數字孿生為何成為戰略科技發展趨勢

張靖笙

? ? ?2017年，全球領先的信息技術研究和顧問公司Gartner公布了將在2018年對大部分企業和組織機構必然產生顯著影響的首要十大戰略科技發展趨勢。Gartner將戰略科技發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大的戰略科技發展趨勢；這些趨勢在未來五年內迅速增長、高度波動、預計達到臨界點。前三個戰略科技發展趨勢探討了人工智能（AI）與機器學習（machine learning）將如何滲透至幾乎任意領域，隨后的四個趨勢集中于混合數字與物理世界，以打造一個沉浸式、數字增強型環境，其中就包括了數字孿生。

? ? ? ?簡單來說，數字孿生是指以數字化方式再現物理世界中真實的實體或系統。數字孿生一詞，最早是美國密西根大學教授Grieves于2003在產品全生命周期管理課程上提出，并被定義為三維模型，包括實體產品、虛擬產品以及二者間的連接。后來NASA在2010年對飛行器的真實運行活動進行鏡像仿真，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發生的一切。數字孿生是現實世界中物理實體的配對虛擬體（映射）。這個物理實體（或資產）可以是一個設備或產品、生產線、流程、物理系統，也可是一個組織。數字孿生概念的落地是用數字化所構建的“虛擬實體”去映射現實世界中的物理實體來實現。這種映射通常是一個多維動態的數字映射，它依賴安裝在物體上的傳感器或模擬數據來洞察和呈現物體的實時狀態，同時也將承載指令的數據回饋到物體導致狀態變化。數字孿生是現實世界和數字虛擬世界溝通的橋梁。Gartner認為， 一個數字孿生需要至少四個要素：數字模型，關聯數據，身份識別和實時監測功能。

? ? ? 數字孿生在企業界有更加“商業化”的定義，根據德勤在《數字孿生與工業4.0》報告中的觀點，數字孿生是以全面數字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態呈現，有助于提升企業績效。數字孿生以針對產品的生命周期中眾多層面持續、實時開展的大量物理世界數據檢測為基礎，這些檢測可通過數字化的形式對某一物理實體或流程進行動態呈現，從而有效反映系統運行情況。德勤在其發布的《工業4.0與數字孿生》報告中給出了新工業生產流程中的數字孿生模型，這是將物理世界中的工廠某一生產流程與在數字世界中的數字化鏡像而相輔相成的模型，該模型呈現了數字孿生的五大驅動要素——物理世界的傳感器和促動器、集成、數據和分析，以及持續更新的數字孿生應用程序。

? ? ?在物理世界中的生產流程中配置的傳感器可發出信號，數字孿生可通過信號獲取實際流程相關的運營和環境數據。若確定應當采取實際行動，則數字孿生將在人工干預的情況下通過促動器展開實際行動，推進實際流程的開展。在工業4.0的數字世界中，傳感器提供的實際運營和環境數據將在聚合后與分布在企業各應用信息系統的數據合并，比如物料清單、企業系統和設計規范、工程圖紙、客戶投訴記錄以及外部來源數據等，對這些從實際生產環境中感知得到的數據，利用分析技術開展算法模擬和可視化程序，通過分析這些數據給各項生產控制和決策提供依據，不斷積累這些數據也更進一步支撐各種人工智能技術的深度學習。

? ? ?數字孿生的核心是模型和數據，為進一步推動數字孿生理論與技術的研究，促進數字孿生理念在產品全生命周期中落地應用，北京航空航天大學陶飛教授團隊結合多年在智能制造服務、制造物聯、制造大數據等方面的研究基礎和認識，將數字孿生模型由最初Grieves提出的三維結構發展為如圖所示的五維結構模型，包括物理實體、虛擬模型、服務系統、孿生數據和連接。關于這五維結構各部分所扮演的角色和發揮的作用如下。

（１） ? ? 物理實體是客觀存在的，它通常由各種功能子系統（如控制子系統、動力子系統、執行子系統等）組成，并通過子系統間的協作完成特定任務。各種傳感器部署在物理實體上，實時監測其環境數據和運行狀態。

（２） ? ? 虛擬模型是物理實體忠實的數字化鏡像，集成與融合了幾何、物理、行為及規則４層模型。其中：幾何模型描述尺寸、形狀、裝配關系等幾何參數；物理模型分析應力、疲勞、變形等物理屬性；行為模型響應外界驅動及擾動作用；規則模型對物理實體運行的規律／規則建模，使模型具備評估、優化、預測、評測等功能。

（３） ? ? 服務系統集成了評估、控制、優化等各類信息系統，基于物理實體和虛擬模型提供智能運行、精準管控與可靠運維服務。

（４） ? ? 孿生數據包括物理實體、虛擬模型、服務系統的相關數據，領域知識及其融合數據，并隨著實時數據的產生被不斷更新與優化。孿生數據是數字孿生運行的核心驅動。

（５） ? ? 連接將以上４個部分進行兩兩連接，使其進行有效實時的數據傳輸，從而實現實時交互以保證各部分間的一致性與迭代優化。

? ? 基于陶飛教授團隊提出的上述數字孿生五維結構模型實現數字孿生驅動的應用，需要針對應用需求及場景對象分析物理實體的特征，以物理實體忠實的數字化鏡像建立虛擬模型，構建連接實現虛實信息數據的交互，并借助孿生數據的融合與分析，最終為使用者提供各種服務系統中的具體應用。

根據Garnter的2017技術成熟度曲線，數字孿生正在處于冉冉上升的階段。同樣，IDC在2017年11月給出的預測是，到2020年，全球頭部2000家企業的30%，都會使用IoT（Internet of Thing，萬物互聯）產品中的數字孿生來提供產品創新。盡管數字孿生盡管尚未成為主流，卻是每一個企業都不能回避的命題。工業互聯網將是數字孿生的應用加速器。工業互聯網使得工業中所有生產要素的物理實體的各種工業大數據收集、交換，都要借助于IoT來實現。它將機器、物理基礎設施都連接到數字孿生上，將工業大數據的傳遞、存儲分別放到邊緣或者云端。可以說，工業互聯網激活了數字孿生的生命，它天生具有的雙向通路的特征，使得數字孿生真正成為一個有生命力的模型。

? ? ? ?如何判斷數字孿生能成為第四次工業革命中戰略科技發展趨勢，而不是曇花一現的科技概念炒作呢？筆者認為核心理由是數字孿生使得未來所有的工業行為能在準確把握消費者需求的基礎上，在合適的時間、合適的場景，基于孿生數據做出實事求是的、實時正確的決定，這意味著工業將可以更好地服務客戶（消費者）的想法和創意。數字孿生是工業互聯網的重要場景，也是工業4.0中的產品全生命周期中各種智能化應用場景的完美搭檔。在工業4.0中通過工業互聯網，任何一個產品在其全生命周期中的各方面信息處理應用都可以調用數字孿生各項模型和數據。數字孿生可以支持產品全生命周期中各種應用場景的數據需求，從而支撐企業可以及時獲取和分析大量的關乎產品各階段各種狀態的數據，包括生產效率、宕機分析、失效率、能源數據等等，形成評估結果，可以反饋并儲存到孿生數據之中，使得產品設計、生產、運維和回收全生命周期的管理模式都可以得到實質性和可持續的優化。數字孿生能夠幫助產品的利益相關方（包括產品的各種生產者和消費者）在物理世界和數字世界之間全面建立準實時聯系，第四次工業革命中，消費者和人工智能都會成為新生產關系中必然會出現和發揮作用的組成部分，而數字孿生是幫助這些新生產關系中各種要素發揮作用的必選項，新生產關系中各方利益相關者都要依賴數字孿生形成的高度信用化的數據資源，這是該技術的最真實的價值所在，也是成為必然的戰略科技發展趨勢最堅實的理由。

? ? ? 而基于產品或流程現實情況與虛擬情況之間的交互，數字孿生能夠創造更加豐富的模型和數據，從而對不可預測的情況進行更加真實和全面的檢測。利用數字孿生，產品能夠自設計和開發階段起，就以數字化的形式完整記錄整個產品生命周期的演進過程，有利于加快新產品上市速度、改善不足、優化經營，能更加快速地檢測和解決實際問題，提高預測準確性，設計和生產出最終能更貼近用戶需求的優質產品，并在過程中不斷積累新的知識和經驗，以此推動產品持續的創新。

? ? 所有真正有生命力的創新，都離不開對必然趨勢的先知先覺和搶先行動，而趨勢成為現實，也需要不斷的創新，數字孿生是工業4.0中必然的戰略科技發展趨勢，而在企業的落地也離不開持續變革和創新。

（本稿完成與2018年12月2日，如需引用請注明出處）