數字孿生賽博物理系統智能制造工業互聯網四個術語之辨析

數字孿生、賽博物理系統、智能制造、工業互聯網這四個術語是新工業革命實踐活動中頻繁使用的重要概念。盡管這四個術語在各種場合被經常分別提及，但是鮮見同時討論四個術語的分析文章。本文分析了四個術語的來源、組成、內涵、運行邏輯和相互關系。它們在發展上一脈相承，在內涵和實質上有不少共同點，但是也有明顯區別。 清楚辨析異同，抓住內涵實質，有助于引導企業做好智能制造、工業互聯網的頂層設計和實踐落地。 一.前言 數字孿生、賽博物理系統、智能制造、工業互聯網這四大術語，是近幾年業界當紅熱詞。在國內業界，賽博物理系統興于2021年，智能制造熱于2020年，工業互聯網火于2021年，數字孿生則紅于2021年。 四大術語是各自獨立，還是彼此相關？可能絕大多數人認為彼此相關，但是四個術語之間的異同是什么？相關內涵有多少？運行邏輯之間到底是什么關系？可能確實不太好說清楚。筆者根據長期的業務實踐和理論研究結果，結合《三體智能革命》中的“20字箴言”——“狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、學習提升”[1]，嘗試分析、比較一下四個術語的內涵和實質。 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空間，上半部分是賽博空間（包含數字邏輯、電磁頻譜和網絡），下半部分是物理空間（包含機器/設備/業務活動/流程等物理系統）。用四個大圓圈來分別描述每個術語的基本內涵、組成要素和運行邏輯。 二.數字孿生的基本內涵 數字孿生是在軟件定義作用下，長期的要素數字化所形成的結果。此處要素泛指物理世界的各種人、機、物、數據、圖文、語言、物理信息等各種實體要素。因此數字孿生是一種經過長期發展形成的數字化通用技術。 筆者認為數字孿生有兩層意思，一是指物理實體與其數字虛體之間的正確映射的孿生關系；二是將具有孿生關系的物理實體、數字虛體分別稱作物理孿生體、數字孿生體。默認情況下，數字孿生亦指數字孿生體。 數字孿生一詞據稱是由邁克爾·格里夫（Michael Grieves）教授于2003年在密歇根大學執教時提出[2]。目前尚無業界公認的數字孿生標準定義，概念在不斷發展與演變中。 數字孿生概念被提出后，很快被美國國防部應用于航空航天飛行器的健康維護與保障。德國西門子、法國達索、美國通用電氣、美國參數技術等公司也積極跟進，尤其是近些年，隨著智能制造等概念的推進，數字孿生已成為智能制造的通用技術，在軍工制造、高端裝備等很多行業得到廣泛應用。 國內一些學者對數字孿生也進行了深入研究。北京航空航天大學陶飛教授團隊較早開展了數字孿生研究，在國際上首次提出了“數字孿生車間”概念，并在《Nature》雜志在線發表了題為《Make More Digital Twins》的評述文章。筆者在《三體智能革命》、《機·智：從數字化車間走向智能制造》等著作中及多篇文章中對數字孿生進行了研究與解讀。西門子公司出版了《數字孿生實戰：基于模型的數字化企業》有關數字孿生的專著，Gartner、德勤等咨詢公司也對數字孿生做了深入研究與技術發展評估。《德勤2020技術趨勢》將數字孿生作為今后的五大趨勢之一。這些研究成果對數字孿生的理論研究與工程實踐起到了很大的推動作用。 筆者認為：數字孿生是在“數字化一切可以數字化的事物”大背景下，通過軟件定義，在數字虛體空間中所創建的虛擬事物，與物理實體空間中的現實事物形成了在形、態、質地、行為和發展規律上都極為相似的虛實正確映射，讓物理孿生體與數字孿生體具有了多元化映射關系，具備了不同的保真度（逼真、抽象等）。數字孿生不但持續發生在物理孿生體全生命周期中，而且數字孿生體會超越物理孿生體生命周期，在賽博空間持久存續。充分利用數字孿生可在智能制造中孕育出大量新技術和新模式，推動智能制造和工業互聯網的應用與發展。數字孿生基本內涵和組成要素如圖1所示。 圖1 數字孿生的基本要素和作用機制 圖1大圓圈中表達的內容有三種：第一是數字孿生基本要素，第二是物理實體和數字虛體之間的映射關系，第三是數字孿生作用機制和運行邏輯。 筆者用“△○□”這三個彼此相鄰的實線幾何圖形表示不同類型的物理實體要素，用其虛線幾何圖形表示這些物理實體要素在賽博空間的數字映射（數字虛體或數字孿生體）關系，用“數據”表示從物理實體感知/采集到的物理信息轉化為比特數據，單向上行進入到數字虛體，虛線箭頭表示虛實之間的數據流動方向，四個順時針轉的大箭頭，既表示了“物理信息-比特數據-數字信息-數字知識-數字決策”的轉換過程，也表示了“狀態感知、數字體驗、輔助決策、一次做優”的數字孿生作用機制。 模型和數據是評價數字孿生保真度的要害。 模型是構建數字孿生的基礎，在機理模型上，可以由數/理/化模型、因果模型、功能模型、系統模型、具體設計模型、仿真分析模型等組合構成，在數據分析模型上，也可以由機器學習模型、經驗模型、降階模型、故障模型等構成。機理模型與數據分析模型的綜合應用，構成了數字孿生的模型來源。 數據是體驗數字孿生的基礎。數字虛體藉由傳感器等獲得的數據，能不能實時、正確地反映物理實體設備的工作狀態，假如網絡有一定的時延，時延到底是多少？假如現場有一定的干擾，干擾數據能不能排除？等等，都是數字孿生技術需要研究和解決的問題。假如這些問題不能解決，體驗就變成了表演，仿真也就成了“仿假”，數字孿生體也就變成可以人為設置的數字動畫。 僅有模型和數據這兩個要害要素，仍然不足以完整描述數字孿生。數字孿生所要達到的數字體驗，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、數據的可視化，這個任務必須由而且只能由軟件來實現。無疑，軟件是數字孿生要素的載體。因此，在筆者參與賽迪研究院研究的數字孿生模型中，表達了如下觀點：數據是基礎，模型是核心，軟件是載體[10]。