王愛民

北京理工大學

數字孿生是近幾年得到重視的一個概念，尤其是與之前智能制造、CPS等相比，人們感覺數字孿生是更加落地或可以作為抓手的一個概念。一般對于概念來說是在研究過程當中，為了精煉準確說明某些事情，我們凝練出一個可能從來沒有出現的概念。但對于數字孿生來說，我認為其更多的是一種提綱挈領的模式或機制的描述，一方面是面向實際的應用需求而衍生出這種總結性名詞，另外一個方面是對既往一些做法的再次凝練和提升，或者可以認為是源于實踐并追求高于實踐吧。

對于數字孿生概念來說，我們追求的其實和應該是他的內涵。雖然從字面來說，“數字”、“孿生”是偏向于與物理實體相對應的“虛體”的含義，但既然涉及到“孿生”一定是有其物理實體對照物的，并且一定是與物理實體對照物具有關系的一種綜合概念。比如我們從物理資源角度來說，利用資源管理殼等表達和互操作方式，實現與實際世界相對應的物理實體的孿生體特點等。當然，我們仍然可以嘗試追求給出一個嚴格的定義，但我認為我們更應該追求的應該是他的本質內涵。筆者認為：數字孿生是基于物理實體和數字虛體之間的近真實孿生映射基礎上的涵蓋狀態(tài)感知、實時采集、分析推理、精準執(zhí)行的閉環(huán)控制關系，其中基于的建模與仿真的分析推理是當前數字孿生體所關注的重點。

本文將重點從數字孿生概念的4點判斷、數字孿生的核心是基于工藝和管理知識的決策、數字孿生是軟件定義制造實現的支撐，以及數字孿生與智能制造相關概念的關系等方面進行闡述，主要目的是對當前關于數字孿生認知與實踐中的可商榷話題進行分析和總結。

一、數字孿生概念內涵的4點判斷

（1）數字孿生是強調實時性的CPS

賽博物理系統(tǒng)（CPS）作為智能制造的核心模式，體現了動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行的閉環(huán)過程，支持了裝備／系統(tǒng)的自適應、自組織的智能化發(fā)展理念。數字孿生是CPS的具體體現，重點是突出虛實融合下的數據處理、仿真分析、虛擬驗證及運行決策等。其中的核心在于，對于業(yè)務對象而言，所謂的分析推理其實也是基于模型的，而這個模型是基于狀態(tài)感知和實時采集基礎所建立的，這個模型能夠支持分析推理，雖然這種分析推理可能只是某個方面的，但也是對對象的某種數字孿生或者某種程度上的數字孿生。因此從這個角度而言，數字孿生其實是CPS的某個子集。數字孿生因為特意強調了“孿生”，不可避免的具有一定的實時性特點，而傳統(tǒng)的CPS從理念角度是涵蓋了實時和非實時兩種情況的。

（2）可視化不等于數字孿生

數字孿生與可視化展示是“皮”與“毛”的關系。數組孿生一定是在某個方面反映物理實體的，這是毋庸置疑的。但這某個方面只是物理實體的某些特性，而未必是全部的特性，有些方面可能并不需要建立可視化展示。

比如我們通過APS來對車間的運行狀態(tài)進行表達，并在此基礎上給出進一步持續(xù)的資源優(yōu)化配置方案，這個背后當然是有模型的，但這個模型未必是可以展示的。

比如對于復雜電子產品的研制，一般分為電訊總體和結構總體。對于復雜電子產品來說，電訊總體顯然是更重要的，實際當中也是這個樣子的。但是電訊總體更多的表達的是這個復雜電子產品內部的信號輸入輸出之間的關聯關系，更多的是一種邏輯上的表達。筆者見過的一些單位就是通過MATLAB或者說利用商業(yè)化仿真軟件的一些模型來進行表達。而結構總體才是真正的可見物理實體表達，是這個復雜電子產品各個組成部分可見的物理實體之間的關聯關系。從最終的結局來說，我們這兩個方面應該是都需要的，實際操作過程當中，這兩個方面的一體化集成也是我們追求的目標。但現有復雜性和技術條件制約，分成兩個部分來分別開展這方面的工作，是更為實用的一種做法。

數字孿生更多的強調內在關系而不是外部展示，同時，數字孿生在技術限制下，也可能只是對物理實體進行某個側面的分析。

（3）三維模型不是數字孿生的必備

一般而言目前很多說數字孿生的都是基于三維的產品或產線模型，其實本不必如此的。只要這個模型能夠有效地表達并支持進行產品或產線某方面分析的特性，我們就可以認為這就是一種數字孿生。比如，建立數學模型，并通過MATLAB進行數字化程序表達，這個能夠求解的程序，我認為就是一種數字孿生；比如對于APS，屬于基于車間當前狀態(tài)的某種決策模型，雖然可以通過形式化的數學方式進行表達，但其更多的還是由某種軟件系統(tǒng)表達的，通過這個程序系統(tǒng)或內在的分析模型，可以進行產線的產能評估、瓶頸分析、外協／分批決策等，我認為這也是一種數字孿生。但這些模型與傳統(tǒng)所說的圖形三維是沒有關系的。是否支持決策是數字孿生的根本，其他的都是外在。其實從這個角度進一步思考，比如MES我就認為是一種大號的CPS，并非CPS一定是面向設備或單元的，這應該就是所謂的系統(tǒng)級CPS的本質含義了吧。

（4）數字孿生不是憑空來的

雖然數字孿生的概念很熱，但數字孿生并不是憑空來的天賜之物。就如同工業(yè)界的很多好的理念，比如單元化、精益生產等，都是根據實際總結出來的一樣。關于數字孿生乃至CPS，其實在概念沒出來之前已經有很多實踐了。人類有三種實踐，物理實驗只是其中一種，另外兩個的理論推導和計算機模擬，其實都是現實實物的抽象，從這個角度而言，其實都算孿生，只是不都是數字化而已。但一般而言，計算機模擬在內涵上很大程度上也是由理論分析模型支持才能實現的。