林詩(shī)萬

近兩年來數(shù)字孿生體受到越來越多的關(guān)注，這反映在對(duì)這個(gè)詞搜索的次數(shù)，比兩年前急劇上升快10倍，不僅搜索次數(shù)急速上升，相關(guān)頁面的內(nèi)容也快速增加。從相關(guān)搜索來看，大多數(shù)讀者關(guān)注的是數(shù)字孿生體這個(gè)概念，也有相當(dāng)多的關(guān)注是在于此技術(shù)以及一些具體的實(shí)施。另一方面，國(guó)際著名分析公司Gartner的新興技術(shù)的周期，在這兩年的報(bào)告中都連續(xù)列入了數(shù)字孿生體，并在去年的報(bào)告里，數(shù)字孿生體逼近頂峰。對(duì)這個(gè)信息大家可能會(huì)覺得有點(diǎn)好奇，數(shù)字孿生體是什么新技術(shù)，為什么突然受到這么多的關(guān)注。

在我看來，這是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造發(fā)展的一個(gè)很自然的結(jié)果，要從這個(gè)方面來理解這個(gè)問題，我們可以先回顧一下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)和發(fā)展的趨勢(shì)。

數(shù)字孿生是什么 能做什么

數(shù)字孿生體的概念是什么？做什么？為了什么目的？數(shù)字孿生體的概念第一次提出是在2002年的一篇論文里，其后也有大同小異的定義，最近工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟也基于這個(gè)概念的重要性提出了一個(gè)新的定義。我從三個(gè)方面對(duì)這些定義做了一個(gè)解析。數(shù)字孿生體是什么，是實(shí)體或邏輯對(duì)象在數(shù)字空間的全生命周期的動(dòng)態(tài)復(fù)制體。用來做什么，是基于豐富的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和先進(jìn)的算法模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象狀態(tài)和行為高保真度的數(shù)字化表征、模擬試驗(yàn)和預(yù)測(cè)。為了什么目的，對(duì)物理和邏輯空間的對(duì)象實(shí)現(xiàn)深入的認(rèn)知、正確的推理、精準(zhǔn)的操作，最后還是回到操作這個(gè)層次。

有幾個(gè)重要的要點(diǎn)，首先它是實(shí)體和邏輯對(duì)象，不僅是針對(duì)物理的對(duì)象。數(shù)字孿生體的另一半孿生不一定都是物理實(shí)體，也可以是邏輯實(shí)體。比如對(duì)于生產(chǎn)流程、業(yè)務(wù)流程包括生產(chǎn)的組織結(jié)構(gòu)也都可以建立數(shù)字孿生體。對(duì)于物理實(shí)體，包括物理實(shí)體所處的環(huán)境。

簡(jiǎn)單地說，只要是有數(shù)據(jù)可采的或者能夠安裝傳感器的，可以測(cè)量的，能為我們創(chuàng)造價(jià)值的都可以創(chuàng)造數(shù)字孿生體。另外一個(gè)重要的點(diǎn)，第一個(gè)定義里是動(dòng)態(tài)的復(fù)制品，動(dòng)態(tài)的意思是說數(shù)字孿生體跟它對(duì)應(yīng)的實(shí)體孿生體有雙向連接，但是這個(gè)連接不是對(duì)稱的，實(shí)物這個(gè)孿生體向數(shù)字孿生體上傳他們的狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生體根據(jù)計(jì)算的結(jié)果和業(yè)務(wù)邏輯的要求，向?qū)嶓w孿生體下達(dá)指令，還有雙向的連接是動(dòng)態(tài)的，最好是實(shí)時(shí)的，才能達(dá)到最佳的計(jì)算結(jié)果。

最后這種雙向連接是全生命周期的，數(shù)字孿生體與實(shí)體的孿生體是與生共有、同生同長(zhǎng)，任何一個(gè)實(shí)體孿生體發(fā)生的事件都應(yīng)該上傳到數(shù)字孿生體作為計(jì)算和記錄，實(shí)體孿生體在這個(gè)運(yùn)行過程中的勞損，比如故障，都能夠在數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)里有所反映。數(shù)字孿生體是數(shù)字化的一種思路方法論，是一種技術(shù)體系和技術(shù)能力，目的是為了我們把生產(chǎn)過程和設(shè)備發(fā)生的變化，把這些事物理解透，目的是讓我們把生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)這些事情做好，目的性也是非常明確的。

下面作為背景材料，我們討論一個(gè)很有意思的場(chǎng)景，雖然不是跟我們目前所講的數(shù)字孿生體有所聯(lián)系，但是對(duì)我們理解數(shù)字孿生體還是有所幫助的。數(shù)字孿生體并不是一個(gè)全新的概念，在過去四五十年來多處應(yīng)用過，那時(shí)候沒有確切名稱，而且只是在特定領(lǐng)域里有零散應(yīng)用，缺乏系統(tǒng)性的廣泛應(yīng)用。目前我們之所以能夠廣泛推廣這種技術(shù)，是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以匯聚大量數(shù)據(jù)，也有了低成本的對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的能力。

1972年美國(guó)的阿波羅13號(hào)航天器飛行到月球時(shí)發(fā)生故障，航天員被迫放棄服務(wù)航天模組，轉(zhuǎn)入登月球的模塊里，想方設(shè)法返回地球。當(dāng)時(shí)事故發(fā)生一個(gè)小時(shí)之后，地面控制站已經(jīng)能夠開始對(duì)飛行器進(jìn)行模擬，計(jì)算它整個(gè)軌跡和燃燒的時(shí)間，新的導(dǎo)航還有飛行控制程序，最后使得飛行員成功返回地球。他們能夠在地球表面，通過一些數(shù)據(jù)，在本地模擬，通過模擬計(jì)算理解到飛行器在幾十萬公里之外的距離里對(duì)它提供控制的策略，當(dāng)做最初的數(shù)字孿生體的應(yīng)用。

數(shù)字孿生體的內(nèi)涵是什么，有哪些功能？我們現(xiàn)在對(duì)這個(gè)要素做一個(gè)討論。數(shù)字孿生體首先是要采集它所對(duì)應(yīng)的實(shí)體的孿生體全生命周期的數(shù)據(jù)，包括當(dāng)這個(gè)設(shè)備作為產(chǎn)品時(shí)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，還有部署后的使用數(shù)據(jù)和維保的記錄，數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體的一個(gè)根本。數(shù)字孿生體另外一個(gè)要素是各種各樣的模型，機(jī)理的模型、數(shù)字的模型、三維的模型、幫助可視化的模型。這是另外一個(gè)重要的要素，數(shù)據(jù)模型。

這些模型幫助我們通過對(duì)我們所采集到的數(shù)據(jù)，特別是在運(yùn)行過程里采到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，幫助我們對(duì)這個(gè)設(shè)備有深度的洞察。最后一個(gè)要素，數(shù)字孿生體必須提供服務(wù)的接口，讓場(chǎng)景的應(yīng)用、在上層的應(yīng)用，能夠用API的方法，比較方便地調(diào)用各種模型計(jì)算的結(jié)果和其他的原始數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體的基本要素，這些數(shù)據(jù)的采集可以從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開始，跨越多個(gè)制造和部署的環(huán)節(jié)，兩年前我在介紹數(shù)字孿生體的時(shí)候，基于制造業(yè)信息化的三鏈模型來表達(dá)，數(shù)據(jù)采集的范疇顯然是個(gè)很復(fù)雜的過程，開始初建數(shù)字孿生體的時(shí)候也不太可能都面面俱到，把所有的數(shù)據(jù)都能采集到才能做計(jì)算。我們現(xiàn)在需要切合實(shí)際地根據(jù)算法模型的需求，根據(jù)業(yè)務(wù)的需求，來決定有哪些數(shù)據(jù)我們是需要去采集的。另外一點(diǎn)，由于工業(yè)設(shè)備在運(yùn)維階段的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于制造周期，數(shù)字孿生體的使用在運(yùn)維階段也占了一個(gè)重要的地位，一般一個(gè)產(chǎn)品、一個(gè)裝備生產(chǎn)最長(zhǎng)也就若干年，這種裝備一旦部署，可能會(huì)用二十年、三十年，在二十年、三十年里，數(shù)字孿生體一旦建立起來，可以用很長(zhǎng)時(shí)間。

數(shù)字孿生體組態(tài)

數(shù)字孿生體的組態(tài)，任何可以采得到數(shù)據(jù)的值得算的實(shí)體都可以建立數(shù)字孿生體，包括某些設(shè)備里的組件，正如實(shí)體設(shè)備由很多實(shí)體的組件組成，他們相對(duì)的數(shù)字孿生體也是如此。一些常見的數(shù)字孿生體的組態(tài)，比如在生產(chǎn)環(huán)境里組件組成設(shè)備，設(shè)備數(shù)字孿生體也可以組成產(chǎn)線，另外還有其他一些不同的組態(tài)。在每一個(gè)層次上，比如層級(jí)的組合里，在每一個(gè)層級(jí)上都可以采集它獨(dú)立的數(shù)據(jù)和建立相應(yīng)的模型，對(duì)這些數(shù)據(jù)，對(duì)它本身的數(shù)據(jù)、對(duì)組件的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

數(shù)字孿生體的使用和部署模式。左邊是設(shè)備實(shí)體的孿生體，右邊是它相應(yīng)的數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生體這個(gè)詞有時(shí)候用起來不一定很準(zhǔn)確，雖然我們有一個(gè)主的數(shù)字孿生體，但是在我們用起來的時(shí)候，數(shù)字孿生體的模型是可以通過具體的實(shí)例化在多處使用，有時(shí)候還并行使用。比如我們要在現(xiàn)場(chǎng)甚至做動(dòng)態(tài)的尋優(yōu)，數(shù)字孿生體一部分的算法模型可以布在現(xiàn)場(chǎng)附近，來滿足實(shí)時(shí)的需求。

同時(shí)我們可以在遠(yuǎn)端建立一個(gè)相應(yīng)的數(shù)字孿生體來做遠(yuǎn)程監(jiān)控。另外我們也可以建立離線的數(shù)字孿生體的實(shí)例，比如進(jìn)行模擬測(cè)驗(yàn)，在數(shù)字孿生體一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，比如先在數(shù)字空間做一些計(jì)算，有需要的時(shí)候再回到實(shí)體里計(jì)算，這樣會(huì)大大降低成本，縮短總的周期，建立模型特別是數(shù)字模型，調(diào)整數(shù)字模型，也可以以離線的方法來實(shí)現(xiàn)。

有一點(diǎn)很重要，雖然我們可以有多個(gè)數(shù)字孿生體同時(shí)進(jìn)行不同形式的計(jì)算，但他們所依據(jù)的數(shù)據(jù)必須是同一個(gè)主數(shù)據(jù)庫(kù)。在這種情況下，數(shù)字孿生體并不只是布在一個(gè)地方，其實(shí)是可以分布部署的，根據(jù)具體使用的需求。

我們從組件開始，構(gòu)造數(shù)字孿生體，用他們的構(gòu)造層，用設(shè)備構(gòu)成產(chǎn)線孿生體，用車間的數(shù)字孿生體一步一步往上走，最后建立的是一個(gè)工廠的數(shù)字孿生體。這種情況下每個(gè)數(shù)字孿生體都帶有他們獨(dú)特的模型，也有自己獨(dú)特的數(shù)據(jù)，這樣對(duì)整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境都有深度的洞察，我們?cè)谶@里可以做很多的事情。