數(shù)字孿生賽博物理系統(tǒng)智能制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)四個(gè)術(shù)語之辨析

數(shù)字孿生、賽博物理系統(tǒng)、智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這四個(gè)術(shù)語是新工業(yè)革命實(shí)踐活動(dòng)中頻繁使用的重要概念。盡管這四個(gè)術(shù)語在各種場合被經(jīng)常分別提及，但是鮮見同時(shí)討論四個(gè)術(shù)語的分析文章。本文分析了四個(gè)術(shù)語的來源、組成、內(nèi)涵、運(yùn)行邏輯和相互關(guān)系。它們在發(fā)展上一脈相承，在內(nèi)涵和實(shí)質(zhì)上有不少共同點(diǎn)，但是也有明顯區(qū)別。 清楚辨析異同，抓住內(nèi)涵實(shí)質(zhì)，有助于引導(dǎo)企業(yè)做好智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的頂層設(shè)計(jì)和實(shí)踐落地。 一.前言 數(shù)字孿生、賽博物理系統(tǒng)、智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這四大術(shù)語，是近幾年業(yè)界當(dāng)紅熱詞。在國內(nèi)業(yè)界，賽博物理系統(tǒng)興于2021年，智能制造熱于2020年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)火于2021年，數(shù)字孿生則紅于2021年。 四大術(shù)語是各自獨(dú)立，還是彼此相關(guān)？可能絕大多數(shù)人認(rèn)為彼此相關(guān)，但是四個(gè)術(shù)語之間的異同是什么？相關(guān)內(nèi)涵有多少？運(yùn)行邏輯之間到底是什么關(guān)系？可能確實(shí)不太好說清楚。筆者根據(jù)長期的業(yè)務(wù)實(shí)踐和理論研究結(jié)果，結(jié)合《三體智能革命》中的“20字箴言”——“狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、學(xué)習(xí)提升”[1]，嘗試分析、比較一下四個(gè)術(shù)語的內(nèi)涵和實(shí)質(zhì)。 在研究方法上，筆者采用了抽象的圖示方式：用一條水平線將畫面分為上下兩個(gè)空間，上半部分是賽博空間（包含數(shù)字邏輯、電磁頻譜和網(wǎng)絡(luò)），下半部分是物理空間（包含機(jī)器/設(shè)備/業(yè)務(wù)活動(dòng)/流程等物理系統(tǒng)）。用四個(gè)大圓圈來分別描述每個(gè)術(shù)語的基本內(nèi)涵、組成要素和運(yùn)行邏輯。 二.數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵 數(shù)字孿生是在軟件定義作用下，長期的要素?cái)?shù)字化所形成的結(jié)果。此處要素泛指物理世界的各種人、機(jī)、物、數(shù)據(jù)、圖文、語言、物理信息等各種實(shí)體要素。因此數(shù)字孿生是一種經(jīng)過長期發(fā)展形成的數(shù)字化通用技術(shù)。 筆者認(rèn)為數(shù)字孿生有兩層意思，一是指物理實(shí)體與其數(shù)字虛體之間的正確映射的孿生關(guān)系；二是將具有孿生關(guān)系的物理實(shí)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。 數(shù)字孿生一詞據(jù)稱是由邁克爾·格里夫（Michael Grieves）教授于2003年在密歇根大學(xué)執(zhí)教時(shí)提出[2]。目前尚無業(yè)界公認(rèn)的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)定義，概念在不斷發(fā)展與演變中。 數(shù)字孿生概念被提出后，很快被美國國防部應(yīng)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障。德國西門子、法國達(dá)索、美國通用電氣、美國參數(shù)技術(shù)等公司也積極跟進(jìn)，尤其是近些年，隨著智能制造等概念的推進(jìn)，數(shù)字孿生已成為智能制造的通用技術(shù)，在軍工制造、高端裝備等很多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 國內(nèi)一些學(xué)者對數(shù)字孿生也進(jìn)行了深入研究。北京航空航天大學(xué)陶飛教授團(tuán)隊(duì)較早開展了數(shù)字孿生研究，在國際上首次提出了“數(shù)字孿生車間”概念，并在《Nature》雜志在線發(fā)表了題為《Make More Digital Twins》的評述文章。筆者在《三體智能革命》、《機(jī)·智：從數(shù)字化車間走向智能制造》等著作中及多篇文章中對數(shù)字孿生進(jìn)行了研究與解讀。西門子公司出版了《數(shù)字孿生實(shí)戰(zhàn)：基于模型的數(shù)字化企業(yè)》有關(guān)數(shù)字孿生的專著，Gartner、德勤等咨詢公司也對數(shù)字孿生做了深入研究與技術(shù)發(fā)展評估。《德勤2020技術(shù)趨勢》將數(shù)字孿生作為今后的五大趨勢之一。這些研究成果對數(shù)字孿生的理論研究與工程實(shí)踐起到了很大的推動(dòng)作用。 筆者認(rèn)為：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，在數(shù)字虛體空間中所創(chuàng)建的虛擬事物，與物理實(shí)體空間中的現(xiàn)實(shí)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(shí)正確映射，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(huì)超越物理孿生體生命周期，在賽博空間持久存續(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，推動(dòng)智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展。數(shù)字孿生基本內(nèi)涵和組成要素如圖1所示。 圖1 數(shù)字孿生的基本要素和作用機(jī)制 圖1大圓圈中表達(dá)的內(nèi)容有三種：第一是數(shù)字孿生基本要素，第二是物理實(shí)體和數(shù)字虛體之間的映射關(guān)系，第三是數(shù)字孿生作用機(jī)制和運(yùn)行邏輯。 筆者用“△○□”這三個(gè)彼此相鄰的實(shí)線幾何圖形表示不同類型的物理實(shí)體要素，用其虛線幾何圖形表示這些物理實(shí)體要素在賽博空間的數(shù)字映射（數(shù)字虛體或數(shù)字孿生體）關(guān)系，用“數(shù)據(jù)”表示從物理實(shí)體感知/采集到的物理信息轉(zhuǎn)化為比特?cái)?shù)據(jù)，單向上行進(jìn)入到數(shù)字虛體，虛線箭頭表示虛實(shí)之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向，四個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)的大箭頭，既表示了“物理信息-比特?cái)?shù)據(jù)-數(shù)字信息-數(shù)字知識(shí)-數(shù)字決策”的轉(zhuǎn)換過程，也表示了“狀態(tài)感知、數(shù)字體驗(yàn)、輔助決策、一次做優(yōu)”的數(shù)字孿生作用機(jī)制。 模型和數(shù)據(jù)是評價(jià)數(shù)字孿生保真度的要害。 模型是構(gòu)建數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，在機(jī)理模型上，可以由數(shù)/理/化模型、因果模型、功能模型、系統(tǒng)模型、具體設(shè)計(jì)模型、仿真分析模型等組合構(gòu)成，在數(shù)據(jù)分析模型上，也可以由機(jī)器學(xué)習(xí)模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒔惦A模型、故障模型等構(gòu)成。機(jī)理模型與數(shù)據(jù)分析模型的綜合應(yīng)用，構(gòu)成了數(shù)字孿生的模型來源。 數(shù)據(jù)是體驗(yàn)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。數(shù)字虛體藉由傳感器等獲得的數(shù)據(jù)，能不能實(shí)時(shí)、正確地反映物理實(shí)體設(shè)備的工作狀態(tài)，假如網(wǎng)絡(luò)有一定的時(shí)延，時(shí)延到底是多少？假如現(xiàn)場有一定的干擾，干擾數(shù)據(jù)能不能排除？等等，都是數(shù)字孿生技術(shù)需要研究和解決的問題。假如這些問題不能解決，體驗(yàn)就變成了表演，仿真也就成了“仿假”，數(shù)字孿生體也就變成可以人為設(shè)置的數(shù)字動(dòng)畫。 僅有模型和數(shù)據(jù)這兩個(gè)要害要素，仍然不足以完整描述數(shù)字孿生。數(shù)字孿生所要達(dá)到的數(shù)字體驗(yàn)，必須要讓人用五官感受到，其中很主要的感受是讓人看到——即模型、數(shù)據(jù)的可視化，這個(gè)任務(wù)必須由而且只能由軟件來實(shí)現(xiàn)。無疑，軟件是數(shù)字孿生要素的載體。因此，在筆者參與賽迪研究院研究的數(shù)字孿生模型中，表達(dá)了如下觀點(diǎn)：數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，模型是核心，軟件是載體[10]。