作者：趙敏 寧振波

來源：大數據DT(ID：hzdashuju)

內容摘編自《鑄魂：軟件定義制造》

導讀：數字孿生(Digital Twin)已經走過了幾十年的發展歷程，只不過以前沒有這樣命名，而是發展到了一定階段，人們意識到應該給這種綜合化的技術起一個更確切的名字。

本文論述的數字孿生有兩層意思，一是指物理實體與其數字虛體之間的精確映射的孿生關系;二是將具有孿生關系的物理實體、數字虛體分別稱作物理孿生體、數字孿生體。默認情況下，數字孿生亦指數字孿生體。

01 實踐先行 概念后成

數字孿生是客觀世界中的物化事物及其發展規律被軟件定義后的一種結果。豐富的工業軟件內涵以及強大的軟件定義效果，讓數字孿生的研究在國內外呈現出百花齊放的態勢。作者認為數字孿生與計算機輔助(CAX)軟件(尤其是廣義仿真軟件)以及數據采集/分析的發展關系十分密切。

在工業界，人們用軟件來模仿和增強人的行為方式，例如，計算機繪圖軟件最早模仿的是人在紙面上作畫的行為。人機交互技術發展成熟后，以下模仿行為開始出現：

用CAD軟件模仿產品的結構與外觀

CAE軟件模仿產品在各種物理場情況下的力學性能

CAM軟件模仿零部件和夾具在加工過程中的刀軌情況

CAPP軟件模仿工藝過程

CAT軟件模仿產品的測量/測試過程

OA軟件模仿行政事務的管理過程

MES軟件模仿車間生產的管理過程

SCM軟件模仿企業的供應鏈管理

CRM軟件模仿企業的銷售管理過程

MRO軟件模仿產品的維修過程管理，等等

依靠軟件中的某些特定算法，人們已經開發出了某些具有一定智能水平的工業軟件，如具有關聯設計效果的產品設計系統。

在文學與娛樂界，人們用軟件來模仿和增強人的體驗方式，例如：

用電子書來模仿紙質書

用電子音樂來模仿現場音樂

用電子琴軟件來彈琴

用評書軟件來說書

用卡通軟件來模仿漫畫

用動漫軟件來模仿動畫影片

用游戲軟件來模仿各種真實游戲

用百年歷軟件來快速查找某個特殊日期或“吉時”等

人們不僅可以模仿已知的、有經驗的各種事物，還可以創造性地模仿各種未知的、從未體驗過的事物，例如影視界可以用軟件創造出諸如龍、鳳、麒麟、阿凡達、白雪公主、七個小矮人等故事中的形象，當然也可以創造出更多的聞所未聞、見所未見的各種形象。

特別是當這種模仿與VR/AR技術結合在一起的時候，所有的場景都栩栩如生，直入心境。于是，在由數字虛體構成的虛擬世界中，所有的不可能都變成有可能，所有的在物理世界無法體驗和重復的奇妙、驚險和刺激場景，都可以在數字空間得以實現，最大限度地滿足了人的感官體驗和精神需求。

事實上，十幾年前在汽車、飛機等復雜產品工程領域出現的“數字樣機”的概念，就是對數字孿生的一種先行實踐活動，一種技術上的孕育和前奏。

數字樣機最初是指在CAD系統中通過三維實體造型和數字化預裝配后，得到一個可視化的產品數字模型(幾何樣機)，可以用于協調零件之間的關系，進行可制造性檢查，因此可以基本上代替物理樣機的協調功能。

但隨著數字化技術的發展，數字樣機的作用也在不斷增強，人們在預裝配模型上進行運動、人機交互、空間漫游、機械操縱等飛機功能的模擬仿真。之后又進一步與機器的各種性能分析計算技術結合起來，使之能夠模擬仿真出機器的各種性能。因此將數字樣機按其作用從幾何樣機，擴展到功能樣機和性能樣機。

以復雜產品研制而著稱的飛機行業，在數字樣機的應用上走在了全國前列。某些型號飛機研制工作在20世紀末就已經圍繞著數字樣機展開。數字樣機將承載幾乎完整的產品信息。

因此，人們可以通過數字樣機進行飛機方案的選擇，利用數字樣機進行可制造的各種仿真，在數字樣機上檢查未來飛機的各種功能和性能，發現需要改進的地方，最終創建出符合要求的“數字飛機”，并將其交給工廠進行生產，制造成真正的物理飛機，完成整個研制過程。

無論是幾何樣機、功能樣機和性能樣機，都屬于數字孿生的范疇。數字孿生的術語雖然是最近幾年才出現的，但是數字孿生技術內涵的探索與實踐，早已經在十多年前就開始并且取得了相當多的成果。

例如中國航空工業集團第一飛機研究院(簡稱“一飛院”)在21世紀初開發的飛豹全數字樣機與已經服役的飛機形成了簡明意義上的“數字孿生”(盡管當時沒有這個術語)關系，如圖5-1所示。

▲圖5-1 飛豹全數字樣機與服役飛機

發展到現在，人們發現在數字世界里做了這么多年的數字設計、仿真、工藝、生產等結果，越來越虛實對應，越來越虛實融合，越來越廣泛應用，數字虛體越來越賦能于物理實體系統。

近些年，當人們提出了希望物理空間中的實體事物與數字空間中的虛擬事物之間具有可以聯接數據通道、相互傳輸數據和指令的交互關系之后，數字孿生概念基本成形，并且作為智能制造中一種基于IT視角的新型應用技術，逐漸走進人們的視野。

事實上，現有的工業軟件研發與生產數據以及沉積在工業領域內的大量的工業技術和知識，都是實現數字孿生的上好“原料”和基礎構件，數字孿生在工業現實場景中已經具有了實現和推廣應用的巨大潛力。

02 內涵解讀 見仁見智

根據目前看到的資料，數字孿生術語由邁克爾·格里夫(Michael Grieves)教授在美國密歇根大學任教時首先提出。

2002年12月3日他在該?！癙LM開發聯盟”成立時的講稿中首次圖示了數字孿生的概念內涵，2003年他在講授PLM課程時使用了“Digital Twin(數字孿生)”，在2014年他撰寫的“數字孿生：通過虛擬工廠復制實現卓越制造(Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication)”文章中進行了較為詳細的闡述，奠定了數字孿生的基本內涵。

在航太領域和工業界，較早開始使用數字孿生術語。2009年美國空軍實驗室提出了“機身數字孿生(Airframe Digital Twin)”的概念。2010年NASA也開始在技術路線圖中使用“數字孿生(Digital Twin)”術語。

大約從2014年開始，西門子、達索、PTC、ESI、ANSYS等知名工業軟件公司，都在市場宣傳中使用“Digital Twin”術語，并陸續在技術構建、概念內涵上做了很多深入研究和拓展。

數字孿生尚無業界公認的標準定義，概念還在發展與演變中。下面舉例幾個國內外企業或組織做的數字孿生定義，供讀者參考。

美國國防采辦大學認為：數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成對物理實體的映射，從而反映物理實體的全生命周期過程。

ANSYS公司認為：數字孿生是在數字世界建立一個與真實世界系統的運行性能完全一致，且可實現實時仿真的仿真模型。利用安裝在真實系統上的傳感器數據作為該仿真模型的邊界條件，實現真實世界的系統與數字世界的系統同步運行。

中國航空工業發展研究中心劉亞威認為：從本質上來看，數字孿生是一個對物理實體或流程的數字化鏡像。創建數字孿生的過程，集成了人工智能、機器學習和傳感器數據，以建立一個可以實時更新的、現場感極強的“真實”模型，用來支撐物理產品生命周期各項活動的決策。

上海優也信息科技有限公司首席技術官林詩萬博士對數字孿生的理解是，數字孿生體可有多種基于數字模型的表現形式，在圖形上，有幾何、高保真、高分辨率渲染、抽象簡圖等;在狀態和行為上，有設備運行、受力、磨損、報警、宕機、事故等;在質地上，有材質、表面特性、微觀材料結構等。如圖5-2所示。

▲圖5-2 數字孿生示意圖(來自優也公司)

北京航空航天大學張霖教授認為，“數字孿生是物理對象的數字模型，該模型可以通過接收來自物理對象的數據而實時演化，從而與物理對象在全生命周期保持一致?！?

作者經過多年研究，也給出了自己的理解和定義：數字孿生是在“數字化一切可以數字化的事物”大背景下，通過軟件定義和數據驅動，在數字虛體空間中創建的虛擬事物，與物理實體空間中的現實事物形成了在形、態、質地、行為和發展規律上都極為相似的虛實精確映射關系，讓物理孿生體與數字孿生體具有了多元化映射關系，具備了不同的保真度(逼真、抽象等)。

數字孿生不但持續發生在物理孿生體全生命周期中，而且數字孿生體會超越物理孿生體生命周期，在數字空間持久存續。充分利用數字孿生可在智能制造中孕育出大量新技術和新模式。

03 數字孿生 非

“Digital Twin”在翻譯和理解上頗有不同，歧義性發生在數字孿生應用場景中人們對“Twin”的理解上?！癟win”作為名稱在英漢詞典中有幾種翻譯結果：“孿生子之一，雙胞胎之一;兩個相像的人或物之一;成對、成雙的東西;孿晶;雙人床”。

如果僅看直譯結果，雙胞胎是準確翻譯，但是如果仔細分析該術語的應用場景，上述翻譯結果都不貼切，只有“孿生子之一”還算接近“Digital Twin”所描述的應用場景中的概念。而作者恰恰要強調的是“Digital Twin”術語的應用場景。

1. 只有“相像”而無“相等”

在相像程度上，從“生物場景/物理場景”的“Twin”，引申到“數字化場景”的“Digital Twin”，其本意是強調在數字空間構建的數字虛體與物理空間的物理實體非常相像。

但是，相像歸相像，無論彼此多么像，二者也不是“是”“等于”或“相等”的關系，因為本非同源或同生，一個數字虛體無論多么像一個物理實體，它也不是物理實體——這個客觀事實必須界定清楚。

“Digital Twin”描述的“相像”，通常都僅僅是指數字虛體和物理實體在外觀和宏觀結構上的“相像”，而從形、態、質地、行為和發展規律等多方面的評價指標來看，其實差異極大，本質本源不同。

“數字雙胞胎”一詞，較容易引導人們把二者完全等同起來，把“貌似一模一樣”誤認為“就是一模一樣”甚至“相等”，從而形成認知錯覺。

2. 數字孿生關系并不止于“雙”

即使從“相像”來看，在所指上也并非限于“雙”，因為“雙”字會把更多的潛在應用場景限制住——彼此相像的虛實映射事物未必只有貌似常見的“一對一”關系，其實還有以下虛實映射對應關系：

“一對多”——一個物理實體對應多個數字虛體(一臺汽車發動機可有D /N/S等不同的駕駛擋位，啟動/高速/低速/磨合/磨損等不同的工作狀態，對此，在車載軟件中用不同的參數和軟件模型來描述和調控);

“多對一”——多個物理實體對應一個數字虛體(例如同型號不同尺寸的螺栓或鉚釘對應同一個三維CAD模型);

“多對多”——更為一般化的設備工作場景(例如設計階段因數字化“構型/配置”不同而產生了系列化物理設備及其數字孿生體，這些設備及其數字孿生體又置身于多種實物工作場景和數字場景)。

3. 需要考慮的特殊對應模式

在一些特殊場景中，數字孿生還存在“一對少”“少對一”“一對零”“零對一”的特殊對應模式：

“一對少”——一個物理實體對應一個高度抽象的數字虛體(例如一輛高鐵在調度上對應一個高度簡化的數字化線框模型);

“少對一”——以一部分物理實體對應一個完整數字虛體(例如一個齒輪副對應一個減速箱的“三維CAD模型+力學載荷模型”);

“一對零”——因為不知其規律、缺乏機理模型導致某些已知物理實體沒有對應的數字虛體(例如暗物質、氣候變化規律等);

“零對一”——人類憑想象和創意在數字空間創造的“數字虛體”，現實中沒有與其對應的“物理實體”(例如數字創意中的各種形象)。

一架戰斗機由數萬個結構件、幾十萬個標準件、大量的電子元器件和機載設備構成。

在從飛機的方案設計，到初步設計、詳細設計、試制、試驗，再到批生產、交付、運行、維護、維修，最后再到報廢的全生命周期中，一個標準件數字模型會對應成千上萬個實物零件，一個實物零件也會對應產品設計模型、多個仿真模型、工藝模型、工藝仿真模型、生產模型、裝配模型、維護維修模型等，由此形成了物理實體和數字虛體的多元化對應關系，即“一對一”“一對多”“多對一”“多對多”“一對少”“少對一”“一對零”“零對一”。因此只談“一對一”就顯得在理解上過于簡單了。

綜上所述，“Digital Twin”一詞在翻譯和理解時，既不應限定在“雙”，也不宜理解為“胎”。該詞借用“Twin”之意，所表達的是一種數字虛體與物理實體非常相像的多元化虛實映射關系。

應用場景和對應模式是多種多樣的。

04 虛體測試 實體創新

數字虛體與物理實體之間的孿生關系，其實早就有之，只不過此前沒有使用嚴格定義的術語來表達。

平時大家所說的“比特(bit)與原子(atom)”“賽博與物理”“虛擬與現實”“數字樣機與物理樣機”“數字孿生體與物理孿生體”“數字端(C)與物理端(P)”“數字世界與物理世界”“數字空間與物理空間”等不同的虛實對應詞匯，實際上都是在以不同的專業術語，或近似或準確地描述兩種“體”之間的虛實映射關系。

從映射關系上看，一虛、一實，兩種“體”相互對應，數量不限。數字虛體是物理實體的“數字孿生體”，反之，物理實體也是數字虛體的“物理孿生體”，這是二者的基本關系和事實。

從誕生順序上看，先有物理實體，后有數字虛體。以工業視角來看，實體是第一次工業革命和第二次工業革命的產物，虛體是第三次工業革命的產物。而虛體對實體的描述、定義、放大與控制，以及二者的逐漸融合，正在促成新工業革命。

從重要性上看，沒有物理實體，就無法執行工業必需的物理過程，無法保障國計民生;沒有數字虛體，就無法實現對物理實體的賦值、賦能和賦智，就失去了工業轉型升級的技術途徑。虛實必須融合，二者均不可缺。但是最終體現的，是轉型升級之后的“新工業實體”，是有了數字虛體作為大腦、神經特別是靈魂的全新機器和設備。

從創新性上看，虛實融合，相互放大價值。而且，在產品研制上，先做物理實體還是先做數字虛體，人們有了更多的選擇，無論是誰先誰后，或是同時生成，都可產生諸多創新，智能制造中的很多新技術、新模式、新業態也就此產生。

波音公司為F-15C型飛機創建了數字孿生體，不同工況條件、不同場景的模型都可以在數字孿生體上加載，每個階段、每個環節都可以衍生出一個或多個不同的數字孿生體，從而對飛機進行全生命周期各項活動的仿真分析、評估和決策，讓物理產品獲得更好的可制造性、裝配性、檢測性和保障性。如圖5-3所示。

▲圖5-3 波音F-15C飛機的多個數字孿生模型

據報道，美國陸軍環境醫學研究所2010年開始啟動一個項目，旨在創建完整的“阿凡達”單兵。該所研究人員希望給每名軍人都創建出自己的數字虛擬形象，無論高矮胖瘦和脾氣秉性。目前已經成功地開發了250名“阿凡達”單兵。

在一個復雜的虛擬訓練系統中，研究人員讓這些虛擬單兵穿上不同的作戰服，變換不同的姿勢和位置，不斷加載戰場環境的數字孿生體來進行各種逼真的高風險模擬，從而替代實戰測試。通過各種數字化測試來找出他們的弱點，甚至模擬各種惡劣氣候環境來測試這些單兵的生理環境適應能力。所有測試過程無人身危險，可以隨意反復試驗。

上述技術路徑可以用在新開發或正在改進的機器、設備或生產線上，即盡量在數字空間中，針對有待改進的機器、設備或生產線，做好它們的數字孿生體，施加并測試各種數字化的工況條件，隨意變換工作場景，以近乎零成本對這些數字孿生體進行虛擬測試和反復迭代，待一切測試結果都滿足了設計與改進目的之后，再在實際的機器、設備或生產線上進行實測，這樣可以大幅度減少對物理實體測試環境的依賴和損耗，減少或避免可能出現的環境污染或人體傷害。最終通過一兩次迭代就能實現對實體機器設備的改進。