①何為數(shù)字孿生？
②誰在關(guān)注數(shù)字孿生？
③數(shù)字孿生：中、美、德，誰更熱？
④數(shù)字孿生與智能制造的關(guān)系是什么？
⑤數(shù)字孿生能否與新一代信息技術(shù)(New IT)融合？
⑥數(shù)字孿生是否存在科學(xué)問題？
⑦數(shù)字孿生何用？
⑧數(shù)字孿生適用準(zhǔn)則是什么？
⑨數(shù)字孿生是否需要標(biāo)準(zhǔn)？
⑩數(shù)字孿生是否需要商業(yè)化工具/平臺(tái)？
1、何為數(shù)字孿生？
當(dāng)前越來越多的學(xué)者和企業(yè)關(guān)注數(shù)字孿生并開展研究與實(shí)踐，但從不同的角度出發(fā)，對(duì)數(shù)字孿生的理解存在著不同的認(rèn)識(shí)。本節(jié)從不同維度出發(fā)，對(duì)數(shù)字孿生的當(dāng)前認(rèn)識(shí)進(jìn)行總結(jié)與分析后，嘗試對(duì)數(shù)字孿生的理想特征進(jìn)行探討，以供參考。
①模型維度
一類觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字孿生是三維模型、是物理實(shí)體的copy，或是虛擬樣機(jī)。這些認(rèn)識(shí)從模型需求與功能的角度，重點(diǎn)關(guān)注了數(shù)字孿生的模型維度。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)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(shí)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(jìn)而能真實(shí)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(qiáng)調(diào)虛實(shí)之間的交互，能實(shí)時(shí)更新與動(dòng)態(tài)演化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的動(dòng)態(tài)真實(shí)映射。
②數(shù)據(jù)維度
Grieves教授曾在美國密歇根大學(xué)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(guān)的概念，因而有一種觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字孿生就是PLM。與此類似，還有觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字孿生是數(shù)據(jù)/大數(shù)據(jù)，是Digital Shadow，或是DigitalThread。這些認(rèn)識(shí)側(cè)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(jià)值。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動(dòng)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(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，還強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的融合，如信息物理虛實(shí)融合、多源異構(gòu)融合等。此外，數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)維度還應(yīng)具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新、實(shí)時(shí)交互、及時(shí)響應(yīng)等特征。
③連接維度
一類觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，這些觀點(diǎn)側(cè)重從物理世界到虛擬世界的感知接入、可靠傳輸、智能服務(wù)。從滿足信息物理全面連接映射與實(shí)時(shí)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(tái)的互聯(lián)互通，還強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生不同維度(物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)/應(yīng)用)間的雙向連接、雙向交互、雙向驅(qū)動(dòng)，且強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，從而形成信息物理閉環(huán)系統(tǒng)。
④服務(wù)/功能維度
一類觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字孿生是仿真，是虛擬驗(yàn)證，或是可視化，這類認(rèn)識(shí)主要是從功能需求的角度，對(duì)數(shù)字孿生可支持的部分功能/服務(wù)進(jìn)行了解讀。目前，數(shù)字孿生已在不同行業(yè)不同領(lǐng)域得到應(yīng)用，基于模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)，數(shù)字孿生不僅在仿真、虛擬驗(yàn)證和可視化等方面體現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，還可針對(duì)不同的對(duì)象和需求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、能耗優(yōu)化、智能管控、故障預(yù)測(cè)與診斷、設(shè)備健康管理、循環(huán)與再利用等方面提供相應(yīng)的功能與服務(wù)。由此可見，數(shù)字孿生的服務(wù)/功能呈現(xiàn)多元化。
⑤物理維度
一類觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字孿生僅是物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)或虛體，其概念范疇不包括物理實(shí)體。實(shí)踐與應(yīng)用表明，物理實(shí)體對(duì)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(wù)與物理實(shí)體對(duì)象是密不可分的。數(shù)字孿生模型因物理實(shí)體對(duì)象而異、數(shù)據(jù)因物理實(shí)體特征而異、功能/服務(wù)因物理實(shí)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(shí)體，則交互缺乏對(duì)象。
綜上所述，當(dāng)前對(duì)數(shù)字孿生存在多種不同認(rèn)識(shí)和理解，目前尚未形成統(tǒng)一共識(shí)的定義，但物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接、服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素。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(diǎn)，對(duì)數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐離不開具體對(duì)象、具體應(yīng)用與具體需求。從應(yīng)用和解決實(shí)際需求的角度出發(fā)，實(shí)際應(yīng)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。
表1 數(shù)字孿生理想特征
2、誰在關(guān)注數(shù)字孿生？
當(dāng)前全球50多個(gè)國家、1000多個(gè)研究機(jī)構(gòu)、上千名專家學(xué)者開展了數(shù)字孿生的相關(guān)研究并有研究成果發(fā)表。包括：
①德國、美國、中國、英國、瑞典、意大利、韓國、法國、俄羅斯等科技相對(duì)發(fā)達(dá)的國家；
②德國亞琛工業(yè)大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、瑞典皇家理工學(xué)院、清華大學(xué)等各國一流大學(xué)；
③西門子、PTC、德國戴姆勒、ABB、GE、達(dá)索、空客等國際著名一流企業(yè)；
④美國NASA、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室、法國國家科學(xué)研究中心、俄羅斯科學(xué)院等世界頂尖國家級(jí)研究機(jī)構(gòu)；
⑤具有智能制造、航空航天、醫(yī)療健康、城市管理等各研究背景的專家學(xué)者。
當(dāng)前數(shù)字孿生已得到了十多個(gè)行業(yè)關(guān)注并開展了應(yīng)用實(shí)踐。除在制造領(lǐng)域被關(guān)注和應(yīng)用外，近年來數(shù)字孿生還被應(yīng)用于電力、醫(yī)療健康、城市管理、鐵路運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、汽車、船舶、建筑等領(lǐng)域，并展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
綜上所述，數(shù)字孿生已廣泛被全球各行業(yè)、各背景、各層次的專家、學(xué)者和企業(yè)研究與應(yīng)用，目前數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域開展了較多的應(yīng)用探索和落地實(shí)踐，但在航空航天、電力、汽車、智慧城市、健康醫(yī)療等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
數(shù)字孿生應(yīng)用領(lǐng)域
3、數(shù)字孿生：中、美、德，誰更熱？
當(dāng)前數(shù)字孿生在國內(nèi)非常熱，各相關(guān)會(huì)議幾乎都有數(shù)字孿生的交流和報(bào)道，導(dǎo)致存在數(shù)字孿生在中國關(guān)注多，而國際上關(guān)注少的感覺。本文試圖從數(shù)字孿生研究現(xiàn)狀定量方面來剖析，分析數(shù)字孿生的國際研究現(xiàn)狀，以供國內(nèi)同行和感興趣的專家學(xué)者參考。如圖所示，德國、美國和中國在數(shù)字孿生論文發(fā)表數(shù)量上，近3年均處于前三名。從時(shí)間維度分析，中、美、德3國數(shù)字孿生研究可以分為以下3個(gè)階段：
①2016年前，美國引領(lǐng)數(shù)字孿生的概念誕生于美國，美國也是最早開展數(shù)字孿生研究與應(yīng)用的國家，2011-2016年美國單年論文發(fā)表總數(shù)位居第一，2016年以前累計(jì)發(fā)表總數(shù)位居世界第一。早期，以NASA、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室等為代表的研究機(jī)構(gòu)主要將數(shù)字孿生應(yīng)用于航空航天的健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)行維護(hù)、壽命預(yù)測(cè)等方面。近年佐治亞理工學(xué)院、國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所、賓夕法尼亞州立大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)在智能工廠、智慧城市、3D打印等方面開展了應(yīng)用探索。截止到2019年12月31日，美國累計(jì)發(fā)表數(shù)字孿生文章總數(shù)位居世界第二。
②2017-2018年，德國反超工業(yè)4.0是一個(gè)發(fā)展方向或戰(zhàn)略，德國提出工業(yè)4.0后，一直在論證和尋求能讓工業(yè)4.0落地的使能技術(shù)。數(shù)字孿生相對(duì)其他概念更易落地工程實(shí)施，正好契合德國工業(yè)4.0需求。工業(yè)4.0主要提出單位之一德國弗勞恩霍夫研究院的Sauer指出數(shù)字孿生是工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)。以西門子、亞琛工業(yè)大學(xué)為代表的工業(yè)4.0主推和實(shí)施機(jī)構(gòu)，開展了大量數(shù)字孿生研究與實(shí)踐，發(fā)表了大量數(shù)字孿生文章,其中，亞琛工業(yè)大學(xué)發(fā)文數(shù)量位列世界第一，西門子位列第三。2017-2019年德國單年發(fā)表的數(shù)字孿生文章總量位居世界第一，截止到2019年12月31日累計(jì)發(fā)文總數(shù)已位居世界第一。
③2019年，中國迎頭趕上與美國、德國相比，數(shù)字孿生在中國的研究和受關(guān)注相對(duì)較晚。2017年1月《計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)》期刊上發(fā)表的“數(shù)字孿生車間：一種未來車間運(yùn)行新模式”論文，得到國內(nèi)學(xué)術(shù)界尤其是青年學(xué)者對(duì)數(shù)字孿生的關(guān)注，國內(nèi)12家高校于2017年7月共同發(fā)起并在北航召開“第一屆數(shù)字孿生與智能制造服務(wù)學(xué)術(shù)會(huì)議”，大量高校學(xué)者開始關(guān)注數(shù)字孿生在制造中的研究與應(yīng)用。
會(huì)后來自15個(gè)單位的22位作者于2018年1月共同在《計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)》期刊上發(fā)表了“數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索”的論，更多高校學(xué)者開始關(guān)注數(shù)字孿生。另一方面，隨著工信部“智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用”和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程”專項(xiàng)，科技部“網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造與智能工廠”等國家層面的專項(xiàng)實(shí)施，有力促進(jìn)了數(shù)字孿生的發(fā)展。
此外，中國信息通信研究院、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、賽迪信息產(chǎn)業(yè)(集團(tuán))有限公司、e-works數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)、走向智能研究院、安世亞太科技股份有限公司、上海優(yōu)也信息科技有限公司、工業(yè)4.0研究院等單位及其專家在數(shù)字孿生的概念、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用實(shí)踐等方面開展了大量工作，為數(shù)字孿生在中國的推廣與發(fā)展起到了重要作用。
各方因素促使了數(shù)字孿生在中國的快速發(fā)展，使 2019年中國單年發(fā)表的數(shù)字孿生文章總量高達(dá)108篇位居世界第二。截止到2019年12月31日，中國累計(jì)發(fā)表數(shù)字孿生文章總數(shù)位居世界第三。其中，2019年《計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)》上發(fā)表的數(shù)字孿生30篇，對(duì)數(shù)字孿生研究與發(fā)展起到了重要作用。
4、數(shù)字孿生與智能制造的關(guān)系是什么？
從各國的先進(jìn)制造業(yè)國家發(fā)展戰(zhàn)略演變角度來看，無論是美國從“去工業(yè)化”到“再工業(yè)化”，到“以軟帶硬”的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略，再到美國國家先進(jìn)制造戰(zhàn)略計(jì)劃；德國從機(jī)械化、電氣化、信息化，到“以硬帶軟”的“工業(yè)4.0”的制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略；還是中國從“信息化帶動(dòng)工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化”，到兩化融合和兩化深度融合，再到“中國制造2025”的“融合演進(jìn)”的制造強(qiáng)國發(fā)展戰(zhàn)略，都期望通過信息物理融合來實(shí)現(xiàn)智能制造。
綜上可知，智能制造是當(dāng)前世界制造業(yè)的共同發(fā)展趨勢(shì)。而如何實(shí)現(xiàn)制造信息世界和物理世界的互聯(lián)互通與集成共融，是邁向智能制造的瓶頸之一。
數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)信息物理融合的有效手段。一方面，數(shù)字孿生能夠支持制造的物理世界與信息世界之間的虛實(shí)映射與雙向交互，從而形成“數(shù)據(jù)感知-實(shí)時(shí)分析-智能決策-精準(zhǔn)執(zhí)行”實(shí)時(shí)智能閉環(huán)；
另一方面，數(shù)字孿生能夠?qū)⑦\(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境變化、突發(fā)擾動(dòng)等物理實(shí)況數(shù)據(jù)與仿真預(yù)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、領(lǐng)域知識(shí)等信息空間數(shù)據(jù)進(jìn)行全面交互與深度融合，從而增強(qiáng)制造的物理世界與信息世界的同步性與一致性。
由表文獻(xiàn)關(guān)鍵詞和發(fā)表機(jī)構(gòu)/作者統(tǒng)計(jì)分析可知，當(dāng)前發(fā)表的所有數(shù)字孿生研究成果中：
①數(shù)字孿生與工業(yè)4.0、CPS、智能裝備/工廠/服務(wù)等相結(jié)合的論文最多，占當(dāng)前所發(fā)表數(shù)字孿生論文總數(shù)的一半以上；
②美國、中國、德國發(fā)表數(shù)字孿生論文數(shù)全球最多，論文主要來自各國智能制造相關(guān)領(lǐng)域的高校與科研院所；
③在工業(yè)界，西門子、戴姆勒、ABB等踐行智能制造理念的企業(yè)發(fā)文量最多。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都將數(shù)字孿生作為踐行智能制造的關(guān)鍵使能技術(shù)之一。
綜上所述，智能制造是當(dāng)前世界各國制造業(yè)的共同發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)字孿生是智能制造使能技術(shù)之一。
5、數(shù)字孿生能與New IT融合？
如圖所示，從數(shù)字孿生五維模型的角度出發(fā)， NewIT對(duì)數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)和落地應(yīng)用起到重要的支撐作用，具體分析如下。
數(shù)字孿生五維模型與New IT的關(guān)系
①數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)
對(duì)物理世界的全面感知是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的重要基礎(chǔ)和前提，物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識(shí)別、二維碼、傳感器等數(shù)據(jù)采集方式為物理世界的整體感知提供了技術(shù)支持。此外，物聯(lián)網(wǎng)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)為孿生數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠、高效傳輸提供了幫助。
②數(shù)字孿生與3R(AR, VR, MR)
虛擬模型是數(shù)字孿生的核心部分，為物理實(shí)體提供多維度、多時(shí)空尺度的高保真數(shù)字化映射。實(shí)現(xiàn)可視化與虛實(shí)融合是使虛擬模型真實(shí)呈現(xiàn)物理實(shí)體以及增強(qiáng)物理實(shí)體功能的關(guān)鍵。VR/AR/MR 技術(shù)為此提供支持：VR 技術(shù)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、細(xì)節(jié)渲染、動(dòng)態(tài)環(huán)境建模等實(shí)現(xiàn)虛擬模型對(duì)物理實(shí)體屬性、行為、規(guī)則等方面層次細(xì)節(jié)的可視化動(dòng)態(tài)逼真顯示；AR 與 MR 技術(shù)利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，場景捕捉，實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)等實(shí)現(xiàn)虛擬模型與物理實(shí)體在時(shí)空上的同步與融合，通過虛擬模型補(bǔ)充增強(qiáng)物理實(shí)體在檢測(cè)、驗(yàn)證及引導(dǎo)等方面的功能。
③數(shù)字孿生與邊緣計(jì)算
邊緣計(jì)算技術(shù)可將部分從物理世界采集到的數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)過濾、規(guī)約與處理，從而實(shí)現(xiàn)了用戶本地的即時(shí)決策、快速響應(yīng)與及時(shí)執(zhí)行。結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，復(fù)雜的孿生數(shù)據(jù)可被傳送到云端進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同需求的云-邊數(shù)據(jù)協(xié)同處理，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)處理效率、減少云端數(shù)據(jù)負(fù)荷、降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，為數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性提供保障。
④數(shù)字孿生與云計(jì)算
數(shù)字孿生的規(guī)模彈性很大，單元級(jí)數(shù)字孿生可能在本地服務(wù)器即可滿足計(jì)算與運(yùn)行需求，而系統(tǒng)級(jí)和復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生則需要更大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力。云計(jì)算按需使用與分布式共享的模式可使數(shù)字孿生使用龐大的云計(jì)算資源與數(shù)據(jù)中心，從而動(dòng)態(tài)地滿足數(shù)字孿生的不同計(jì)算、存儲(chǔ)與運(yùn)行需求。
⑤數(shù)字孿生與
5G虛擬模型的精準(zhǔn)映射與物理實(shí)體的快速反饋控制是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵。虛擬模型的精準(zhǔn)程度、物理實(shí)體的快速反饋控制能力、海量物理設(shè)備的互聯(lián)對(duì)數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)傳輸容量、傳輸速率、傳輸響應(yīng)時(shí)間提出了更高的要求。5G 通信技術(shù)具有高速率、大容量、低時(shí)延、高可靠的特點(diǎn)，能夠契合數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)傳輸要求，滿足虛擬模型與物理實(shí)體的海量數(shù)據(jù)低延遲傳輸、大量設(shè)備的互通互聯(lián)，從而更好的推進(jìn)數(shù)字孿生的應(yīng)用落地。
⑥數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)
數(shù)字孿生中的孿生數(shù)據(jù)集成了物理感知數(shù)據(jù)、模型生成數(shù)據(jù)、虛實(shí)融合數(shù)據(jù)等高速產(chǎn)生的多來源、多種類、多結(jié)構(gòu)的全要素/全業(yè)務(wù)/全流程的海量數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)能夠從數(shù)字孿生高速產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中提取更多有價(jià)值的信息，以解釋和預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)事件的結(jié)果和過程。
⑦數(shù)字孿生與區(qū)塊鏈
區(qū)塊鏈可對(duì)數(shù)字孿生的安全性提供可靠保證，可確保孿生數(shù)據(jù)不可篡改、全程留痕、可跟蹤、可追溯等。獨(dú)立性、不可變和安全性的區(qū)塊鏈技術(shù)，可防止數(shù)字孿生被篡改而出現(xiàn)錯(cuò)誤和偏差，以保持?jǐn)?shù)字孿生的安全，從而鼓勵(lì)更好的創(chuàng)新。此外，通過區(qū)塊鏈建立起的信任機(jī)制可以確保服務(wù)交易的安全，從而讓用戶安心使用數(shù)字孿生提供的各種服務(wù)。
⑧數(shù)字孿生與人工智能(AI)
數(shù)字孿生憑借其準(zhǔn)確、可靠、高保真的虛擬模型，多源、海量、可信的孿生數(shù)據(jù)，以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的虛實(shí)交互為用戶提供了仿真模擬、診斷預(yù)測(cè)、可視監(jiān)控、優(yōu)化控制等應(yīng)用服務(wù)。AI通過智能匹配最佳算法，可在無需數(shù)據(jù)專家的參與下，自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、分析、融合對(duì)孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行深度知識(shí)挖掘，從而生成各類型服務(wù)。數(shù)字孿生有了AI的加持，可大幅提升數(shù)據(jù)的價(jià)值以及各項(xiàng)服務(wù)的響應(yīng)能力和服務(wù)準(zhǔn)確性。
綜上所述，數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)和落地應(yīng)用離不開New IT的支持，只有與New IT的深度融合數(shù)字孿生才能實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的真實(shí)全面感知、多維多尺度模型的精準(zhǔn)構(gòu)建、全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的深度融合、智能化/人性化/個(gè)性化服務(wù)的按需使用以及全面/動(dòng)態(tài)/實(shí)時(shí)的交互。
6、數(shù)字孿生是否存在科學(xué)問題？
數(shù)字孿生在制造和相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用過程中，存在著系列科學(xué)問題和難點(diǎn)。圍繞數(shù)字孿生五維模型：
①在物理實(shí)體維度，如何實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)物理實(shí)體的智能感知與互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)獲取物理實(shí)體對(duì)象多維度數(shù)據(jù)，從而深入認(rèn)識(shí)和發(fā)掘相關(guān)規(guī)律和現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的可靠控制與精準(zhǔn)執(zhí)行；
②在虛擬模型維度，如何構(gòu)建動(dòng)態(tài)多維多時(shí)空尺度高保真模型，如何保證和驗(yàn)證模型與物理實(shí)體的一致性/真實(shí)性/有效性/可靠性，如何實(shí)現(xiàn)多源多學(xué)科多維模型的組裝與集成等；
③在孿生數(shù)據(jù)維度，如何實(shí)現(xiàn)海量大數(shù)據(jù)和異常小數(shù)據(jù)的變頻采集，如何實(shí)現(xiàn)全要素/全業(yè)務(wù)/全流程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效傳輸，如何實(shí)現(xiàn)信息物理數(shù)據(jù)的深度融合與綜合處理，如何實(shí)現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)與物理實(shí)體、虛擬模型、服務(wù)/應(yīng)用的精準(zhǔn)映射與實(shí)時(shí)交互等；
④在連接與交互維度，如何實(shí)現(xiàn)跨協(xié)議/跨接口/跨平臺(tái)的實(shí)時(shí)交互，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)-模型-應(yīng)用的迭代交互與動(dòng)態(tài)演化等；
⑤在服務(wù)/應(yīng)用維度，如何基于多維模型和孿生數(shù)據(jù)，提供滿足不同領(lǐng)域、不同層次用戶、不同業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)服務(wù)按需使用的增值增效等。
上述科學(xué)問題是當(dāng)前數(shù)字孿生研究與落地應(yīng)用亟待解決的系列難題。此外，在數(shù)字孿生商業(yè)化過程中，如商業(yè)化平臺(tái)和工具研發(fā)，商業(yè)模式推廣應(yīng)用等方面，也存在一些難題有待研究和解決。
7、數(shù)字孿生何用？
數(shù)字孿生以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構(gòu)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(duì)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(yùn)行狀況，評(píng)估物理世界的狀態(tài)，診斷發(fā)生的問題，預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)，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?xiàng)l件的限制，通過數(shù)據(jù)和模型雙驅(qū)動(dòng)的仿真、預(yù)測(cè)、監(jiān)控、優(yōu)化和控制，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的持續(xù)創(chuàng)新、需求的即時(shí)響應(yīng)和產(chǎn)業(yè)的升級(jí)優(yōu)化?；谀Ｐ汀?shù)據(jù)和服務(wù)等各方面的優(yōu)勢(shì)，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(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)數(shù)字孿生應(yīng)用場景正逐步延伸拓展到更多和更寬廣的領(lǐng)域。數(shù)字孿生具體功能、應(yīng)用場景及作用如表2所示。
表2 數(shù)字孿生功能與作用
8、數(shù)字孿生適用準(zhǔn)則是什么？
企業(yè)在應(yīng)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(shí)上，數(shù)字孿生并非適用于所有對(duì)象和企業(yè)。為輔助企業(yè)根據(jù)自身情況做出正確決策，本節(jié)嘗試從產(chǎn)品類型、復(fù)雜程度、運(yùn)行環(huán)境、性能、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益等不同維度總結(jié)數(shù)字孿生適用準(zhǔn)則，如表3所示，以供參考。
表3 數(shù)字孿生適用準(zhǔn)則
9、數(shù)字孿生需要標(biāo)準(zhǔn)？
數(shù)字孿生在落地應(yīng)用過程中缺乏標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)與參考。筆者團(tuán)隊(duì)與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)及應(yīng)用企業(yè)前期共同探索建立了數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系框架，從數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)
標(biāo)準(zhǔn)、工具/平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) 6 個(gè)方面對(duì)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行了研究。但針對(duì)所建立的標(biāo)準(zhǔn)體系中各數(shù)字孿生具體標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，仍需進(jìn)一步的研究與制定。
此外，據(jù)報(bào)道，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織自動(dòng)化系統(tǒng)與集成技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC184)正在開展數(shù)字孿生構(gòu)建原則、參考架構(gòu)、物理制造元素的數(shù)字表示、信息互換及數(shù)字孿生可視化元素等方面標(biāo)準(zhǔn)研究；IEEE數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)工作(IEEEP2806)正在開展智能工廠物理實(shí)體的數(shù)字化表征與系統(tǒng)架構(gòu)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究；ISO/IEC信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)數(shù)字孿生咨詢組在數(shù)字孿生的術(shù)語、標(biāo)準(zhǔn)化需求、相關(guān)技術(shù)、參考模型等方面開展研究，但尚未有數(shù)字孿生具體標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。
綜上所述，數(shù)字孿生的發(fā)展與落地應(yīng)用需標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)與參考，數(shù)字孿生國際標(biāo)準(zhǔn)的制定是當(dāng)前各國關(guān)注的重點(diǎn)。
10、數(shù)字孿生需要商業(yè)化工具與平臺(tái)？
隨著數(shù)字孿生應(yīng)用價(jià)值逐步顯現(xiàn)，越來越多的企業(yè)期望利用數(shù)字孿生來提高企業(yè)效率和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。而在實(shí)踐數(shù)字孿生過程中，“使用什么工具/平臺(tái)來構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)字孿生”是企業(yè)所面臨的問題。
據(jù)報(bào)道，已有相關(guān)商業(yè)工具和平臺(tái)可支持?jǐn)?shù)字孿生構(gòu)建和應(yīng)用，如MATLAB的 Simulink，ANSYS的TwinBuilder，微軟的Azure，達(dá)索的3D Experience等。
但從功能性的角度出發(fā)，這些工具和平臺(tái)大多側(cè)重某一或某些特定維度，當(dāng)前還缺乏考慮數(shù)字孿生綜合功能需求的商業(yè)化工具和平臺(tái)。另一方面，從開放性和兼容性的角度出發(fā)，相關(guān)使能工具/平臺(tái)主要針對(duì)自身產(chǎn)品形成封閉的軟件生態(tài)，不同工具和平臺(tái)間模型和數(shù)據(jù)交互與集成難、協(xié)作難，兼容性差，缺乏系統(tǒng)開放、兼容性強(qiáng)的數(shù)字孿生構(gòu)建工具和平臺(tái)。
此外，因掌握相關(guān)的具體數(shù)據(jù)、流程、工藝、原理等，產(chǎn)品研制者或提供者相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的構(gòu)建，而第三方(如系統(tǒng)集成商、產(chǎn)品終端用戶、產(chǎn)品運(yùn)營維護(hù)者等)在構(gòu)建數(shù)字孿生中存在諸多困難，導(dǎo)致數(shù)字孿生的構(gòu)建成為其應(yīng)用推廣的瓶頸之一。
隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)品研發(fā)模式的演變，未來構(gòu)建數(shù)字孿生可能不再是困擾用戶的關(guān)鍵難題，如龍頭企業(yè)為提高自身產(chǎn)品的質(zhì)量與研發(fā)效率，未來會(huì)要求研制者或提供者在提供產(chǎn)品物理實(shí)體的同時(shí)，也必須提供相應(yīng)的數(shù)字孿生模型。未來如何基于不同用戶提供的數(shù)字孿生，針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品、復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜過程的數(shù)字孿生構(gòu)建需求，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)字孿生的組裝與集成將成為一個(gè)新的難點(diǎn)，需要相關(guān)商業(yè)化的數(shù)字孿生集成工具與平臺(tái)支撐。
綜上分析，數(shù)字孿生的落地與推廣應(yīng)用需功能綜合、系統(tǒng)開放與兼容、集成性強(qiáng)的商業(yè)化工具和平臺(tái)的支持。此外，當(dāng)前還缺乏數(shù)字孿生評(píng)估與測(cè)試的商業(yè)化工具和平臺(tái)。
結(jié)束語
任何一個(gè)新技術(shù)的提出及實(shí)踐推廣過程中，必然面臨諸多疑問。數(shù)字孿生也一樣，當(dāng)前針對(duì)數(shù)字孿生存在的疑問與困惑，遠(yuǎn)不止本文提及和討論的10個(gè)。
限于篇幅，本文從數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)和理解、研究和技術(shù)、應(yīng)用和實(shí)踐3個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合數(shù)字孿生學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，嘗試對(duì)數(shù)字孿生10個(gè)有關(guān)問題進(jìn)行分析和討論。以期拋磚引玉，引發(fā)不同人士從不同維度、不同需求、不同領(lǐng)域?qū)?shù)字孿生相關(guān)問題進(jìn)行思考和討論，共同正確認(rèn)識(shí)和理性對(duì)待數(shù)字孿生。文章內(nèi)容難免有不妥當(dāng)之處，懇請(qǐng)國內(nèi)外專家和同行批評(píng)指正。
作者:北京航空航天大學(xué)，自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，數(shù)字孿生研究組
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