在Gartner發(fā)布的2019年Top10技術趨勢報告中，數(shù)字孿生（Digital Twin）名列其中。隨著近年來政府和咨詢機構(gòu)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛宣傳，數(shù)字孿生已成了人們交談中的熱門詞。數(shù)字孿生驅(qū)動的產(chǎn)品研發(fā)，數(shù)字孿生驅(qū)動的生產(chǎn)運營，數(shù)字孿生驅(qū)動的服務支持，數(shù)字孿生驅(qū)動的城市治理，等等，成了IT服務廠商們開發(fā)數(shù)字化解決方案的新方向。筆者確信，作為一種新型的數(shù)字化技術解決方案，數(shù)字孿生必將給社會和企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來一股新的浪潮，也必將把各類組織的數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作推向一個新的高度。然后，要想應用好數(shù)字孿生技術，人們就要弄清楚其定義、特性、本質(zhì)和應用范式，并形成基于數(shù)字孿生驅(qū)動的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)思維；只有這樣，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設實踐才有可能落到實處，這也正是本文的立意所在。
圖1：Gartner 2019 Top 10技術趨勢
1. 數(shù)字孿生的定義
數(shù)字孿生是建立在數(shù)字化基礎上，對物理世界的數(shù)字化模型表達，是物（物理世界）、數(shù)（數(shù)字世界）和人（組織和人員）等三者的高度融合。在企業(yè)實踐中，物理世界可以是產(chǎn)品，過程，系統(tǒng)、員工、工廠，乃至整個企業(yè)。
圖2：數(shù)字孿生的定義
實際上，應用IT技術對物理世界進行建模和映射，一直是信息化工作的主要內(nèi)容。比如，ERP系統(tǒng)是從財務業(yè)務一體化的角度對企業(yè)運營進行映射，SCM系統(tǒng)是從供需動態(tài)平衡的角度對供應鏈進行映射，MES系統(tǒng)是從產(chǎn)品需求與資源轉(zhuǎn)化的角度對工廠和車間進行映射，等等。與前者所不同的是，數(shù)字孿生式映射，一是基于對象（Object-based），二是實時模擬（Real-time）。
物理世界、數(shù)字模型和連接數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的主要構(gòu)成，其中的連接數(shù)據(jù)，包括自物理世界到數(shù)字模型的運行洞察，以及自數(shù)字模型到物理世界的行動指令。如圖2所示，通過物聯(lián)網(wǎng)技術，數(shù)字孿生獲得物理世界運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，并通過高級數(shù)據(jù)分析和機器學習等技術進行理解并形成業(yè)務洞察；在此基礎上，還可以做相關的業(yè)務模擬或預測，形成下一步的業(yè)務建議、決策和行動，并以指令形式下發(fā)給物理世界。
2.數(shù)字孿生的特性
作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的數(shù)字化技術解決方案，與ERP、MES等傳統(tǒng)IT系統(tǒng)相比較，數(shù)字孿生具有架構(gòu)靈活、面向決策和高度融合等特性。
1）靈活架構(gòu)
在架構(gòu)搭建上，數(shù)字孿生的架構(gòu)是低耦合、分布式架構(gòu)，因而，在快速變化的企業(yè)環(huán)境中有很強的適應性。在這一點上，數(shù)字孿生要比ERP、MES等傳統(tǒng)IT系統(tǒng)要靈活得多，后者通常在相對穩(wěn)態(tài)、規(guī)范的企業(yè)環(huán)境下才能應用好。
圖3：數(shù)字孿生的模型架構(gòu)
縱向看，數(shù)字孿生之間可以形成上下級的層次關系，一臺設備可以開發(fā)其數(shù)字孿生，多臺設備所組成的產(chǎn)線可以開發(fā)其數(shù)字孿生，多條產(chǎn)線所組成的車間可以開發(fā)其數(shù)字孿生，多個車間所組成的工廠可以開發(fā)其數(shù)字孿生，多個工廠所組成的企業(yè)可以開發(fā)其數(shù)字孿生，……；而且，這種層次關系的調(diào)整是非常靈活的。
橫向看，數(shù)字孿生之間也可以組成雙向交流的網(wǎng)絡。在這種網(wǎng)絡中，設備、IT系統(tǒng)、過程、工件、產(chǎn)品、人員等的數(shù)字孿生之間可以通過各自的代理進行溝通和協(xié)作。從這個意義來說，所謂的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，就是基于物理世界的數(shù)字孿生的聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的每一個節(jié)點就是各種數(shù)字孿生。
2）面向決策
ERP、MES等IT系統(tǒng)是面向業(yè)務執(zhí)行和交易處理（Business Running and TransactionProcessing Oriented）的IT解決方案，著重關注的是“How”；數(shù)字孿生則是面向業(yè)務優(yōu)化和決策（BusinessOptimization and Decision Making Oriented）的IT解決方案，著重關注的是“Why”，可視化、透明化、仿真、模擬、優(yōu)化和預測，本質(zhì)上都是為了運營決策。
ERP、MES等IT系統(tǒng)的運行是建立在業(yè)務記錄（Record）和關系型數(shù)據(jù)庫等技術基礎上，它們所能生成的各種業(yè)務報表也依賴于此。數(shù)字孿生的運行是建立在“物”（Thing）和物聯(lián)網(wǎng)等技術基礎上，而“物”則類似于“面向?qū)ο缶幊?rdquo;建模思想中的“對象”。
圖4：數(shù)字孿生的技術生態(tài)和功能特性
從功能特點來看，ERP、MES等IT系統(tǒng)與數(shù)字孿生不應是相互替代，更應是相互補充。在數(shù)字孿生的語境中，ERP、MES等IT系統(tǒng)也可作為一個“物”，并為之建立相應的數(shù)字孿生。具體來說，ERP、MES等IT系統(tǒng)在交易處理上功能更強，數(shù)字孿生則在實時的數(shù)據(jù)分析、可視化、透明化、業(yè)務優(yōu)化和決策上表現(xiàn)的更好。
3）高度融合
通過數(shù)字孿生的應用，企業(yè)不僅可以實現(xiàn)運營技術（OT）和信息技術（IT）的高度融合，還可以實現(xiàn)物（物理世界）、數(shù)（數(shù)字世界）和人（組織和員工）的高度融合。
圖5：基于數(shù)字孿生的物、數(shù)、人的融合
如果說工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是個“大宇宙”，其中，數(shù)字孿生就是形式和角色各異的小“宇宙”。
一方面，從物理世界的運行到數(shù)字世界的洞察，在洞察基礎上做模擬和預測，并形成業(yè)務優(yōu)化建議、決策和行動，再從數(shù)字世界的指令返回到物理世界的調(diào)整，其中的核心支撐就是數(shù)字孿生。
另一方面，針對業(yè)務場景、人員崗位和角色的不同，數(shù)字孿生的關注焦點也可不同。舉例來說，針對同一條產(chǎn)線，工程技術人員關注的是產(chǎn)線的可制造性，生產(chǎn)運營人員關注的是產(chǎn)線的運行效率，現(xiàn)場作業(yè)人員關注的是環(huán)境的安全；企業(yè)可以根據(jù)不同人員的訴求，針對同一產(chǎn)線開發(fā)出不同形式的數(shù)字孿生。
就這樣，物理世界的實時互聯(lián)，數(shù)字世界的洞察和決策，以及基于人員和角色的主題設定，共同體現(xiàn)到數(shù)字孿生的開發(fā)和應用中；在這里，物、數(shù)、人得以相會和融合。
3. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)思維
要想掌握和實踐好一門技術，就必須對它的工作范式和思維特點予以詳細地了解。在筆者看來，如果有所謂的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)思維，那就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中“連-聚-融-優(yōu)-自”的工作范式；在其中，數(shù)字孿生起到了核心的承載作用。
圖6：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術特點和工作范式
所謂“連”，就是通過物聯(lián)網(wǎng)來連接一切。連接資源，連接設備，連接流程，連接工具，連接系統(tǒng)，連接工件，連接產(chǎn)品，連接人員。只有先進行連接，才可能采集實時數(shù)據(jù)，或?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)測和控制。
所謂“聚”，就是通過云計算、大數(shù)據(jù)、數(shù)字主線和“物（Thing）”的建模來聚合數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)聚合，細沙可成高塔，涓流可成江河。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“聚”，就是根據(jù)業(yè)務場景的需求，將資源、設備、流程、工具等不同對象的數(shù)據(jù)聚合起來，以支持各種形式的深度分析和模擬。
所謂“融”，就是通過數(shù)字孿生的應用，來進行運營技術和信息技術，物理世界、數(shù)字世界和人員的高度融合，以實現(xiàn)企業(yè)中的縱向集成和PDCA的運營閉環(huán)。
所謂“優(yōu)”，就是通過數(shù)字孿生來展現(xiàn)數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的分析、可視化和透明化，并在此基礎上做進一步的仿真、模擬和優(yōu)化，對業(yè)務的下一步發(fā)展進行預測，從而實現(xiàn)業(yè)務運營的持續(xù)優(yōu)化。
所謂“自”，就是在前四個階段的基礎上，進一步應用人工智能等技術，以實現(xiàn)生產(chǎn)運營PDCA全過程的自組織、自計劃和自決策，真正實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的自主管理，將人從重復式、高強度的日常性工作中解放出來。
如果說流程的信息化是ERP、MES等IT建設的標志和主要內(nèi)容，那么，企業(yè)中業(yè)務對象（產(chǎn)品、過程、工廠、人員，等等）和生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生化就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設的標志和主要內(nèi)容。通過數(shù)字孿生的應用，企業(yè)可以對業(yè)務對象和生產(chǎn)系統(tǒng)進行實時的監(jiān)測、分析、可視化、透明化和更優(yōu)化，并對未來運營進行預測和針對性調(diào)整。有了數(shù)字孿生的技術支持，企業(yè)不僅可以為市場提供智能互聯(lián)產(chǎn)品（Smart Connected Product，SCP），以實現(xiàn)服務型制造轉(zhuǎn)型；更可以建設智能互聯(lián)企業(yè)和生態(tài)（Smart Connected Enterprise and Ecosystem，SCEE），以實現(xiàn)協(xié)同、精益、柔性、自主的智能化轉(zhuǎn)型。
