計(jì)提供更全面的視角，有效避免目前一些數(shù)字孿生系統(tǒng)參考模型只重視數(shù)據(jù)流，而忽視信息流和知識(shí)流的情況。

本文將數(shù)字孿生體定義如下：實(shí)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)體某個(gè)視圖的數(shù)字化表征和執(zhí)行的數(shù)字資產(chǎn)，通過(guò)單向或雙向通信，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)實(shí)體適當(dāng)頻率和可信度的狀態(tài)同步。同步性是數(shù)字孿生體的區(qū)別特征，模型可信性或模型可信度（credibility）是數(shù)字孿生體的另外一個(gè)本質(zhì)特征（essential characteristic）。基于Michael Grieves博士和John Vickers的工作，本文將數(shù)字孿生類型體、數(shù)字孿生實(shí)例體和數(shù)字孿生聚合體確定為數(shù)字孿生體的三個(gè)下位概念。

3.6 數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)概念

基于數(shù)字孿生體的定義，本文給出數(shù)字孿生系統(tǒng)和數(shù)字孿生的定義如下：

1. 數(shù)字孿生系統(tǒng)：由若干目標(biāo)實(shí)體和其若干數(shù)字孿生體互動(dòng)構(gòu)成的廣義信息物理系統(tǒng)，用來(lái)改善目標(biāo)實(shí)體生存周期某個(gè)或某些階段內(nèi)的某項(xiàng)或某些性能指標(biāo)，進(jìn)而為利益相關(guān)者提供價(jià)值。

2. 數(shù)字孿生：由數(shù)字孿生體或數(shù)字孿生系統(tǒng)引發(fā)的技術(shù)體系、專業(yè)領(lǐng)域或產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，數(shù)字線程是數(shù)字孿生體之間的通信框架，起到信息傳遞和整合的作用。互操作性是數(shù)字線程與其他相關(guān)概念（如多BOM視圖等）的區(qū)別特征。本文將數(shù)字線程分為時(shí)間、空間和領(lǐng)域三類，如圖11和圖8所示。系統(tǒng)可信性或系統(tǒng)可信度（trustworthiness）是數(shù)字孿生系統(tǒng)的本質(zhì)特征之一。

圖11 數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)概念的局部視圖

3.7 分類框架相關(guān)概念

在對(duì)2.3節(jié)進(jìn)行概念抽象和建模后，圖12給出了分類框架相關(guān)概念的局部視圖。分類框架和參考框架都是一種框架，這三個(gè)概念在圖12和圖9中出現(xiàn)?？蚣苓@一概念采用了ISO/IEC 19763-1:2015中的定義：用于分類和組織復(fù)雜信息的邏輯結(jié)構(gòu)。

圖12 分類框架相關(guān)概念的局部視圖

圖13給出了采用UML類圖、應(yīng)用分類框架對(duì)模型進(jìn)行分類的示例，這將為數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)的開(kāi)發(fā)提供有用的輸入。圖9是分類框架應(yīng)用的另一個(gè)例子。

圖13 模型的分類體系

4. 結(jié)論

生產(chǎn)行為是實(shí)際生產(chǎn)加工資源的行為抽象，因?yàn)檫壿媽用婧雎粤藢?shí)際制造設(shè)備的加工動(dòng)作，所以物理實(shí)體的數(shù)字孿生邏輯模型主要通過(guò)生產(chǎn)行為描述生產(chǎn)過(guò)程中相應(yīng)要素的行為狀態(tài)。根據(jù)ROCHA等將UML序列圖擴(kuò)展繪制成有限狀態(tài)機(jī)（Finite　State　Machine，F(xiàn)SM）的過(guò)程，本文通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)對(duì)數(shù)字孿生邏輯模型內(nèi)部行為和外部輸入事件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移進(jìn)行建模，描述模型在其生命周期內(nèi)經(jīng)歷的有限狀態(tài)序列，以及抽象模型因外部事件觸發(fā)狀態(tài)改變的所有情況。

隨著一項(xiàng)新技術(shù)或一個(gè)新概念的出現(xiàn)，該領(lǐng)域的概念體系構(gòu)建和相關(guān)術(shù)語(yǔ)定義是后續(xù)大量標(biāo)準(zhǔn)化工作和行業(yè)實(shí)踐的基礎(chǔ)。本文介紹了構(gòu)建概念體系對(duì)一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域的重要性。基于術(shù)語(yǔ)工作國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種增強(qiáng)的概念體系開(kāi)發(fā)方法論，包括相關(guān)系統(tǒng)思維觀點(diǎn)和系統(tǒng)工程方法、用于評(píng)估候選上位概念的工具和步驟、用于開(kāi)發(fā)系統(tǒng)完備分類體系的三維分類框架、以及術(shù)語(yǔ)工作的成熟度等級(jí)模型，為數(shù)字孿生概念體系的開(kāi)發(fā)和術(shù)語(yǔ)定義提供了理論準(zhǔn)備和質(zhì)量要求。

本文從標(biāo)準(zhǔn)化的角度出發(fā)，基于這一增強(qiáng)方法論，分析了digital twin的多義現(xiàn)象和問(wèn)題，明確了將數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)與一般術(shù)語(yǔ)“數(shù)字孿生”區(qū)分開(kāi)來(lái)的必要性；由于一個(gè)概念的組件或子功能不能作為該概念的上位概念，因此提出數(shù)字孿生體最好是一種數(shù)字資產(chǎn)，而非數(shù)字化表征或數(shù)字模型；基于數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)這兩個(gè)新的概念和定義，構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)化的、本體意義上的數(shù)字孿生概念體系。

(a) （圖片來(lái)源：ISO/IEC 30141:2018）

(b)

圖14 概念體系或概念模型在標(biāo)準(zhǔn)化工作中的價(jià)值

本文提出的概念體系開(kāi)發(fā)增強(qiáng)方法論和開(kāi)發(fā)的數(shù)字概念體系的價(jià)值和好處如下：

1. 展示了術(shù)語(yǔ)工作標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)思維和系統(tǒng)工程方法以及信息建模工具相結(jié)合的力量和有效性。

2. 驗(yàn)證了“內(nèi)涵定義=上位概念+區(qū)別特征”這一術(shù)語(yǔ)定義公式和“概念體系=內(nèi)涵定義+上下位關(guān)系”這一概念體系開(kāi)發(fā)過(guò)程的有效性及其在參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化工作中基礎(chǔ)作用（圖14(a)，根據(jù)一系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的定義，專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的“概念模型”與術(shù)語(yǔ)工作領(lǐng)域中的“概念體系”是同義詞）。

3. 為將來(lái)的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化工作，如數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)和成熟度模型，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)（圖14(b)）。

4. 為其他領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)工作提供了有益的輸入，如除了增強(qiáng)方法論的正向應(yīng)用外，其反向應(yīng)用可作為當(dāng)前術(shù)語(yǔ)工作的驗(yàn)證工具和質(zhì)量改進(jìn)指南。