引 子

利用數(shù)據(jù)饋送來映射物理實體的數(shù)字孿生技術(shù)，正在對工業(yè)眾多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。德國信息技術(shù)與新媒體協(xié)會BITKOM預(yù)測，數(shù)字孿生在制造業(yè)市場巨大，到2025年將超過780億歐元。

迎接數(shù)字孿生，需要用戰(zhàn)略性視角審視它與過去、未來諸多工業(yè)要素的關(guān)系，比如它與PLM軟件、CAD模型、工業(yè)云進(jìn)行形態(tài)變換，它對物理實體、產(chǎn)線生產(chǎn)，以及工業(yè)之外的世界進(jìn)行映射。同時它對智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和賽博物理系統(tǒng)CPS的支撐。而對首席信息官CIO來說，如何接納數(shù)字孿生這樣一個新寵物?

在此，我們梳理了數(shù)字孿生的十大關(guān)系，正是這些關(guān)系，支撐著一個全新的數(shù)字工業(yè)世界。

數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生一詞，最早是密西根大學(xué)教授Grieves提出，后來NASA在2010年對飛行器的真實運行活動進(jìn)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(fā)生的一切。

數(shù)字孿生是現(xiàn)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(chǎn))可以是一個設(shè)備或產(chǎn)品、生產(chǎn)線、流程、物理系統(tǒng)，也可是一個組織。數(shù)字孿生概念的落地是用三維圖形軟件構(gòu)建的“軟體”去映射現(xiàn)實中的物體來實現(xiàn)。這種映射通常是一個多維動態(tài)的數(shù)字映射，它依賴安裝在物體上的傳感器或模擬數(shù)據(jù)來洞察和呈現(xiàn)物體的實時狀態(tài)，同時也將承載指令的數(shù)據(jù)回饋到物體導(dǎo)致狀態(tài)變化。數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界和數(shù)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(shù)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(tài)、風(fēng)的干擾、齒輪的損耗等情況通過傳感器和數(shù)據(jù)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(shù)字孿生。

Gartner認(rèn)為， 一個數(shù)字孿生需要至少四個要素：數(shù)字模型，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，身份識別和實時監(jiān)測功能。

數(shù)字孿生體現(xiàn)了軟件、硬件、和物聯(lián)網(wǎng)回饋的機制。運行實體的數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的營養(yǎng)液輸送線。反過來，很多模擬或指令信息可以從數(shù)字孿生輸送到實體，以達(dá)到診斷或者預(yù)防的目的。

這是一個雙向進(jìn)化的過程。

1、數(shù)字孿生與CAD模型

當(dāng)完成CAD的設(shè)計，一個CAD模型就出現(xiàn)了。然而，數(shù)字孿生與物理實體的產(chǎn)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(yīng)的數(shù)字孿生(當(dāng)然，數(shù)字孿生也可以繼承另外一個數(shù)字孿生模板做為基礎(chǔ))。

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

3D模型在文檔夾里無人問津的時代已經(jīng)過去。數(shù)字孿生可以回收產(chǎn)品的設(shè)計、制造和運行的數(shù)據(jù)，并注入全新的產(chǎn)品設(shè)計模型中，使設(shè)計發(fā)生巨大的變化。知識復(fù)用，變得越來越普及。

數(shù)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(tǒng)、機器運動機理等。它一般儲存在圖形數(shù)據(jù)庫，而不是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

最值得期待的是，有了數(shù)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(chǎn)的時候，就以消除產(chǎn)品缺陷。

IBM的看法是，數(shù)字孿生就是物理實體的一個數(shù)字替身，可以演化到萬物互聯(lián)的復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。它不僅僅是3D模型，而是一個動態(tài)的、有血有肉的、活生生的3D模型。

數(shù)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(shù)字孿生與PLM軟件

考慮到數(shù)字孿生可以用PLM來管理產(chǎn)品或設(shè)備的生命周期，也從PLM軟件中輸出文件，PLM顯然與數(shù)字孿生緊密相關(guān)。

然而PLM以前雖然叫做產(chǎn)品全生命周期的管理，但從一個產(chǎn)品的設(shè)計、制造、到服務(wù)的全過程而言，PLM顯然是沒有完成任務(wù)。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(fā)生的工程狀態(tài)更改，往往無法返回給研發(fā)設(shè)計師。而當(dāng)產(chǎn)品出廠之后，就會形成產(chǎn)品的信息孤兒，更是無法通過PLM進(jìn)行跟蹤。

數(shù)字孿生的出現(xiàn)，由于對物理產(chǎn)品的全程(包括損耗和報廢)進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)，這使得產(chǎn)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，PLM才能真正成為現(xiàn)實——值得諷刺是，PLM這個概念當(dāng)下似乎也在過時。它出現(xiàn)的太早，未曾也無法完成它的使命。

數(shù)字孿生的出現(xiàn)，PLM終于可以簡單地回歸它的軟件和數(shù)據(jù)件(Dataware)概念。全生命周期管理，成為借助于數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等眾多技術(shù)和商業(yè)模式，合力實現(xiàn)的一個新的營利模式。

3、數(shù)字孿生與物理實體

數(shù)字孿生必須依賴物理實體的數(shù)據(jù)饋送來實現(xiàn)。也就是說，它從理論上可以對一個物理實體進(jìn)行全息復(fù)制。但實際應(yīng)用時，它可能只截取了物理實體的一些小小的、動態(tài)的片段——這取決于企業(yè)對產(chǎn)品服務(wù)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(shù)字孿生。

數(shù)字孿生與物理實體有三種映射關(guān)系，可以一對一：一個機器，一個數(shù)字孿生;也可能是一對多：多個儀表，組成一個數(shù)字孿生;也可以是多對一：幾個數(shù)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(shù)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(shè)計軟件公司合作，它建立的數(shù)字孿生可以實現(xiàn)圖表與表單的數(shù)據(jù)同源。

數(shù)字孿生不僅僅是狀態(tài)更新。它也可以被用來進(jìn)行編程和編譯執(zhí)行實現(xiàn)對物理實體的控制，從而實現(xiàn)物理實體的運營優(yōu)化或狀態(tài)改變。

4、數(shù)字孿生與賽博物理系統(tǒng)CPS

CPS把物理、機械與模型、知識整合到一起了，實現(xiàn)系統(tǒng)的自我適應(yīng)與自動配置，主要用于非結(jié)構(gòu)化流程自動化，縮短循環(huán)時間和提升產(chǎn)品與服務(wù)質(zhì)量;而數(shù)字孿生主要用于物理實體的狀態(tài)監(jiān)控、控制。一個以流程為核心，一個以資產(chǎn)為核心。

要描述這二者之間的關(guān)系，需要先談另外一個工業(yè)4.0非常重要的支撐概念：管理殼。它可以使得物理資產(chǎn)有了數(shù)據(jù)描述，從而可以跟其他物理資產(chǎn)實現(xiàn)在數(shù)字空間的交互。

圖2 管理殼

管理殼可以認(rèn)為是與物理資產(chǎn)相伴生的軟件層，包括數(shù)據(jù)和界面。是CPS的物理層P與賽博層C進(jìn)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(jìn)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(jìn)行控制);因此CPS中的P，與數(shù)字孿生所對應(yīng)的物理實體，有相同的關(guān)系，可以靠數(shù)字孿生來實現(xiàn)。

圖3 CPS的三層架構(gòu)與數(shù)字孿生

根據(jù)德國Drath教授的CPS三層架構(gòu)模型，可以看到，數(shù)字孿生是CPS建設(shè)的一個重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。未來，數(shù)字孿生與資產(chǎn)管理殼AAS(Asset Administration Shell)可能會融合在一起。

但數(shù)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(yè)4.0的RAMI4.0中，物理實體是指設(shè)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(xiàn)對軟件的數(shù)字孿生，特別是在軟件運行時，如何實現(xiàn)映射。

5、數(shù)字孿生與云端

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

SAP Leonardo平臺為數(shù)字孿生，引入了一個云解決方案“預(yù)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(shù)據(jù)，進(jìn)行評估，從而幫助企業(yè)加大對設(shè)備的洞察。

GE、Ansys則傾向于認(rèn)為數(shù)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(chuàng)新公司SWIM，開發(fā)了一套軟件包，建立了直接面向邊緣的數(shù)字孿生。

圖4 從數(shù)據(jù)到知識經(jīng)過數(shù)字孿生

與常規(guī)數(shù)字孿生的云端概念不同，這個孿生是根據(jù)實時進(jìn)入的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過機器學(xué)習(xí)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(wǎng)絡(luò)端。

對于數(shù)字孿生而言，無論是云端，還是線下部署，都同等重要。

6、數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

根據(jù)Garnter的2017技術(shù)成熟度曲線，數(shù)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(yù)測是，到2020年，全球頭部2000家企業(yè)的30%，都會使用IoT產(chǎn)品中的數(shù)字孿生來提供產(chǎn)品創(chuàng)新。

數(shù)字孿生盡管尚未成為主流，卻是每一個企業(yè)都不能回避的命題。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字孿生的孵化床。物理實體的各種數(shù)據(jù)收集、交換，都要借助于IIoT來實現(xiàn)。它將機器、物理基礎(chǔ)設(shè)施都連接到數(shù)字孿生上，將數(shù)據(jù)的傳遞、存儲分別放到邊緣或者云端。可以說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)激活了數(shù)字孿生的生命，它天生具有的雙向通路的特征，使得數(shù)字孿生真正成為一個有生命力的模型。

數(shù)字孿生的核心是，合適的時間、合適的場景，做基于數(shù)據(jù)的、實時正確的決定。這意味著可以更好地服務(wù)客戶。數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要場景，也是工業(yè)App的完美搭檔。工業(yè)APP可以調(diào)用數(shù)字孿生。一個數(shù)字孿生可以支持多個APP。工業(yè)APP可以分析大量的KPI數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)效率、宕機分析、失效率、能源數(shù)據(jù)等，形成評估結(jié)果，可以反饋并儲存到數(shù)字孿生，使得產(chǎn)品與生產(chǎn)的模式都可以得到優(yōu)化。

7、數(shù)字孿生與車間產(chǎn)線生產(chǎn)

數(shù)字孿生是以資產(chǎn)為核心，而產(chǎn)線生產(chǎn)則是以流程為核心。

機器安裝、產(chǎn)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(chǎn)線在數(shù)字空間的復(fù)制，可以提前對安裝、中試的工藝進(jìn)行仿真。借助數(shù)字孿生的記錄和分析，在實際產(chǎn)線安裝時，可以直接復(fù)制使用，從而大大降低安裝成本，加速新產(chǎn)品的引進(jìn)。惹機器調(diào)試中的數(shù)據(jù)，可以用來優(yōu)化生產(chǎn)，例如能耗、錯誤比率、循環(huán)周期等。則可以在后來的工廠和設(shè)備的運行過程中，繼續(xù)發(fā)揮作用，從而提高廠房效率。值得一提的是，必要時數(shù)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(chǎn)線而言，是一個巨大的利好消息。OEM供應(yīng)商要考慮的問題，也不僅僅是產(chǎn)品，而是涉及到多領(lǐng)域模型、傳感器、邊緣設(shè)備等軟件配套。

8、數(shù)字孿生與智能制造

智能制造的范疇寬泛，包括數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方方面面，而數(shù)字孿生很聚焦。

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

數(shù)字孿生是智能服務(wù)的重要載體。這里包含三類數(shù)字孿生：一類是功能型數(shù)字孿生：指示一個物體的基本狀態(tài)，例如開關(guān)或者滿或者空;一類是靜態(tài)數(shù)字孿生，用來收集原始數(shù)據(jù)，以便用來做后續(xù)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(shù)字孿生。它可以對一個實體做深入的分析，檢查關(guān)鍵因素，包括環(huán)境。用于預(yù)測和指示如何操作。NASA是這方面的例子。

在過去，產(chǎn)品一旦交付給用戶，就到了截止點，成為產(chǎn)品孤兒。產(chǎn)品研發(fā)就出現(xiàn)斷頭路。而現(xiàn)在通過數(shù)字孿生，可以從實體獲取營養(yǎng)和反饋，然后成為研發(fā)人員最為寶貴的優(yōu)化方略?！爱a(chǎn)品孤兒”變成了“在線寶寶”。

圖5 數(shù)字孿生模型(Source：德勤)

換言之，數(shù)字孿生，成為一個測試沙盒。許多全新的產(chǎn)品創(chuàng)意，可以直接通過數(shù)字孿生，傳遞給實體。

數(shù)字孿生正在成為一個數(shù)字化企業(yè)的標(biāo)配。德國夾具公司雄克Schunk有5000個標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，都將配置一個digital twin。其中50個零部件已經(jīng)開始建模。

智能制造，包括的設(shè)計、制造和最終的產(chǎn)品服務(wù)，都離不開數(shù)字孿生的影子。它起源于設(shè)計、形成于制造，最后以服務(wù)的形式，在用戶端，與制造商保持聯(lián)系。

9、數(shù)字孿生與工業(yè)的邊界

從一個產(chǎn)品的全生命周期過程而言，數(shù)字孿生發(fā)源于創(chuàng)意，從CAD設(shè)計開始，到物理產(chǎn)品實現(xiàn)，再到進(jìn)入消費階段的服務(wù)記錄持續(xù)更新。

然而，生產(chǎn)一個產(chǎn)品的制造過程，本身也可能是一個數(shù)字孿生。也就是，工藝仿真、制造過程，都可能建立一個復(fù)雜的數(shù)字孿生，進(jìn)行仿真模擬，并記錄真實數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。

產(chǎn)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(tǒng)，即使不是最復(fù)雜的數(shù)字孿生的檢驗，那也是非常重要的一個應(yīng)用。沒有數(shù)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(shù)字孿生同樣可以發(fā)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(wǎng)以及各種設(shè)施，都可以建立數(shù)字孿生，實現(xiàn)虛擬工廠裝配。并在真實廠房建造之后，繼續(xù)記錄廠房自身的變化。

圖6 西門子的廠房設(shè)施管理

對于廠房設(shè)施與設(shè)備，西門子在COMOS平臺建立了數(shù)字孿生，并且與手機APP呼應(yīng)。這樣，維修工人進(jìn)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(wù)具體到人，包括備件、文檔和設(shè)備信息。

顯然，數(shù)字孿生可以是一個產(chǎn)品，一個產(chǎn)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(shù)字孿生。

圖7 鉆井平臺的數(shù)字孿生

然而，數(shù)字孿生的野心還不限于此。它可以是一個復(fù)雜的組織或城市。

數(shù)據(jù)孿生組織(digital twin organization or DTO) 也叫數(shù)據(jù)孿生企業(yè) (digital twin enterprise or DTE)。荷蘭軟件公司Mavim提供數(shù)據(jù)孿生組織軟件產(chǎn)品，能夠把企業(yè)內(nèi)部每一個物理資產(chǎn)、技術(shù)、架構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施、客戶互動、業(yè)務(wù)能力、戰(zhàn)略、角色、產(chǎn)品、服務(wù)、物流與渠道都連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和動態(tài)可視。

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

圖8 新加坡的數(shù)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(jìn)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(qū)繼續(xù)延續(xù)虛擬世界的情感。這一切似乎變得越來越可行。

10、數(shù)字孿生與CIO

Gartner預(yù)測，到2021年，有50%的大型企業(yè)都會使用數(shù)字孿生。然而數(shù)字孿生如果要好用，它帶來了一個巨大的“數(shù)字文化休克”的問題。

這是一個激蕩波。

CIO習(xí)慣聚焦在流程提升和成本下降，數(shù)字孿生聚焦在物理資產(chǎn)與以資產(chǎn)為核心的新業(yè)務(wù)模式。

CIO是否能夠獨立應(yīng)付這件事情，是一個嚴(yán)峻的考驗。它不僅涉及到了經(jīng)濟(jì)性的問題，而且涉及到了商業(yè)模式和商業(yè)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(shù)字孿生和支撐軟件。這意味著，在輪胎的合同里面，會出現(xiàn)軟件交付和數(shù)據(jù)交付!這是一個商業(yè)問題，而不再僅僅是企業(yè)信息化的問題。《哈佛商業(yè)評論》最新一期雜志上，刊登了本文作者的一篇《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，首席數(shù)字官正當(dāng)紅》的文章，詳細(xì)討論了“企業(yè)信息化”邊界的問題。

圖9 《哈佛商業(yè)評論》2018年5月刊

除了企業(yè)的各個部門需要共同制定戰(zhàn)略，還有很多的數(shù)字倫理問題，需要跟合作伙伴和用戶一起分析數(shù)據(jù)可能帶來的結(jié)果。

很顯然，數(shù)字孿生會影響到供應(yīng)商、合作伙伴。這些，都不是CIO獨自可以面對的使命。

小記：數(shù)字孿生是標(biāo)配

無論如何，在未來幾年，數(shù)字孿生技術(shù)都將飛速發(fā)展，以數(shù)字孿生為核心的產(chǎn)業(yè)、組織和產(chǎn)品將如雨后春筍般誕生、成長和成熟。每個行業(yè)、每個企業(yè)不管采用何種策略和路徑，數(shù)字孿生將在未來幾年之內(nèi)成為標(biāo)配，這也是數(shù)字化企業(yè)與產(chǎn)品差異化的關(guān)鍵。沒有數(shù)字孿生戰(zhàn)略的企業(yè)，是沒有競爭力的。