王愛(ài)民

北京理工大學(xué)

數(shù)字孿生是近幾年得到重視的一個(gè)概念，尤其是與之前智能制造、CPS等相比，人們感覺(jué)數(shù)字孿生是更加落地或可以作為抓手的一個(gè)概念。一般對(duì)于概念來(lái)說(shuō)是在研究過(guò)程當(dāng)中，為了精煉準(zhǔn)確說(shuō)明某些事情，我們凝練出一個(gè)可能從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)的概念。但對(duì)于數(shù)字孿生來(lái)說(shuō)，我認(rèn)為其更多的是一種提綱挈領(lǐng)的模式或機(jī)制的描述，一方面是面向?qū)嶋H的應(yīng)用需求而衍生出這種總結(jié)性名詞，另外一個(gè)方面是對(duì)既往一些做法的再次凝練和提升，或者可以認(rèn)為是源于實(shí)踐并追求高于實(shí)踐吧。

對(duì)于數(shù)字孿生概念來(lái)說(shuō)，我們追求的其實(shí)和應(yīng)該是他的內(nèi)涵。雖然從字面來(lái)說(shuō)，“數(shù)字”、“孿生”是偏向于與物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)的“虛體”的含義，但既然涉及到“孿生”一定是有其物理實(shí)體對(duì)照物的，并且一定是與物理實(shí)體對(duì)照物具有關(guān)系的一種綜合概念。比如我們從物理資源角度來(lái)說(shuō)，利用資源管理殼等表達(dá)和互操作方式，實(shí)現(xiàn)與實(shí)際世界相對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體的孿生體特點(diǎn)等。當(dāng)然，我們?nèi)匀豢梢試L試追求給出一個(gè)嚴(yán)格的定義，但我認(rèn)為我們更應(yīng)該追求的應(yīng)該是他的本質(zhì)內(nèi)涵。筆者認(rèn)為：數(shù)字孿生是基于物理實(shí)體和數(shù)字虛體之間的近真實(shí)孿生映射基礎(chǔ)上的涵蓋狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)采集、分析推理、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)控制關(guān)系，其中基于的建模與仿真的分析推理是當(dāng)前數(shù)字孿生體所關(guān)注的重點(diǎn)。

本文將重點(diǎn)從數(shù)字孿生概念的4點(diǎn)判斷、數(shù)字孿生的核心是基于工藝和管理知識(shí)的決策、數(shù)字孿生是軟件定義制造實(shí)現(xiàn)的支撐，以及數(shù)字孿生與智能制造相關(guān)概念的關(guān)系等方面進(jìn)行闡述，主要目的是對(duì)當(dāng)前關(guān)于數(shù)字孿生認(rèn)知與實(shí)踐中的可商榷話(huà)題進(jìn)行分析和總結(jié)。

一、數(shù)字孿生概念內(nèi)涵的4點(diǎn)判斷

（1）數(shù)字孿生是強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性的CPS

賽博物理系統(tǒng)（CPS）作為智能制造的核心模式，體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)過(guò)程，支持了裝備／系統(tǒng)的自適應(yīng)、自組織的智能化發(fā)展理念。數(shù)字孿生是CPS的具體體現(xiàn)，重點(diǎn)是突出虛實(shí)融合下的數(shù)據(jù)處理、仿真分析、虛擬驗(yàn)證及運(yùn)行決策等。其中的核心在于，對(duì)于業(yè)務(wù)對(duì)象而言，所謂的分析推理其實(shí)也是基于模型的，而這個(gè)模型是基于狀態(tài)感知和實(shí)時(shí)采集基礎(chǔ)所建立的，這個(gè)模型能夠支持分析推理，雖然這種分析推理可能只是某個(gè)方面的，但也是對(duì)對(duì)象的某種數(shù)字孿生或者某種程度上的數(shù)字孿生。因此從這個(gè)角度而言，數(shù)字孿生其實(shí)是CPS的某個(gè)子集。數(shù)字孿生因?yàn)樘匾鈴?qiáng)調(diào)了“孿生”，不可避免的具有一定的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的CPS從理念角度是涵蓋了實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種情況的。

（2）可視化不等于數(shù)字孿生

數(shù)字孿生與可視化展示是“皮”與“毛”的關(guān)系。數(shù)組孿生一定是在某個(gè)方面反映物理實(shí)體的，這是毋庸置疑的。但這某個(gè)方面只是物理實(shí)體的某些特性，而未必是全部的特性，有些方面可能并不需要建立可視化展示。

比如我們通過(guò)APS來(lái)對(duì)車(chē)間的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行表達(dá)，并在此基礎(chǔ)上給出進(jìn)一步持續(xù)的資源優(yōu)化配置方案，這個(gè)背后當(dāng)然是有模型的，但這個(gè)模型未必是可以展示的。

比如對(duì)于復(fù)雜電子產(chǎn)品的研制，一般分為電訊總體和結(jié)構(gòu)總體。對(duì)于復(fù)雜電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，電訊總體顯然是更重要的，實(shí)際當(dāng)中也是這個(gè)樣子的。但是電訊總體更多的表達(dá)的是這個(gè)復(fù)雜電子產(chǎn)品內(nèi)部的信號(hào)輸入輸出之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，更多的是一種邏輯上的表達(dá)。筆者見(jiàn)過(guò)的一些單位就是通過(guò)MATLAB或者說(shuō)利用商業(yè)化仿真軟件的一些模型來(lái)進(jìn)行表達(dá)。而結(jié)構(gòu)總體才是真正的可見(jiàn)物理實(shí)體表達(dá)，是這個(gè)復(fù)雜電子產(chǎn)品各個(gè)組成部分可見(jiàn)的物理實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。從最終的結(jié)局來(lái)說(shuō)，我們這兩個(gè)方面應(yīng)該是都需要的，實(shí)際操作過(guò)程當(dāng)中，這兩個(gè)方面的一體化集成也是我們追求的目標(biāo)。但現(xiàn)有復(fù)雜性和技術(shù)條件制約，分成兩個(gè)部分來(lái)分別開(kāi)展這方面的工作，是更為實(shí)用的一種做法。

數(shù)字孿生更多的強(qiáng)調(diào)內(nèi)在關(guān)系而不是外部展示，同時(shí)，數(shù)字孿生在技術(shù)限制下，也可能只是對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行某個(gè)側(cè)面的分析。

（3）三維模型不是數(shù)字孿生的必備

一般而言目前很多說(shuō)數(shù)字孿生的都是基于三維的產(chǎn)品或產(chǎn)線(xiàn)模型，其實(shí)本不必如此的。只要這個(gè)模型能夠有效地表達(dá)并支持進(jìn)行產(chǎn)品或產(chǎn)線(xiàn)某方面分析的特性，我們就可以認(rèn)為這就是一種數(shù)字孿生。比如，建立數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)MATLAB進(jìn)行數(shù)字化程序表達(dá)，這個(gè)能夠求解的程序，我認(rèn)為就是一種數(shù)字孿生；比如對(duì)于APS，屬于基于車(chē)間當(dāng)前狀態(tài)的某種決策模型，雖然可以通過(guò)形式化的數(shù)學(xué)方式進(jìn)行表達(dá)，但其更多的還是由某種軟件系統(tǒng)表達(dá)的，通過(guò)這個(gè)程序系統(tǒng)或內(nèi)在的分析模型，可以進(jìn)行產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能評(píng)估、瓶頸分析、外協(xié)／分批決策等，我認(rèn)為這也是一種數(shù)字孿生。但這些模型與傳統(tǒng)所說(shuō)的圖形三維是沒(méi)有關(guān)系的。是否支持決策是數(shù)字孿生的根本，其他的都是外在。其實(shí)從這個(gè)角度進(jìn)一步思考，比如MES我就認(rèn)為是一種大號(hào)的CPS，并非CPS一定是面向設(shè)備或單元的，這應(yīng)該就是所謂的系統(tǒng)級(jí)CPS的本質(zhì)含義了吧。

（4）數(shù)字孿生不是憑空來(lái)的

雖然數(shù)字孿生的概念很熱，但數(shù)字孿生并不是憑空來(lái)的天賜之物。就如同工業(yè)界的很多好的理念，比如單元化、精益生產(chǎn)等，都是根據(jù)實(shí)際總結(jié)出來(lái)的一樣。關(guān)于數(shù)字孿生乃至CPS，其實(shí)在概念沒(méi)出來(lái)之前已經(jīng)有很多實(shí)踐了。人類(lèi)有三種實(shí)踐，物理實(shí)驗(yàn)只是其中一種，另外兩個(gè)的理論推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)模擬，其實(shí)都是現(xiàn)實(shí)實(shí)物的抽象，從這個(gè)角度而言，其實(shí)都算孿生，只是不都是數(shù)字化而已。但一般而言，計(jì)算機(jī)模擬在內(nèi)涵上很大程度上也是由理論分析模型支持才能實(shí)現(xiàn)的。