作者：趙敏 寧振波

來源：大數(shù)據(jù)DT(ID：hzdashuju)

內(nèi)容摘編自《鑄魂：軟件定義制造》

導(dǎo)讀：數(shù)字孿生(Digital Twin)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，而是發(fā)展到了一定階段，人們意識到應(yīng)該給這種綜合化的技術(shù)起一個更確切的名字。

本文論述的數(shù)字孿生有兩層意思，一是指物理實體與其數(shù)字虛體之間的精確映射的孿生關(guān)系;二是將具有孿生關(guān)系的物理實體、數(shù)字虛體分別稱作物理孿生體、數(shù)字孿生體。默認(rèn)情況下，數(shù)字孿生亦指數(shù)字孿生體。

01 實踐先行 概念后成

數(shù)字孿生是客觀世界中的物化事物及其發(fā)展規(guī)律被軟件定義后的一種結(jié)果。豐富的工業(yè)軟件內(nèi)涵以及強(qiáng)大的軟件定義效果，讓數(shù)字孿生的研究在國內(nèi)外呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢。作者認(rèn)為數(shù)字孿生與計算機(jī)輔助(CAX)軟件(尤其是廣義仿真軟件)以及數(shù)據(jù)采集/分析的發(fā)展關(guān)系十分密切。

在工業(yè)界，人們用軟件來模仿和增強(qiáng)人的行為方式，例如，計算機(jī)繪圖軟件最早模仿的是人在紙面上作畫的行為。人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展成熟后，以下模仿行為開始出現(xiàn)：

用CAD軟件模仿產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與外觀

CAE軟件模仿產(chǎn)品在各種物理場情況下的力學(xué)性能

CAM軟件模仿零部件和夾具在加工過程中的刀軌情況

CAPP軟件模仿工藝過程

CAT軟件模仿產(chǎn)品的測量/測試過程

OA軟件模仿行政事務(wù)的管理過程

MES軟件模仿車間生產(chǎn)的管理過程

SCM軟件模仿企業(yè)的供應(yīng)鏈管理

CRM軟件模仿企業(yè)的銷售管理過程

MRO軟件模仿產(chǎn)品的維修過程管理，等等

依靠軟件中的某些特定算法，人們已經(jīng)開發(fā)出了某些具有一定智能水平的工業(yè)軟件，如具有關(guān)聯(lián)設(shè)計效果的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)。

在文學(xué)與娛樂界，人們用軟件來模仿和增強(qiáng)人的體驗方式，例如：

用電子書來模仿紙質(zhì)書

用電子音樂來模仿現(xiàn)場音樂

用電子琴軟件來彈琴

用評書軟件來說書

用卡通軟件來模仿漫畫

用動漫軟件來模仿動畫影片

用游戲軟件來模仿各種真實游戲

用百年歷軟件來快速查找某個特殊日期或“吉時”等

人們不僅可以模仿已知的、有經(jīng)驗的各種事物，還可以創(chuàng)造性地模仿各種未知的、從未體驗過的事物，例如影視界可以用軟件創(chuàng)造出諸如龍、鳳、麒麟、阿凡達(dá)、白雪公主、七個小矮人等故事中的形象，當(dāng)然也可以創(chuàng)造出更多的聞所未聞、見所未見的各種形象。

特別是當(dāng)這種模仿與VR/AR技術(shù)結(jié)合在一起的時候，所有的場景都栩栩如生，直入心境。于是，在由數(shù)字虛體構(gòu)成的虛擬世界中，所有的不可能都變成有可能，所有的在物理世界無法體驗和重復(fù)的奇妙、驚險和刺激場景，都可以在數(shù)字空間得以實現(xiàn)，最大限度地滿足了人的感官體驗和精神需求。

事實上，十幾年前在汽車、飛機(jī)等復(fù)雜產(chǎn)品工程領(lǐng)域出現(xiàn)的“數(shù)字樣機(jī)”的概念，就是對數(shù)字孿生的一種先行實踐活動，一種技術(shù)上的孕育和前奏。

數(shù)字樣機(jī)最初是指在CAD系統(tǒng)中通過三維實體造型和數(shù)字化預(yù)裝配后，得到一個可視化的產(chǎn)品數(shù)字模型(幾何樣機(jī))，可以用于協(xié)調(diào)零件之間的關(guān)系，進(jìn)行可制造性檢查，因此可以基本上代替物理樣機(jī)的協(xié)調(diào)功能。

但隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字樣機(jī)的作用也在不斷增強(qiáng)，人們在預(yù)裝配模型上進(jìn)行運(yùn)動、人機(jī)交互、空間漫游、機(jī)械操縱等飛機(jī)功能的模擬仿真。之后又進(jìn)一步與機(jī)器的各種性能分析計算技術(shù)結(jié)合起來，使之能夠模擬仿真出機(jī)器的各種性能。因此將數(shù)字樣機(jī)按其作用從幾何樣機(jī)，擴(kuò)展到功能樣機(jī)和性能樣機(jī)。

以復(fù)雜產(chǎn)品研制而著稱的飛機(jī)行業(yè)，在數(shù)字樣機(jī)的應(yīng)用上走在了全國前列。某些型號飛機(jī)研制工作在20世紀(jì)末就已經(jīng)圍繞著數(shù)字樣機(jī)展開。數(shù)字樣機(jī)將承載幾乎完整的產(chǎn)品信息。

因此，人們可以通過數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行飛機(jī)方案的選擇，利用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行可制造的各種仿真，在數(shù)字樣機(jī)上檢查未來飛機(jī)的各種功能和性能，發(fā)現(xiàn)需要改進(jìn)的地方，最終創(chuàng)建出符合要求的“數(shù)字飛機(jī)”，并將其交給工廠進(jìn)行生產(chǎn)，制造成真正的物理飛機(jī)，完成整個研制過程。

無論是幾何樣機(jī)、功能樣機(jī)和性能樣機(jī)，都屬于數(shù)字孿生的范疇。數(shù)字孿生的術(shù)語雖然是最近幾年才出現(xiàn)的，但是數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵的探索與實踐，早已經(jīng)在十多年前就開始并且取得了相當(dāng)多的成果。

例如中國航空工業(yè)集團(tuán)第一飛機(jī)研究院(簡稱“一飛院”)在21世紀(jì)初開發(fā)的飛豹全數(shù)字樣機(jī)與已經(jīng)服役的飛機(jī)形成了簡明意義上的“數(shù)字孿生”(盡管當(dāng)時沒有這個術(shù)語)關(guān)系，如圖5-1所示。

▲圖5-1 飛豹全數(shù)字樣機(jī)與服役飛機(jī)

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、仿真、工藝、生產(chǎn)等結(jié)果，越來越虛實對應(yīng)，越來越虛實融合，越來越廣泛應(yīng)用，數(shù)字虛體越來越賦能于物理實體系統(tǒng)。

近些年，當(dāng)人們提出了希望物理空間中的實體事物與數(shù)字空間中的虛擬事物之間具有可以聯(lián)接數(shù)據(jù)通道、相互傳輸數(shù)據(jù)和指令的交互關(guān)系之后，數(shù)字孿生概念基本成形，并且作為智能制造中一種基于IT視角的新型應(yīng)用技術(shù)，逐漸走進(jìn)人們的視野。

事實上，現(xiàn)有的工業(yè)軟件研發(fā)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及沉積在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的大量的工業(yè)技術(shù)和知識，都是實現(xiàn)數(shù)字孿生的上好“原料”和基礎(chǔ)構(gòu)件，數(shù)字孿生在工業(yè)現(xiàn)實場景中已經(jīng)具有了實現(xiàn)和推廣應(yīng)用的巨大潛力。

02 內(nèi)涵解讀 見仁見智

根據(jù)目前看到的資料，數(shù)字孿生術(shù)語由邁克爾·格里夫(Michael Grieves)教授在美國密歇根大學(xué)任教時首先提出。

2002年12月3日他在該?！癙LM開發(fā)聯(lián)盟”成立時的講稿中首次圖示了數(shù)字孿生的概念內(nèi)涵，2003年他在講授PLM課程時使用了“Digital Twin(數(shù)字孿生)”，在2014年他撰寫的“數(shù)字孿生：通過虛擬工廠復(fù)制實現(xiàn)卓越制造(Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication)”文章中進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，奠定了數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵。

在航太領(lǐng)域和工業(yè)界，較早開始使用數(shù)字孿生術(shù)語。2009年美國空軍實驗室提出了“機(jī)身數(shù)字孿生(Airframe Digital Twin)”的概念。2010年NASA也開始在技術(shù)路線圖中使用“數(shù)字孿生(Digital Twin)”術(shù)語。

大約從2014年開始，西門子、達(dá)索、PTC、ESI、ANSYS等知名工業(yè)軟件公司，都在市場宣傳中使用“Digital Twin”術(shù)語，并陸續(xù)在技術(shù)構(gòu)建、概念內(nèi)涵上做了很多深入研究和拓展。

數(shù)字孿生尚無業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)定義，概念還在發(fā)展與演變中。下面舉例幾個國內(nèi)外企業(yè)或組織做的數(shù)字孿生定義，供讀者參考。

美國國防采辦大學(xué)認(rèn)為：數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成對物理實體的映射，從而反映物理實體的全生命周期過程。

ANSYS公司認(rèn)為：數(shù)字孿生是在數(shù)字世界建立一個與真實世界系統(tǒng)的運(yùn)行性能完全一致，且可實現(xiàn)實時仿真的仿真模型。利用安裝在真實系統(tǒng)上的傳感器數(shù)據(jù)作為該仿真模型的邊界條件，實現(xiàn)真實世界的系統(tǒng)與數(shù)字世界的系統(tǒng)同步運(yùn)行。

中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心劉亞威認(rèn)為：從本質(zhì)上來看，數(shù)字孿生是一個對物理實體或流程的數(shù)字化鏡像。創(chuàng)建數(shù)字孿生的過程，集成了人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和傳感器數(shù)據(jù)，以建立一個可以實時更新的、現(xiàn)場感極強(qiáng)的“真實”模型，用來支撐物理產(chǎn)品生命周期各項活動的決策。

上海優(yōu)也信息科技有限公司首席技術(shù)官林詩萬博士對數(shù)字孿生的理解是，數(shù)字孿生體可有多種基于數(shù)字模型的表現(xiàn)形式，在圖形上，有幾何、高保真、高分辨率渲染、抽象簡圖等;在狀態(tài)和行為上，有設(shè)備運(yùn)行、受力、磨損、報警、宕機(jī)、事故等;在質(zhì)地上，有材質(zhì)、表面特性、微觀材料結(jié)構(gòu)等。如圖5-2所示。

▲圖5-2 數(shù)字孿生示意圖(來自優(yōu)也公司)

北京航空航天大學(xué)張霖教授認(rèn)為，“數(shù)字孿生是物理對象的數(shù)字模型，該模型可以通過接收來自物理對象的數(shù)據(jù)而實時演化，從而與物理對象在全生命周期保持一致。”

作者經(jīng)過多年研究，也給出了自己的理解和定義：數(shù)字孿生是在“數(shù)字化一切可以數(shù)字化的事物”大背景下，通過軟件定義和數(shù)據(jù)驅(qū)動，在數(shù)字虛體空間中創(chuàng)建的虛擬事物，與物理實體空間中的現(xiàn)實事物形成了在形、態(tài)、質(zhì)地、行為和發(fā)展規(guī)律上都極為相似的虛實精確映射關(guān)系，讓物理孿生體與數(shù)字孿生體具有了多元化映射關(guān)系，具備了不同的保真度(逼真、抽象等)。

數(shù)字孿生不但持續(xù)發(fā)生在物理孿生體全生命周期中，而且數(shù)字孿生體會超越物理孿生體生命周期，在數(shù)字空間持久存續(xù)。充分利用數(shù)字孿生可在智能制造中孕育出大量新技術(shù)和新模式。

03 數(shù)字孿生 非

“Digital Twin”在翻譯和理解上頗有不同，歧義性發(fā)生在數(shù)字孿生應(yīng)用場景中人們對“Twin”的理解上。“Twin”作為名稱在英漢詞典中有幾種翻譯結(jié)果：“孿生子之一，雙胞胎之一;兩個相像的人或物之一;成對、成雙的東西;孿晶;雙人床”。

如果僅看直譯結(jié)果，雙胞胎是準(zhǔn)確翻譯，但是如果仔細(xì)分析該術(shù)語的應(yīng)用場景，上述翻譯結(jié)果都不貼切，只有“孿生子之一”還算接近“Digital Twin”所描述的應(yīng)用場景中的概念。而作者恰恰要強(qiáng)調(diào)的是“Digital Twin”術(shù)語的應(yīng)用場景。

1. 只有“相像”而無“相等”

在相像程度上，從“生物場景/物理場景”的“Twin”，引申到“數(shù)字化場景”的“Digital Twin”，其本意是強(qiáng)調(diào)在數(shù)字空間構(gòu)建的數(shù)字虛體與物理空間的物理實體非常相像。

但是，相像歸相像，無論彼此多么像，二者也不是“是”“等于”或“相等”的關(guān)系，因為本非同源或同生，一個數(shù)字虛體無論多么像一個物理實體，它也不是物理實體——這個客觀事實必須界定清楚。

“Digital Twin”描述的“相像”，通常都僅僅是指數(shù)字虛體和物理實體在外觀和宏觀結(jié)構(gòu)上的“相像”，而從形、態(tài)、質(zhì)地、行為和發(fā)展規(guī)律等多方面的評價指標(biāo)來看，其實差異極大，本質(zhì)本源不同。

“數(shù)字雙胞胎”一詞，較容易引導(dǎo)人們把二者完全等同起來，把“貌似一模一樣”誤認(rèn)為“就是一模一樣”甚至“相等”，從而形成認(rèn)知錯覺。

2. 數(shù)字孿生關(guān)系并不止于“雙”

即使從“相像”來看，在所指上也并非限于“雙”，因為“雙”字會把更多的潛在應(yīng)用場景限制住——彼此相像的虛實映射事物未必只有貌似常見的“一對一”關(guān)系，其實還有以下虛實映射對應(yīng)關(guān)系：

“一對多”——一個物理實體對應(yīng)多個數(shù)字虛體(一臺汽車發(fā)動機(jī)可有D /N/S等不同的駕駛擋位，啟動/高速/低速/磨合/磨損等不同的工作狀態(tài)，對此，在車載軟件中用不同的參數(shù)和軟件模型來描述和調(diào)控);

“多對一”——多個物理實體對應(yīng)一個數(shù)字虛體(例如同型號不同尺寸的螺栓或鉚釘對應(yīng)同一個三維CAD模型);

“多對多”——更為一般化的設(shè)備工作場景(例如設(shè)計階段因數(shù)字化“構(gòu)型/配置”不同而產(chǎn)生了系列化物理設(shè)備及其數(shù)字孿生體，這些設(shè)備及其數(shù)字孿生體又置身于多種實物工作場景和數(shù)字場景)。

3. 需要考慮的特殊對應(yīng)模式

在一些特殊場景中，數(shù)字孿生還存在“一對少”“少對一”“一對零”“零對一”的特殊對應(yīng)模式：

“一對少”——一個物理實體對應(yīng)一個高度抽象的數(shù)字虛體(例如一輛高鐵在調(diào)度上對應(yīng)一個高度簡化的數(shù)字化線框模型);

“少對一”——以一部分物理實體對應(yīng)一個完整數(shù)字虛體(例如一個齒輪副對應(yīng)一個減速箱的“三維CAD模型+力學(xué)載荷模型”);

“一對零”——因為不知其規(guī)律、缺乏機(jī)理模型導(dǎo)致某些已知物理實體沒有對應(yīng)的數(shù)字虛體(例如暗物質(zhì)、氣候變化規(guī)律等);

“零對一”——人類憑想象和創(chuàng)意在數(shù)字空間創(chuàng)造的“數(shù)字虛體”，現(xiàn)實中沒有與其對應(yīng)的“物理實體”(例如數(shù)字創(chuàng)意中的各種形象)。

一架戰(zhàn)斗機(jī)由數(shù)萬個結(jié)構(gòu)件、幾十萬個標(biāo)準(zhǔn)件、大量的電子元器件和機(jī)載設(shè)備構(gòu)成。

在從飛機(jī)的方案設(shè)計，到初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、試制、試驗，再到批生產(chǎn)、交付、運(yùn)行、維護(hù)、維修，最后再到報廢的全生命周期中，一個標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)字模型會對應(yīng)成千上萬個實物零件，一個實物零件也會對應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計模型、多個仿真模型、工藝模型、工藝仿真模型、生產(chǎn)模型、裝配模型、維護(hù)維修模型等，由此形成了物理實體和數(shù)字虛體的多元化對應(yīng)關(guān)系，即“一對一”“一對多”“多對一”“多對多”“一對少”“少對一”“一對零”“零對一”。因此只談“一對一”就顯得在理解上過于簡單了。

綜上所述，“Digital Twin”一詞在翻譯和理解時，既不應(yīng)限定在“雙”，也不宜理解為“胎”。該詞借用“Twin”之意，所表達(dá)的是一種數(shù)字虛體與物理實體非常相像的多元化虛實映射關(guān)系。

應(yīng)用場景和對應(yīng)模式是多種多樣的。

04 虛體測試 實體創(chuàng)新

數(shù)字虛體與物理實體之間的孿生關(guān)系，其實早就有之，只不過此前沒有使用嚴(yán)格定義的術(shù)語來表達(dá)。

平時大家所說的“比特(bit)與原子(atom)”“賽博與物理”“虛擬與現(xiàn)實”“數(shù)字樣機(jī)與物理樣機(jī)”“數(shù)字孿生體與物理孿生體”“數(shù)字端(C)與物理端(P)”“數(shù)字世界與物理世界”“數(shù)字空間與物理空間”等不同的虛實對應(yīng)詞匯，實際上都是在以不同的專業(yè)術(shù)語，或近似或準(zhǔn)確地描述兩種“體”之間的虛實映射關(guān)系。

從映射關(guān)系上看，一虛、一實，兩種“體”相互對應(yīng)，數(shù)量不限。數(shù)字虛體是物理實體的“數(shù)字孿生體”，反之，物理實體也是數(shù)字虛體的“物理孿生體”，這是二者的基本關(guān)系和事實。

從誕生順序上看，先有物理實體，后有數(shù)字虛體。以工業(yè)視角來看，實體是第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命的產(chǎn)物，虛體是第三次工業(yè)革命的產(chǎn)物。而虛體對實體的描述、定義、放大與控制，以及二者的逐漸融合，正在促成新工業(yè)革命。

從重要性上看，沒有物理實體，就無法執(zhí)行工業(yè)必需的物理過程，無法保障國計民生;沒有數(shù)字虛體，就無法實現(xiàn)對物理實體的賦值、賦能和賦智，就失去了工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的技術(shù)途徑。虛實必須融合，二者均不可缺。但是最終體現(xiàn)的，是轉(zhuǎn)型升級之后的“新工業(yè)實體”，是有了數(shù)字虛體作為大腦、神經(jīng)特別是靈魂的全新機(jī)器和設(shè)備。

從創(chuàng)新性上看，虛實融合，相互放大價值。而且，在產(chǎn)品研制上，先做物理實體還是先做數(shù)字虛體，人們有了更多的選擇，無論是誰先誰后，或是同時生成，都可產(chǎn)生諸多創(chuàng)新，智能制造中的很多新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)也就此產(chǎn)生。

波音公司為F-15C型飛機(jī)創(chuàng)建了數(shù)字孿生體，不同工況條件、不同場景的模型都可以在數(shù)字孿生體上加載，每個階段、每個環(huán)節(jié)都可以衍生出一個或多個不同的數(shù)字孿生體，從而對飛機(jī)進(jìn)行全生命周期各項活動的仿真分析、評估和決策，讓物理產(chǎn)品獲得更好的可制造性、裝配性、檢測性和保障性。如圖5-3所示。

▲圖5-3 波音F-15C飛機(jī)的多個數(shù)字孿生模型

據(jù)報道，美國陸軍環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所2010年開始啟動一個項目，旨在創(chuàng)建完整的“阿凡達(dá)”單兵。該所研究人員希望給每名軍人都創(chuàng)建出自己的數(shù)字虛擬形象，無論高矮胖瘦和脾氣秉性。目前已經(jīng)成功地開發(fā)了250名“阿凡達(dá)”單兵。

在一個復(fù)雜的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，研究人員讓這些虛擬單兵穿上不同的作戰(zhàn)服，變換不同的姿勢和位置，不斷加載戰(zhàn)場環(huán)境的數(shù)字孿生體來進(jìn)行各種逼真的高風(fēng)險模擬，從而替代實戰(zhàn)測試。通過各種數(shù)字化測試來找出他們的弱點，甚至模擬各種惡劣氣候環(huán)境來測試這些單兵的生理環(huán)境適應(yīng)能力。所有測試過程無人身危險，可以隨意反復(fù)試驗。

上述技術(shù)路徑可以用在新開發(fā)或正在改進(jìn)的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)線上，即盡量在數(shù)字空間中，針對有待改進(jìn)的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)線，做好它們的數(shù)字孿生體，施加并測試各種數(shù)字化的工況條件，隨意變換工作場景，以近乎零成本對這些數(shù)字孿生體進(jìn)行虛擬測試和反復(fù)迭代，待一切測試結(jié)果都滿足了設(shè)計與改進(jìn)目的之后，再在實際的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)線上進(jìn)行實測，這樣可以大幅度減少對物理實體測試環(huán)境的依賴和損耗，減少或避免可能出現(xiàn)的環(huán)境污染或人體傷害。最終通過一兩次迭代就能實現(xiàn)對實體機(jī)器設(shè)備的改進(jìn)。