當前越來越多的學者和企業(yè)關注數(shù)字孿生并開展研究與實踐，但從不同的角度出發(fā)，對數(shù)字孿生的理解存在著不同的認識。

◎ 文/ 《數(shù)字孿生及車間實踐》 陶飛等 著

作者簡介 ： 本文改編自《數(shù)字孿生及車間實踐》（作者：陶飛，戚慶林，張萌，程江峰）。由清華大學出版社-智造苑原創(chuàng)，先進制造業(yè)經(jīng)授權發(fā)布。

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數(shù)字孿生的理想特征[1]

1）模型維度

一類觀點認為數(shù)字孿生是三維模型、是物理實體的copy [2]

，或是虛擬樣機

[3]

。這些認識從模型需求與功能的角度，重點關注了數(shù)字孿生的模型維度。綜合現(xiàn)有文獻分析，理想的數(shù)字孿生模型涉及幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型等多維多時空多尺度模型，且期望數(shù)字孿生模型具有高保真、高可靠、高精度的特征，進而能真實刻畫物理世界。此外，有別于傳統(tǒng)模型，數(shù)字孿生模型還強調(diào)虛實之間的交互，能實時更新與動態(tài)演化，從而實現(xiàn)對物理世界的動態(tài)真實映射。

2）數(shù)據(jù)維度

根據(jù)文獻[4]，Grieves教授曾在美國密歇根大學產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）課程中提出了與數(shù)字孿生相關的概念，因而有一種觀點認為數(shù)字孿生就是PLM。與此類似，還有觀點認為數(shù)字孿生是數(shù)據(jù)/大數(shù)據(jù)，是Digital Shadow，或是Digital Thread。這些認識側重了數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、數(shù)據(jù)集成與融合等方面的價值。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅動力，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)不僅包括貫穿產(chǎn)品全生命周期的全要素/全流程/全業(yè)務的相關數(shù)據(jù)，還強調(diào)數(shù)據(jù)的融合，如信息物理虛實融合、多源異構融合等。此外，數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)維度還應具備實時動態(tài)更新、實時交互、及時響應等特征。

3）連接維度

一類觀點認為數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)平臺或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，這些觀點側重從物理世界到虛擬世界的感知接入、可靠傳輸、智能服務。從滿足信息物理全面連接映射與實時交互的角度和需求出發(fā)，理想的數(shù)字孿生不僅要支持跨接口、跨協(xié)議、跨平臺的互聯(lián)互通，還強調(diào)數(shù)字孿生不同維度（物理實體、虛擬實體、孿生數(shù)據(jù)、服務/應用）間的雙向連接、雙向交互、雙向驅動，且強調(diào)實時性，從而形成信息物理閉環(huán)系統(tǒng)。

4）服務/功能維度

一類觀點認為數(shù)字孿生是仿真 [5]

，是虛擬驗證，或是可視化，這類認識主要是從功能需求的角度，對數(shù)字孿生可支持的部分功能/服務進行了解讀。目前，數(shù)字孿生已在不同行業(yè)不同領域得到應用，基于模型和數(shù)據(jù)雙驅動，數(shù)字孿生不僅在仿真、虛擬驗證和可視化等方面體現(xiàn)其應用價值，還可針對不同的對象和需求，在產(chǎn)品設計、運行監(jiān)測、能耗優(yōu)化、智能管控、故障預測與診斷、設備健康管理、循環(huán)與再利用等方面提供相應的功能與服務。

[6]

由此可見，數(shù)字孿生的服務/功能呈現(xiàn)多元化。

5）物理維度

一類觀點認為數(shù)字孿生僅是物理實體的數(shù)字化表達或虛體，其概念范疇不包括物理實體。實踐與應用表明，物理實體對象是數(shù)字孿生的重要組成部分，數(shù)字孿生的模型、數(shù)據(jù)、功能/服務與物理實體對象是密不可分的。數(shù)字孿生模型因物理實體對象而異、數(shù)據(jù)因物理實體特征而異、功能/服務因物理實體需求而異。此外，信息物理交互是數(shù)字孿生區(qū)別于其他概念的重要特征之一，若數(shù)字孿生概念范疇不包括物理實體，則交互缺乏對象。

綜上所述，雖然對數(shù)字孿生存在多種不同認識和理解，但物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接、服務是數(shù)字孿生的核心要素，且數(shù)字孿生模型是與物理實體共生的。 [7]

不同階段（如產(chǎn)品的不同階段）的數(shù)字孿生呈現(xiàn)出不同的特點，對數(shù)字孿生的認識與實踐離不開具體對象、具體應用與具體需求。從應用和解決實際需求的角度出發(fā)，實際應用過程中不一定要求所建立的“數(shù)字孿生”具備所有理想特征，能滿足用戶的具體需要即可。數(shù)字孿生的理想特征歸納如表1所示。

表1 數(shù)字孿生的理想特征 [1]

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數(shù)字孿生的應用價值

數(shù)字孿生以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構建了與物理世界一致的高保真模型，通過與物理世界間不間斷的閉環(huán)信息交互反饋與數(shù)據(jù)融合，能夠模擬對象在物理世界中的行為，監(jiān)控物理世界的變化，反映物理世界的運行狀況，評估物理世界的狀態(tài)，診斷發(fā)生的問題，預測未來趨勢，乃至優(yōu)化和改變物理世界。數(shù)字孿生能夠突破許多物理條件的限制，通過數(shù)據(jù)和模型雙驅動的仿真、預測、監(jiān)控、優(yōu)化和控制，實現(xiàn)服務的持續(xù)創(chuàng)新、需求的即時響應和產(chǎn)業(yè)的升級優(yōu)化。基于模型、數(shù)據(jù)和服務等各方面的優(yōu)勢，數(shù)字孿生正在成為提高質(zhì)量、增加效率、降低成本、減少損失、保障安全、節(jié)能減排的關鍵技術，同時數(shù)字孿生應用場景正逐步延伸拓展到更多和更寬廣的領域。數(shù)字孿生具體功能、應用場景和作用如圖1和表2所示。

圖1 數(shù)字孿生何用

表2 數(shù)字孿生功能、應用場景和作用 [1]

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數(shù)字孿生的適用準則

企業(yè)在應用數(shù)字孿生前，面臨的首要決策問題是本企業(yè)是否需要用數(shù)字孿生？是否適用數(shù)字孿生？是否值得使用數(shù)字孿生？ 事實上，數(shù)字孿生并非適用于所有對象和企業(yè)。為輔助企業(yè)根據(jù)自身情況做出正確決策，本文嘗試從產(chǎn)品類型、復雜程度、運行環(huán)境、性能、經(jīng)濟與社會效益等不同維度總結數(shù)字孿生適用準則，如表3所示，以供參考。

表3 數(shù)字孿生適用準則 [1]

參考文獻

[1]陶飛, 張賀, 戚慶林, 等. 數(shù)字孿生十問: 分析與思考[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 26(1): 1-17.

[2]Alam K M, El Saddik A. C2PS: A digital twin architecture reference model for the cloud-based cyber-physical systems[J]. IEEE access, 2017, 5: 2050-2062.

[3]Vassiliev A, Samarin V, Raskin D, et al. Designing The Built-In Microcontroller Control Systems of Executive Robotic Devices Using The Digital Twins Technology. In: Proceedings of 2019 International Conference on Information Management and Technology (ICIMTech). IEEE, 2019, 1: 256-260.

[4]Grieves M, Vickers J. Digital twin: Mitigating unpredictable, undesirable emergent behavior in complex systems[M]. Transdisciplinary perspectives on complex systems. Springer, Cham, 2017: 85-113.

[5]Rosen R, Von Wichert G, Lo G, et al. About the importance of autonomy and digital twins for the future of manufacturing[J]. IFAC-PapersOnLine, 2015, 48(3): 567-572.

[6]李培根. 淺說數(shù)字孿生. Available from: http://www.360doc.com/content/20/0811/15/15624612_929661656.shtml

[7]Tao F, Zhang H, Liu A, et al. Digital twin in industry: State-of-the-art[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2018, 15(4): 2405-2415.