CIO必讀：論數(shù)字孿生的十大關系

林雪萍 趙光

無論當前企業(yè)選擇何種策略和路徑，數(shù)字孿生都將成為趨勢，并將在未來幾年之內成為標配，這也是數(shù)字化企業(yè)與產品差異化的關鍵。

利用數(shù)據(jù)饋送來映射物理實體的數(shù)字孿生技術，正在對工業(yè)眾多領域產生顛覆性影響。德國信息技術與新媒體協(xié)會BITKOM預測，數(shù)字孿生在制造業(yè)市場價值巨大，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)要素的關系，比如它與PLM軟件、CAD模型、工業(yè)云進行形態(tài)變換，它對物理實體、產線生產以及工業(yè)之外的世界進行映射。

另外，它能給智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和賽博物理系統(tǒng)CPS支撐。而對首席信息官CIO來說，如何接納數(shù)字孿生這樣一個新事物？在此，我們梳理了數(shù)字孿生的十大關系，正是基于這些關系，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，最早是美國密西根大學教授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）可以是一個設備或產品、生產線、流程、物理系統(tǒng)，也可以是一個組織。數(shù)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(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，最終導致狀態(tài)變化?？梢哉f，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認為，一個數(shù)字孿生概念需要至少四個要素：數(shù)字模型、關聯(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，以達到診斷或者預防的目的。這是一個雙向進化的過程。

數(shù)字孿生與CAD模型

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

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(shù)字孿生可以回收產品的設計、制造和運行的數(shù)據(jù)，并注入全新的產品設計模型中，使設計發(fā)生巨大的變化。知識復用，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，而不是關系型數(shù)據(jù)庫中。

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，從而在沒有生產的時候，就可以消除產品缺陷。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。

數(shù)字孿生與PLM軟件

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

然而PLM以前雖然叫做產品全生命周期的管理，但對于一個產品從設計、制造到服務的全過程而言，PLM顯然沒有完成任務。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(fā)生的工程狀態(tài)更改，往往無法返回給研發(fā)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(shù)字孿生的出現(xiàn)，由于對物理產品的全程（包括損耗和報廢）進行數(shù)字化呈現(xiàn)，這使得產品的“全生命周期”透明化、自動化管理的概念，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這個概念當下似乎也在日漸過時。它出現(xiàn)得太早，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)等眾多技術和商業(yè)模式，合力實現(xiàn)的一個新的盈利模式。

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(tài)的片段—這取決于企業(yè)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(shù)字孿生。

數(shù)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(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。

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(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。

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)的自我適應與自動配置，主要用于非結構化流程自動化，縮短循環(huán)時間和提升產品與服務質量；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，一個以資產為核心。

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

管理殼可以認為是與物理資產相伴生的軟件層，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(shù)字孿生所對應的物理實體，有相同的關系，可以靠數(shù)字孿生來實現(xiàn)。

根據(jù)德國Drath教授的CPS三層架構模型可以看到，數(shù)字孿生是CPS建設的一個重要基礎環(huán)節(jié)。未來，數(shù)字孿生與資產管理殼AAS（Asset Administration Shell）可能會融合在一起。但數(shù)字孿生并非一定要用于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。

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，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，對那些從傳感器上得來的壓力、張力和材料生效數(shù)據(jù)進行評估，從而幫助企業(yè)加大對設備的洞察。

GE、ANSYS則傾向于認為數(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。

與常規(guī)數(shù)字孿生的云端概念不同，這個孿生是根據(jù)實時進入的數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡端。

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。

數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

根據(jù)Garnter的2017技術成熟度曲線，數(shù)字孿生正在處于冉冉上升的階段。同樣，IDC在2017年11月給出的預測是，到2020年，全球頭部2000家企業(yè)的30%，都會使用IoT產品中的數(shù)字孿生來提供產品創(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IoT來實現(xiàn)。它將機器、物理基礎設施都連接到數(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)，包括生產效率、宕機分析、失效率、能源數(shù)據(jù)等，形成評估結果，可以反饋并儲存到數(shù)字孿生，使得產品與生產的模式都可以得到優(yōu)化。

數(shù)字孿生與車間產線生產

數(shù)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(shù)字空間進行復制，可以提前對安裝、中試的工藝進行仿真。

借助數(shù)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。而機器調試中的數(shù)據(jù)，可以用來優(yōu)化生產，例如能耗、錯誤比率、循環(huán)周期等，還可以在后來的工廠和設備的運行過程中，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，而是涉及多領域模型、傳感器、邊緣設備等軟件配套。

數(shù)字孿生與智能制造

智能制造的范疇十分寬泛，包括數(shù)字化、網(wǎng)絡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、智能產品和智能服務，其中涉及智能的地方都多少會用到數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生是智能服務的重要載體。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，檢查關鍵因素，包括環(huán)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(fā)就趨于停滯。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品孤兒”變成了“在線寶寶”。

換言之，數(shù)字孿生，成為一個測試沙盒。許多全新的產品創(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(shù)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(lián)系。

數(shù)字孿生與工業(yè)的邊界

對于一個產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設計開始，到物理產品實現(xiàn)，再到進入消費階段的服務記錄持續(xù)更新。

然而，生產一個產品的制造過程，本身也可能是一個數(shù)字孿生。也就是，工藝仿真、制造過程，都可能建立一個復雜的數(shù)字孿生，進行仿真模擬，并記錄真實數(shù)據(jù)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(tǒng)，即使不是最復雜的數(shù)字孿生的檢驗，那也是非常重要的一個應用。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。

對于廠房設施與設備，西門子在COMOS平臺建立了數(shù)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(shù)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、航行的貨船也可以建立一個數(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)孿生組織軟件產品，能夠把企業(yè)內部每一個物理資產、技術、架構、基礎設施、客戶互動、業(yè)務能力、戰(zhàn)略、角色、產品、服務、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”。這樣的城市規(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，都有緊急的實時預算模型；甚至可以把企業(yè)之間的采購、分銷關系也都加入進去，形成“虛擬社交企業(yè)”。

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(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。

數(shù)字孿生與CIO

Gartner預測，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與以資產為核心的新業(yè)務模式。

CIO是否能夠獨立應付這件事情，是一個嚴峻的考驗。它不僅涉及經濟性的問題，而且涉及商業(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?！豆鹕虡I(yè)評論》的一期雜志上，刊登了本文作者的一篇《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，首席數(shù)字官正當紅》的文章，詳細討論了“企業(yè)信息化”邊界的問題。

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)可能帶來的結果。

很顯然，數(shù)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。

數(shù)字孿生是標配

無論如何，在未來幾年，數(shù)字孿生技術都將飛速發(fā)展，以數(shù)字孿生為核心的產業(yè)、組織和產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成為標配，這也是數(shù)字化企業(yè)與產品差異化的關鍵。沒有數(shù)字孿生戰(zhàn)略的企業(yè)，是沒有競爭力的。