數(shù)字孿生概念淺析

□ 劉文廣

中車工業(yè)研究院有限公司 北京 100070

1 分析背景

數(shù)字孿生是一種數(shù)字化理念和技術(shù)手段,通過在虛擬的數(shù)字空間實(shí)時(shí)構(gòu)建物理對(duì)象的數(shù)字化表示,并基于數(shù)據(jù)治理、整合與分析以形成智能決策,可以有效指導(dǎo)物理對(duì)象的優(yōu)化。近年關(guān)于數(shù)字孿生的研究方興未艾,在各領(lǐng)域逐漸體現(xiàn)出了巨大的潛力,已成為當(dāng)前世界各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。關(guān)于數(shù)字孿生的基本思想,目前主流觀點(diǎn)是由Michael Grieves博士于2002在密歇根大學(xué)為產(chǎn)品生命周期管理中心成立而向工業(yè)界發(fā)表演講中提出[1]。之后,多家組織對(duì)數(shù)字孿生的定義進(jìn)行了研究探討,如美國美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國國家航空航天局、德國西門子公司、美國通用電氣公司、美國國際商業(yè)機(jī)器公司、美國ANSYS公司等。文獻(xiàn)[2]也提出了自己的理解。數(shù)字孿生還沒有形成一致的定義,并且現(xiàn)有的數(shù)字孿生概念界定還比較寬泛,偏理論化和學(xué)術(shù)化。為了更好地開展數(shù)字孿生的應(yīng)用,筆者對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行概念淺析。

2 數(shù)字孿生相關(guān)名詞辨析

數(shù)字孿生相關(guān)名詞主要包括數(shù)字孿生、數(shù)字鏡像、數(shù)字映射、數(shù)字雙胞胎、數(shù)字孿生體、數(shù)字孿生技術(shù)、數(shù)字孿生體技術(shù)等,這些名詞基本上都是由英文digital twin翻譯而來,其中數(shù)字孿生和數(shù)字孿生體使用較多。另外,英文中有專門的digital twin technology,從內(nèi)容來看,有digital twin和digital twin technology兩者混用的情況,即把digital twin當(dāng)作digital twin technology來解讀。國內(nèi)文獻(xiàn)也常有這種情況,即將數(shù)字孿生技術(shù)簡稱為數(shù)字孿生。

按中文的理解方式,數(shù)字孿生體應(yīng)該僅指與物理對(duì)象對(duì)應(yīng)的數(shù)字體,數(shù)字孿生技術(shù)則是利用數(shù)字孿生進(jìn)行優(yōu)化、決策的綜合技術(shù)。為避免邏輯混亂,在本文中數(shù)字孿生體僅指與物理對(duì)象存在映射關(guān)系的數(shù)字虛擬體。

3 數(shù)字孿生內(nèi)涵

筆者認(rèn)為,數(shù)字孿生的內(nèi)涵是統(tǒng)籌。統(tǒng)籌學(xué)研究如何在實(shí)現(xiàn)整體目標(biāo)的全過程中施行統(tǒng)籌管理的有關(guān)理論、模型、方法和手段。通過對(duì)整體目標(biāo)的分析,選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠砻枋稣w的各部分之間、各部分與整體之間,以及它們與外部之間的關(guān)系和相應(yīng)的評(píng)審指標(biāo)體系,然后綜合成一個(gè)整體模型,用以進(jìn)行分析并求出全局的最優(yōu)決策,以及與之協(xié)調(diào)的各部分的目標(biāo)和決策[3]。華羅庚先生在《統(tǒng)籌方法》一文中就曾經(jīng)以泡茶為例講解過統(tǒng)籌方法。文中提到要泡茶,當(dāng)時(shí)的情況是開水沒有,水壺要洗,茶壺、茶杯要洗,火已生了,茶葉也有了,怎么辦?為了在最短的時(shí)間內(nèi)喝到茶,就需要統(tǒng)籌全局,提前安排好各項(xiàng)工作的順序。泡茶流程如圖1所示。

▲圖1 泡茶流程

統(tǒng)籌方法的實(shí)用范圍極廣泛,華羅庚先生在文中指出,在企業(yè)管理和基本建設(shè)中,以及關(guān)系復(fù)雜的科研項(xiàng)目的組織與管理中,都可以應(yīng)用統(tǒng)籌。關(guān)于泡茶的統(tǒng)籌過程,敘述比較簡單,這是因?yàn)樯婕耙蛩厣?很容易就可以想出可能的方案,并且能夠一眼看出哪一種方案好,用人的大腦便可借助統(tǒng)籌方法尋出最優(yōu)方案。但是對(duì)于復(fù)雜的事情,僅僅依靠人腦來統(tǒng)籌就不行了。對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域來說,要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)高效、制造成本低、運(yùn)營成本低、維護(hù)成本低的目的,就更加需要統(tǒng)籌全局,此時(shí)要考慮的因素就非常多。以軌道交通裝備企業(yè)運(yùn)營為例,包括供、產(chǎn)、銷、維四個(gè)環(huán)節(jié),運(yùn)營流程如圖2所示。四個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,而且其中每一個(gè)環(huán)節(jié)又有眾多的影響因素,此時(shí)要達(dá)到整體最優(yōu)的效果,只用大腦去統(tǒng)籌就不現(xiàn)實(shí)了,算力和存儲(chǔ)能力都不夠?，F(xiàn)代信息技術(shù)已高度發(fā)達(dá),可以讓電腦代替人腦進(jìn)行統(tǒng)籌,由此需要將所要考慮的各種因素,包括狀態(tài)、屬性、行為數(shù)字化,在數(shù)字環(huán)境中建立對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型,然后使高性能的電腦進(jìn)行總體統(tǒng)籌規(guī)劃,并以此指導(dǎo)實(shí)際工作。

▲圖2 軌道交通裝備企業(yè)運(yùn)營流程

在數(shù)字環(huán)境中建立的物理對(duì)象的數(shù)字模型及后續(xù)的基于模型進(jìn)行統(tǒng)籌便是數(shù)字孿生,其中的數(shù)學(xué)模型便是數(shù)字孿生體。因此可以說,數(shù)字孿生是便于對(duì)復(fù)雜工作進(jìn)行統(tǒng)籌,在信息技術(shù)發(fā)展到一定程度后的產(chǎn)物,這也可以從數(shù)字孿生的起源得到印證。

數(shù)字孿生概念在制造領(lǐng)域的使用最早可追溯到美國國家航空航天局的阿波羅項(xiàng)目[4]。1970年4月13日,阿波羅13號(hào)宇宙飛船在奔月的途中突然遭遇服務(wù)艙氧氣罐爆炸的險(xiǎn)情,后來在地面控制人員和宇航員通力配合之下才得以成功返回地面,這背后的關(guān)鍵是美國國家航空航天局在地面有一套完整的、高水準(zhǔn)的模擬系統(tǒng),如圖3所示。這一系統(tǒng)用于培訓(xùn)宇航員和任務(wù)控制人員所用到的全部任務(wù)操作及多種故障場景的處理。在模擬操作中,唯一真實(shí)的是乘員、座艙和任務(wù)控制臺(tái),其它都是由計(jì)算機(jī)、相關(guān)計(jì)算公式及經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員創(chuàng)造出來的。任務(wù)控制人員和宇航員們?cè)诰C合考慮飛船受損、可用電力、剩余氧氣、飲用水等因素后,與登月艙制造廠商協(xié)同工作,制訂著陸方案。然后安排后備宇航員在模擬器上進(jìn)行操作演練,以驗(yàn)證方案的可行性。最后宇航員們按演練形成的操作指令清單執(zhí)行,最終安全返航。

▲圖3 阿波羅模擬系統(tǒng)

美國國家航空航天局利用模擬器制訂著陸方案雖然比華羅庚先生所講的泡茶例子要復(fù)雜很多,但是本質(zhì)都是綜合考慮各種因素選出最優(yōu)方案,并對(duì)各項(xiàng)工作進(jìn)行組織與管理,也就是統(tǒng)籌的過程。阿波羅13號(hào)宇宙飛船事故救援的實(shí)踐,可以視為美國國家航空航天局提出數(shù)字孿生概念的一個(gè)工程實(shí)踐背景,西門子工程師則稱阿波羅13號(hào)宇宙飛船為第一次數(shù)字孿生。在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過不斷的發(fā)展,形成了美國航空航天局的數(shù)字孿生定義,并于2010年在太空技術(shù)路線圖中首次引入數(shù)字孿生的表述。從美國航空航天局形成數(shù)字孿生概念的背景歷程來看,數(shù)字孿生的內(nèi)涵本質(zhì)也是統(tǒng)籌。

綜上分析,不難得出數(shù)字孿生內(nèi)涵為統(tǒng)籌的結(jié)論。數(shù)字孿生借助于數(shù)字孿生體的手段在虛擬環(huán)境下模擬不同的場景并選出最優(yōu)方案,并對(duì)各物理實(shí)體進(jìn)行改進(jìn)、調(diào)整,從而減少直接在物理實(shí)體上試錯(cuò)的成本,提升工作效率,實(shí)現(xiàn)全局的最優(yōu),這也正是統(tǒng)籌的基本理念和目的。

數(shù)字孿生一詞雖然只是近二三十年才出現(xiàn),但其內(nèi)涵可以說古已有之,理解了統(tǒng)籌,基本也就理解了數(shù)字孿生的內(nèi)涵。

筆者基于統(tǒng)籌的理念對(duì)數(shù)字孿生做出如下定義:為實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu),借助于數(shù)字手段,對(duì)所擁有各種物理對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)虛擬映射,以建立對(duì)應(yīng)的數(shù)字虛擬體,并基于此進(jìn)行動(dòng)態(tài)統(tǒng)籌規(guī)劃,以此指導(dǎo)物理對(duì)象的優(yōu)化組織。

統(tǒng)籌是適用于所有工作的,因此數(shù)字孿生也可以用于各行各業(yè)。可以說一切皆可進(jìn)行數(shù)字孿生,只要有足夠的性價(jià)比。數(shù)字孿生的概念起源于制造業(yè),應(yīng)用最多的也是制造業(yè)。目前,數(shù)字孿生已開始應(yīng)用于智慧城市、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)等行業(yè),并逐漸顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。

4 數(shù)字孿生基本特征

通過理解數(shù)字孿生的內(nèi)涵,可以總結(jié)出數(shù)字孿生的基本特征。

(1) 雙向映射。數(shù)字孿生要求在數(shù)字空間構(gòu)建物理對(duì)象的數(shù)字化表示,現(xiàn)實(shí)世界中的物理對(duì)象和數(shù)字空間中的數(shù)字孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射,數(shù)字孿生應(yīng)反映物理實(shí)體的狀態(tài)變化。同時(shí),在虛擬空間中對(duì)數(shù)字孿生體的優(yōu)化決策也可以指導(dǎo)物理實(shí)體進(jìn)行調(diào)整。如果只是把模型提取出來進(jìn)行建模分析,那只是仿真而不是數(shù)字孿生。此處還要注意,物理對(duì)象和數(shù)字孿生體是相像的關(guān)系,而不是要完全相同。數(shù)字孿生體只要能夠反映所關(guān)注的指標(biāo)即可,否則就可能會(huì)陷入過度可視化的誤區(qū)。

(2) 實(shí)時(shí)同步。數(shù)字孿生體與實(shí)體對(duì)象之間的映射要有一定實(shí)時(shí)性,否則無法根據(jù)實(shí)物的最新情況進(jìn)行優(yōu)化決策,數(shù)字孿生便失去意義。比如自動(dòng)駕駛技術(shù),在車輛行駛中,車載電腦根據(jù)各種傳感器所獲取的信息建立車輛、路況等實(shí)體的數(shù)字孿生體,然后結(jié)合自動(dòng)駕駛經(jīng)驗(yàn)計(jì)算后續(xù)的動(dòng)作,并且數(shù)字孿生體也要能夠?qū)崟r(shí)反映物理對(duì)象的真實(shí)的情況,如路滑導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎不足,或其它物體闖入路面,以便不斷及時(shí)修正車輛的速度和方向。

當(dāng)然,實(shí)時(shí)是相對(duì)的,有些場景需要精確及時(shí),有些場景則不需要,這些都可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)場景進(jìn)行判定。并且實(shí)時(shí)性與成本相關(guān),兩者需要兼顧。

(3) 全生命周期。所謂全生命周期,指使用數(shù)字孿生要考慮一定的周期,在一定周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化決策的目標(biāo)。比如對(duì)于制造型企業(yè),數(shù)字孿生可以貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)、報(bào)廢回收的整個(gè)周期,不局限于幫助企業(yè)把產(chǎn)品更好地造出來,還包括幫助用戶更好地使用產(chǎn)品。

全生命周期本意是通盤考慮、整體統(tǒng)籌,這樣才能實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)。當(dāng)然,在全生命周期中實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生是一個(gè)終極目標(biāo),并非要一步實(shí)現(xiàn),數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)本身也是一個(gè)長期、漸進(jìn)過程。

5 可視化誤區(qū)

數(shù)字孿生的背后是數(shù)據(jù)和算法,為了便于直觀查看、交互,借助于可視化技術(shù),對(duì)目標(biāo)對(duì)象的屬性、狀態(tài)、行為等進(jìn)行形象化展示。這本只是數(shù)字孿生的前端,但是目前有些企業(yè)將主要精力放在了這里,將設(shè)備做成三維圖形或?qū)θS仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行展示,就號(hào)稱實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生。過于追求外在形似,甚至做成三維動(dòng)畫并用大屏方式展示,這能給參觀者炫酷的觀感,但對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)卻沒有促進(jìn)作用?？梢暬瘜儆谌藱C(jī)界面的范疇,將可視化作為數(shù)字孿生是一個(gè)誤區(qū),這過分關(guān)注了數(shù)字孿生的表象和形式,而忽視內(nèi)涵與本質(zhì)。其實(shí),可視化只是為了使非專業(yè)人員能夠形象化認(rèn)識(shí),當(dāng)數(shù)據(jù)足夠豐富、算法足夠強(qiáng)大后,決策操作不需要人工干預(yù),甚至不需要前端展示。而如果沒有數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和算法的支持,沒有物理實(shí)體和數(shù)字孿生體之間的雙向?qū)崟r(shí)映射,數(shù)字孿生應(yīng)有的價(jià)值也就無法體現(xiàn)。

數(shù)字孿生流程如圖4所示,可分為建模、感知、分析、決策四個(gè)環(huán)節(jié)。面對(duì)紛繁復(fù)雜的物理對(duì)象,提煉其內(nèi)在本質(zhì),以構(gòu)建數(shù)字孿生體模型。面對(duì)全流程的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)時(shí)感知及治理。之后還要進(jìn)行高效、精準(zhǔn)分析,根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行智能決策,以指導(dǎo)實(shí)際工作。以上整個(gè)流程背后的核心在于數(shù)據(jù)和計(jì)算,而非前端炫酷的可視化。

▲圖4 數(shù)字孿生流程

可視化可以有不同的形式,可復(fù)雜,也可簡單。復(fù)雜指在保持幾何與結(jié)構(gòu)高度仿真的情況下進(jìn)行描述,簡單指能表達(dá)所關(guān)心的參數(shù)即可,忽略對(duì)幾何與結(jié)構(gòu)的表達(dá)?？梢暬某潭纫鶕?jù)業(yè)務(wù)需要而定,不可以過度關(guān)注外在形似。例如,對(duì)于一列高鐵車輛,在研發(fā)階段為了進(jìn)行系統(tǒng)仿真,可以使用零部件詳細(xì)表達(dá)進(jìn)行可視化,而在車輛運(yùn)營階段為了車輛調(diào)度,用幾根線條簡要表達(dá)整車的位置即可,此時(shí)大可不必對(duì)車輛的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)展示。數(shù)字虛擬體高鐵調(diào)度如圖5所示。再比如前面提到的泡茶的例子,只需要把相關(guān)的信息抽象出數(shù)學(xué)模型就可以,如果將水壺、茶壺、茶杯、茶葉這些實(shí)物的三維模型建立出來,然后還以動(dòng)畫形式把整個(gè)流程展示出來,那么就陷入了過度可視化的誤區(qū)。

▲圖5 數(shù)字虛擬體高鐵調(diào)度

6 結(jié)束語

筆者通過對(duì)數(shù)字孿生內(nèi)涵的剖析,闡述數(shù)字孿生的本質(zhì)是為了實(shí)現(xiàn)整體的統(tǒng)籌。企業(yè)應(yīng)該聚焦自身業(yè)務(wù),重點(diǎn)建立更好的業(yè)務(wù)邏輯和策略,通過數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)更優(yōu)經(jīng)營目標(biāo)。對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域來說,應(yīng)從實(shí)處做起,長期不斷積累,不要幻想一蹴而就,更不要幻想通過數(shù)字孿生、智能制造等手段就可以實(shí)現(xiàn)彎道超車。另外,數(shù)字孿生的本意是通過數(shù)字虛擬技術(shù)減少實(shí)體試錯(cuò)成本,因?yàn)樵谖锢硎澜缰械腻e(cuò)誤往往比較昂貴,有時(shí)甚至是負(fù)擔(dān)不起的。雖說一切皆可數(shù)字孿生,但數(shù)字孿生卻不是適合所有的業(yè)務(wù)和場景。對(duì)于有些場景來說,建模的成本可能高于使用物理實(shí)體進(jìn)行試錯(cuò)的成本,此時(shí)則不適合使用數(shù)字孿生。