引 子

利用數據饋送來映射物理實體的數字孿生技術，正在對工業眾多領域產生顛覆性影響。德國信息技術與新媒體協會BITKOM預測，數字孿生在制造業市場巨大，到2025年將超過780億歐元。

迎接數字孿生，需要用戰略性視角審視它與過去、未來諸多工業要素的關系，比如它與PLM軟件、CAD模型、工業云進行形態變換，它對物理實體、產線生產，以及工業之外的世界進行映射。同時它對智能制造、工業互聯網和賽博物理系統CPS的支撐。而對首席信息官CIO來說，如何接納數字孿生這樣一個新寵物?

在此，我們梳理了數字孿生的十大關系，正是這些關系，支撐著一個全新的數字工業世界。

數字孿生的定義

數字孿生一詞，最早是密西根大學教授Grieves提出，后來NASA在2010年對飛行器的真實運行活動進行鏡像仿真。它試圖在虛擬世界中，盡可能地模仿物理世界真實發生的一切。

數字孿生是現實世界中物理實體的配對虛擬體(映射)。這個物理實體(或資產)可以是一個設備或產品、生產線、流程、物理系統，也可是一個組織。數字孿生概念的落地是用三維圖形軟件構建的“軟體”去映射現實中的物體來實現。這種映射通常是一個多維動態的數字映射，它依賴安裝在物體上的傳感器或模擬數據來洞察和呈現物體的實時狀態，同時也將承載指令的數據回饋到物體導致狀態變化。數字孿生是現實世界和數字虛擬世界溝通的橋梁。

一個描述鐘擺軌跡的方程式通過編程形成模型后，是一個鐘擺的數字孿生嗎?不是。因為它只描述了鐘擺的理想模型(例如真空無阻力)，卻沒有記錄它的真實運動情況。只有把鐘擺在空氣中的運動狀態、風的干擾、齒輪的損耗等情況通過傳感器和數據饋送實時輸入到模型后，這個描述鐘擺的模型，才真正成為了鐘擺的數字孿生。

Gartner認為， 一個數字孿生需要至少四個要素：數字模型，關聯數據，身份識別和實時監測功能。

數字孿生體現了軟件、硬件、和物聯網回饋的機制。運行實體的數據是數字孿生的營養液輸送線。反過來，很多模擬或指令信息可以從數字孿生輸送到實體，以達到診斷或者預防的目的。

這是一個雙向進化的過程。

1、數字孿生與CAD模型

當完成CAD的設計，一個CAD模型就出現了。然而，數字孿生與物理實體的產生則緊密相連：沒有到實體被制造出來的那一刻，就沒有它對應的數字孿生(當然，數字孿生也可以繼承另外一個數字孿生模板做為基礎)。

CAD模型往往是靜態的，它的作用是往前推動，在絕大多數場合，它就像中國象棋里面一個往前拱的小卒;而數字孿生，則是一個頻頻回頭的在線風箏：兩頭都有力量。

3D模型在文檔夾里無人問津的時代已經過去。數字孿生可以回收產品的設計、制造和運行的數據，并注入全新的產品設計模型中，使設計發生巨大的變化。知識復用，變得越來越普及。

數字孿生是基于高保真的三維CAD模型，它被賦予了各種屬性和功能定義，包括材料、感知系統、機器運動機理等。它一般儲存在圖形數據庫，而不是關系型數據庫。

最值得期待的是，有了數字孿生，也許可能取代昂貴的原型。因為它在前期就可以識別異常功能，從而在沒有生產的時候，就以消除產品缺陷。

IBM的看法是，數字孿生就是物理實體的一個數字替身，可以演化到萬物互聯的復雜的生態系統。它不僅僅是3D模型，而是一個動態的、有血有肉的、活生生的3D模型。

數字孿生，是3D模型的點睛重生，也是物理原型的超級新替身。

2、數字孿生與PLM軟件

考慮到數字孿生可以用PLM來管理產品或設備的生命周期，也從PLM軟件中輸出文件，PLM顯然與數字孿生緊密相關。

然而PLM以前雖然叫做產品全生命周期的管理，但從一個產品的設計、制造、到服務的全過程而言，PLM顯然是沒有完成任務。它的作用，到了制造的后期，往往戛然而止了。大量在制造中發生的工程狀態更改，往往無法返回給研發設計師。而當產品出廠之后，就會形成產品的信息孤兒，更是無法通過PLM進行跟蹤。

數字孿生的出現，由于對物理產品的全程(包括損耗和報廢)進行數字化呈現，這使得產品的“全生命周期”透明化、自動化管理概念，成為貨真價實的實際方法。這意味著只有在工業互聯網時代，PLM才能真正成為現實——值得諷刺是，PLM這個概念當下似乎也在過時。它出現的太早，未曾也無法完成它的使命。

數字孿生的出現，PLM終于可以簡單地回歸它的軟件和數據件(Dataware)概念。全生命周期管理，成為借助于數字孿生、工業互聯網等眾多技術和商業模式，合力實現的一個新的營利模式。

3、數字孿生與物理實體

數字孿生必須依賴物理實體的數據饋送來實現。也就是說，它從理論上可以對一個物理實體進行全息復制。但實際應用時，它可能只截取了物理實體的一些小小的、動態的片段——這取決于企業對產品服務的定義深度。一般而言，它往往只解決某個方面的問題，一個機器幾百個零部件，也許只需要提取幾個，來做數字孿生。

數字孿生與物理實體有三種映射關系，可以一對一：一個機器，一個數字孿生;也可能是一對多：多個儀表，組成一個數字孿生;也可以是多對一：幾個數字孿生，對著一個機器。在某些場合，虛擬傳感器，可能比實際傳感器更多。

圖 1 凱撒與合作方生成的數字孿生

凱撒壓縮機不僅僅是售賣壓縮機，而是售賣空氣壓力。通過與一家工程設計軟件公司合作，它建立的數字孿生可以實現圖表與表單的數據同源。

數字孿生不僅僅是狀態更新。它也可以被用來進行編程和編譯執行實現對物理實體的控制，從而實現物理實體的運營優化或狀態改變。

4、數字孿生與賽博物理系統CPS

CPS把物理、機械與模型、知識整合到一起了，實現系統的自我適應與自動配置，主要用于非結構化流程自動化，縮短循環時間和提升產品與服務質量;而數字孿生主要用于物理實體的狀態監控、控制。一個以流程為核心，一個以資產為核心。

要描述這二者之間的關系，需要先談另外一個工業4.0非常重要的支撐概念：管理殼。它可以使得物理資產有了數據描述，從而可以跟其他物理資產實現在數字空間的交互。

圖2 管理殼

管理殼可以認為是與物理資產相伴生的軟件層，包括數據和界面。是CPS的物理層P與賽博層C進行交互的重要支撐部分。

CPS要義在于Cyber，是控制的含義，它與物理實體進行交互。從這個意義而言，CPS中的Physics，必須具有某種可編程性(包括嵌入式或用軟件進行控制);因此CPS中的P，與數字孿生所對應的物理實體，有相同的關系，可以靠數字孿生來實現。

圖3 CPS的三層架構與數字孿生

根據德國Drath教授的CPS三層架構模型，可以看到，數字孿生是CPS建設的一個重要基礎環節。未來，數字孿生與資產管理殼AAS(Asset Administration Shell)可能會融合在一起。

但數字孿生則并非一定要用于CPS，它有的時候，不是用來控制，而只是用來顯示。

在工業4.0的RAMI4.0中，物理實體是指設備、部件、圖紙文件、軟件。一個目前尚不太清楚的問題是，如何實現對軟件的數字孿生，特別是在軟件運行時，如何實現映射。

5、數字孿生與云端

一般而言，數字孿生是放在云端。西門子似乎傾向于將數字孿生看成是純粹基于云的資產，因為運行一個數字孿生需要的計算規模和彈性都很大。

SAP Leonardo平臺為數字孿生，引入了一個云解決方案“預防性工程洞察力”。利用剛剛購買的一家挪威的3D軟件，對那些從傳感器來的壓力、張力和材料生效數據，進行評估，從而幫助企業加大對設備的洞察。

GE、Ansys則傾向于認為數字孿生是一個邊緣和云計算都可能存在的混合模型。而來自美國的創新公司SWIM，開發了一套軟件包，建立了直接面向邊緣的數字孿生。

圖4 從數據到知識經過數字孿生

與常規數字孿生的云端概念不同，這個孿生是根據實時進入的數據，然后經過機器學習逐漸建立機器失效的概念，整個分析就在邊緣端完成，不需要上傳到網絡端。

對于數字孿生而言，無論是云端，還是線下部署，都同等重要。

6、數字孿生與工業互聯網

根據Garnter的2017技術成熟度曲線，數字孿生正在處于冉冉上升的階段。同樣，IDC在2017年11月給出的預測是，到2020年，全球頭部2000家企業的30%，都會使用IoT產品中的數字孿生來提供產品創新。

數字孿生盡管尚未成為主流，卻是每一個企業都不能回避的命題。

工業互聯網是數字孿生的孵化床。物理實體的各種數據收集、交換，都要借助于IIoT來實現。它將機器、物理基礎設施都連接到數字孿生上，將數據的傳遞、存儲分別放到邊緣或者云端?？梢哉f，工業互聯網激活了數字孿生的生命，它天生具有的雙向通路的特征，使得數字孿生真正成為一個有生命力的模型。

數字孿生的核心是，合適的時間、合適的場景，做基于數據的、實時正確的決定。這意味著可以更好地服務客戶。數字孿生是工業互聯網的重要場景，也是工業App的完美搭檔。工業APP可以調用數字孿生。一個數字孿生可以支持多個APP。工業APP可以分析大量的KPI數據，包括生產效率、宕機分析、失效率、能源數據等，形成評估結果，可以反饋并儲存到數字孿生，使得產品與生產的模式都可以得到優化。

7、數字孿生與車間產線生產

數字孿生是以資產為核心，而產線生產則是以流程為核心。

機器安裝、產線安裝，同樣可以建立一個更龐大的、虛擬的仿真版本。通過將物理產線在數字空間的復制，可以提前對安裝、中試的工藝進行仿真。借助數字孿生的記錄和分析，在實際產線安裝時，可以直接復制使用，從而大大降低安裝成本，加速新產品的引進。惹機器調試中的數據，可以用來優化生產，例如能耗、錯誤比率、循環周期等。則可以在后來的工廠和設備的運行過程中，繼續發揮作用，從而提高廠房效率。值得一提的是，必要時數字孿生只攜帶一部分信息，它一般不需要完整的BOM。

這對于生產線而言，是一個巨大的利好消息。OEM供應商要考慮的問題，也不僅僅是產品，而是涉及到多領域模型、傳感器、邊緣設備等軟件配套。

8、數字孿生與智能制造

智能制造的范疇寬泛，包括數字化、網絡化和智能化的方方面面，而數字孿生很聚焦。

智能制造包含著大量的數字孿生的影子。智能生產、智能產品和智能服務，其中涉及智能的地方，都會多少用到數字孿生。

數字孿生是智能服務的重要載體。這里包含三類數字孿生：一類是功能型數字孿生：指示一個物體的基本狀態，例如開關或者滿或者空;一類是靜態數字孿生，用來收集原始數據，以便用來做后續分析，但尚沒有建立分析模型。

最重要的一類是第三種，就是高保真數字孿生。它可以對一個實體做深入的分析，檢查關鍵因素，包括環境。用于預測和指示如何操作。NASA是這方面的例子。

在過去，產品一旦交付給用戶，就到了截止點，成為產品孤兒。產品研發就出現斷頭路。而現在通過數字孿生，可以從實體獲取營養和反饋，然后成為研發人員最為寶貴的優化方略?！爱a品孤兒”變成了“在線寶寶”。

圖5 數字孿生模型(Source：德勤)

換言之，數字孿生，成為一個測試沙盒。許多全新的產品創意，可以直接通過數字孿生，傳遞給實體。

數字孿生正在成為一個數字化企業的標配。德國夾具公司雄克Schunk有5000個標準產品，都將配置一個digital twin。其中50個零部件已經開始建模。

智能制造，包括的設計、制造和最終的產品服務，都離不開數字孿生的影子。它起源于設計、形成于制造，最后以服務的形式，在用戶端，與制造商保持聯系。

9、數字孿生與工業的邊界

從一個產品的全生命周期過程而言，數字孿生發源于創意，從CAD設計開始，到物理產品實現，再到進入消費階段的服務記錄持續更新。

然而，生產一個產品的制造過程，本身也可能是一個數字孿生。也就是，工藝仿真、制造過程，都可能建立一個復雜的數字孿生，進行仿真模擬，并記錄真實數據進行交互。

產品的測試也是如此。在一個汽車自動駕駛的實例中，驗證5級自動駕駛系統，即使不是最復雜的數字孿生的檢驗，那也是非常重要的一個應用。沒有數字仿真，要完成這樣的測試，需要完成140億公里的實況測試。

而在一個工廠的建造上，數字孿生同樣可以發揮巨大作用。通過建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)和仿真手段，對工廠的水電氣網以及各種設施，都可以建立數字孿生，實現虛擬工廠裝配。并在真實廠房建造之后，繼續記錄廠房自身的變化。

圖6 西門子的廠房設施管理

對于廠房設施與設備，西門子在COMOS平臺建立了數字孿生，并且與手機APP呼應。這樣，維修工人進入工廠，帶著手機就可以地隨時掃描RFID或者QR碼，分析維修狀況，分配任務具體到人，包括備件、文檔和設備信息。

顯然，數字孿生可以是一個產品，一個產線，甚至是一個廠房。同樣鉆井平臺、集裝箱、航行的貨船可以建立一個數字孿生。

圖7 鉆井平臺的數字孿生

然而，數字孿生的野心還不限于此。它可以是一個復雜的組織或城市。

數據孿生組織(digital twin organization or DTO) 也叫數據孿生企業 (digital twin enterprise or DTE)。荷蘭軟件公司Mavim提供數據孿生組織軟件產品，能夠把企業內部每一個物理資產、技術、架構、基礎設施、客戶互動、業務能力、戰略、角色、產品、服務、物流與渠道都連接起來，實現數據互聯互通和動態可視。

法國的達索系統正在用它的3D ExperienceCity，為新加坡城市建立一個完整的“數字孿生新加坡”。這樣城市規劃師，就可以利用數字影像更好地解決城市能耗、交通等問題。商店可以根據實際人流的情況，調整開業時間;紅綠燈都不再是固定時間;突發時間的人流疏散，都有緊急的實時預算模型。甚至可以把企業之間的采購、分銷關系也都加入進去，形成“虛擬社交企業”。

圖8 新加坡的數字孿生城市

在2018年斯皮爾伯格的電影《頭號玩家》中，普通人可以通過VR/AR自由進入一個虛擬的城市消耗自己的感情，也可以隨時退回到真實的社區繼續延續虛擬世界的情感。這一切似乎變得越來越可行。

10、數字孿生與CIO

Gartner預測，到2021年，有50%的大型企業都會使用數字孿生。然而數字孿生如果要好用，它帶來了一個巨大的“數字文化休克”的問題。

這是一個激蕩波。

CIO習慣聚焦在流程提升和成本下降，數字孿生聚焦在物理資產與以資產為核心的新業務模式。

CIO是否能夠獨立應付這件事情，是一個嚴峻的考驗。它不僅涉及到了經濟性的問題，而且涉及到了商業模式和商業交付。例如一個輪胎制造商，在為用戶交付一個輪胎的時候，必須同時交付一套數字孿生和支撐軟件。這意味著，在輪胎的合同里面，會出現軟件交付和數據交付!這是一個商業問題，而不再僅僅是企業信息化的問題?！豆鹕虡I評論》最新一期雜志上，刊登了本文作者的一篇《工業互聯網時代，首席數字官正當紅》的文章，詳細討論了“企業信息化”邊界的問題。

圖9 《哈佛商業評論》2018年5月刊

除了企業的各個部門需要共同制定戰略，還有很多的數字倫理問題，需要跟合作伙伴和用戶一起分析數據可能帶來的結果。

很顯然，數字孿生會影響到供應商、合作伙伴。這些，都不是CIO獨自可以面對的使命。

小記：數字孿生是標配

無論如何，在未來幾年，數字孿生技術都將飛速發展，以數字孿生為核心的產業、組織和產品將如雨后春筍般誕生、成長和成熟。每個行業、每個企業不管采用何種策略和路徑，數字孿生將在未來幾年之內成為標配，這也是數字化企業與產品差異化的關鍵。沒有數字孿生戰略的企業，是沒有競爭力的。