概要：本系列評述性文章記錄了作者近期關(guān)于數(shù)字孿生的思考結(jié)果。首先回顧并評述了數(shù)據(jù)孿生概念的起源，其次回顧并評述了各大工業(yè)軟件巨頭是如何定義和使用數(shù)字孿生的，然后從“數(shù)字世界”基本的工作原理角度重新審視了數(shù)字孿生，在前述工作的基礎(chǔ)上給出了個人關(guān)于數(shù)字孿生的觀點，并對想進(jìn)入該領(lǐng)域的后來者給出了本人的忠告。本系列文章的寫作，得到了e-works主編黃培博士的鼓勵，并給出了寶貴的意見，在此表示衷心的感謝！
本篇文章是該系列評述性文章的第一篇。
01
數(shù)字孿生之火熱
十多年前，當(dāng)Michael Grieves教授提出了物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化映射的思想，也就是當(dāng)下火熱的“數(shù)字孿生”（Digital Twin）概念的起源時候，并沒有得到行業(yè)內(nèi)的積極響應(yīng)。
但Michael Grieves卻沒有想到，在十余年后，數(shù)字孿生得到了各行各業(yè)各方人士的熱情追捧。在制造業(yè)，做產(chǎn)品設(shè)計的在使用數(shù)字孿生，做產(chǎn)品生命周期管理（PLM）的在使用數(shù)字孿生，做制造過程管理的在使用數(shù)字孿生，做產(chǎn)品售后服務(wù)的在使用數(shù)字孿生，做設(shè)備故障診斷的在使用數(shù)字孿生，甚至搞自動化、工業(yè)控制、機器人的也在使用數(shù)字孿生……更讓人稱奇的是，數(shù)字孿生這一概念，迅速走出制造業(yè)，應(yīng)用到了智慧城市、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療、智能家居等行業(yè)。簡而言之，數(shù)字孿生無處不在，數(shù)字孿生似乎已成為各行各業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化的靈丹妙藥。
△ 圖源：ANSYS
雖然數(shù)字孿生這一概念得到了業(yè)界近乎瘋狂的追捧，但令人驚訝的是，數(shù)字孿生這一概念在其誕生后近20年的時間里，在內(nèi)涵上卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)成一致。隨著數(shù)字化浪潮的不斷推進(jìn)，人們賦予數(shù)字孿生的內(nèi)涵，差異卻反而不斷擴大，無論是在國內(nèi)還是在國外。
一個奇特的現(xiàn)象是，到目前為止，在各種場合，行業(yè)內(nèi)的專業(yè)人士可以告訴你，數(shù)字孿生是什么，但卻沒有人明確告訴你什么不是數(shù)字孿生。比如我們常見的ERP、MES等是數(shù)字孿生嗎？還有一個值得關(guān)注的事情是，相關(guān)人士大談特談數(shù)字孿生的神奇妙用，但卻沒有明確數(shù)字孿生發(fā)揮作用的運作機理是什么？如果說數(shù)字孿生是一項通用的技術(shù)，那么，數(shù)字孿生自身特有的技術(shù)是什么？與現(xiàn)有的各種數(shù)字化技術(shù)的關(guān)系是什么？是否是對已有數(shù)字化技術(shù)的取代或革命？
另一個事實是，專業(yè)人士給出的數(shù)字孿生的案例或應(yīng)用場景，絕大多數(shù)（很可能是全部）采用的都是已有的數(shù)字化技術(shù)，似乎沒有數(shù)字孿生，也不影響其實用效果。那么數(shù)字孿生的價值何在？
數(shù)字孿生，已成為人們追求的時尚標(biāo)簽，商家獲利的工具。數(shù)字孿生成為了人見人愛，人人可娶，人人可欺的美麗少女。
那么，數(shù)字孿生究竟是什么？是一種技術(shù)？還是一種思想，方法，或應(yīng)用模式？這值得我們深入探討。為什么從概念提出時的冷遇，到當(dāng)下火熱追捧，中間經(jīng)過了漫長的十余年時間？需要我們認(rèn)真總結(jié)！
非常有意思的是，業(yè)內(nèi)就連火熱的數(shù)字孿生這一概念的起源，也存在著一定的爭議。本系列文章，就從探討數(shù)字孿生的起源，開啟痛苦的思考之旅。方法是通過回顧歷史事實，由讀者自行得出結(jié)論。
02
Michael Grieves的數(shù)字孿生故事
2002年Michael Grieves在密歇根大學(xué)為PLM（產(chǎn)品生命周期管理）中心成立而向工業(yè)界發(fā)表演講而制作的幻燈片中，首次提出了PLM概念模型，模型中出現(xiàn)了現(xiàn)實空間，虛擬空間，從現(xiàn)實空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流，從虛擬空間到現(xiàn)實空間的信息流，以及虛擬子空間的表述，見下圖。
按Michael Grieves自己后來的說法，這已經(jīng)具備了數(shù)字孿生的所有要素。該模型在隨后的PLM課程中，被稱之為鏡像空間模型（Mirrored Spaces Model），而在其2006年發(fā)表的著作——Product Lifecycle Management：Driving the Next Generation of Lean Thinking中，被稱之為信息鏡像模型。
2011年，Michael Grieves在其發(fā)表的著作——Virtually Perfect：Driving Innovative and Lean Products through Product LifecycleManagement中，PLM概念模型仍然被稱之為信息鏡像模型。
無論是在2006年，還是在2011年，Michael Grieves提出的信息鏡像模型，目的是用來解釋PLM如何發(fā)揮作用或運行機理的手段之一，闡述相關(guān)內(nèi)容的篇幅少得可憐，而且沒有給出任何具體的實現(xiàn)技術(shù)。
在2014年，MichaelGrieves寫的一份白皮書——Digital Twin: Manufacturing Excellencethrough Virtual Factory Replication 中提到，其在2011年的書中引入了術(shù)語“數(shù)字孿生“，歸功于與他一起工作的NASA的John Vickers。
而在2016年，Michael Grieves 與 John Vickers合寫的Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behaviorin Complex Systems 文章中聲稱，2011年的書中仍然使用了信息鏡像模型這一表述，但也就是在這里，“數(shù)字孿生”這個術(shù)語，以引用描述信息鏡像模型的合作者的方式，附屬于該信息鏡像模型。
盡管Michael Grieves在2016年文章中自稱是數(shù)字孿生第一人，但行業(yè)內(nèi)對誰先提出Digital Twin這個概念還是存在一些爭議的。事實上，Michael Grieves 2014年發(fā)表的白皮書，以及2011年出版書的時間落后于NASA的技術(shù)路線圖的發(fā)表時間（2010年）。其中的緣由，恐怕只有當(dāng)事的兩人能說清楚。但這一切，抹殺不掉Michael Grieves在Digital Twin抽象而清晰表述方面所做出的貢獻(xiàn)。
還是在2016年的這篇文章中，他與John Vickers提出了數(shù)字孿生的類型——Digital TwinPrototype (DTP) 、 數(shù)字孿生的實例——Digital Twin Instance (DTI)、數(shù)字孿生的集合——Digital Twin Aggregate (DTA)、數(shù)字孿生的環(huán)境——DigitalTwin Environment (DTE)等概念。個人認(rèn)為，這基本上是面向?qū)ο蠓椒ǖ囊粋€簡單應(yīng)用。同時將數(shù)字孿生可以解決的問題進(jìn)行了分類：第一類是predicted desirable (PD)，預(yù)計得到的期望結(jié)果；第二類是predictedundesirable (PU)，預(yù)計得到的非期望結(jié)果；第三類是unpredicted desirable(UD)，未預(yù)料到的期望結(jié)果；第四類是unpredicted undesirable (UU)，未預(yù)料到的非期望結(jié)果。這種劃分，非常完美且優(yōu)雅，基本上覆蓋了數(shù)字孿生的作用范圍。
03
NASA的數(shù)字孿生的故事
如果從文獻(xiàn)資料上看，直到2010 年, NASA（美國國家航空航天局）才在其太空技術(shù)路線圖（Modelling SimulationInformation Technology & Processing Roadmap ：TechnologyArea 11）中首次引入了數(shù)字孿生的表述。
為了更好地理解NASA的數(shù)字孿生，需要了解一下其提出的背景。讓我們先來回顧一段Apollo 13登月飛行中發(fā)生的一段的歷史故事。
50年前的4月14日，Apollo 13號宇宙飛船已經(jīng)遠(yuǎn)離了地球210,000英里。飛往月球的3名宇航員突然被“嘣-哧哧-咣咣咣“的聲音所震驚，一名宇航員看到了殼體的彎曲。幾秒種后，駕駛艙被警告燈照亮，宇航員耳邊響起了刺耳的報警聲。事后查明，是Apollo 13生活艙中的一個氧氣罐發(fā)生了爆炸，爆炸嚴(yán)重地?fù)p壞了主推進(jìn)器，同時對宇航員們生命價值非凡的氧氣，被泄露到了太空之中。時間每經(jīng)過一分鐘，受損的太空飛船就會飛離地球400英里。這種狀況是人類歷史上的首次。如何讓三名宇航員安全回家，成為了數(shù)千名NASA地面支持人員在之后3天半時間里夜以繼日工作的唯一目標(biāo)！
三名宇航員通過打開、關(guān)閉不同的系統(tǒng)來判定哪些系統(tǒng)還在正常工作，哪些系統(tǒng)已經(jīng)受損不能工作。任務(wù)控制中心綜合各方面的信息，快速而準(zhǔn)確地診斷出問題所在。在生活艙中的氧氣供應(yīng)完全失效前，將宇航員們轉(zhuǎn)移到了登月艙中。宇航員們暫時安全了，但他們?nèi)绾位丶夷?？這是一個巨大的挑戰(zhàn)。
NASA做到了，成功地將宇航史上很可能的發(fā)生的最大災(zāi)難，轉(zhuǎn)化為一個巨大的令人興奮的成功。
做到這一切的一個關(guān)鍵是，在NASA的身后，有一套完整的、高水準(zhǔn)的地面仿真系統(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，包括了多種故障場景的處理。其中一些故障場景處理，在Apollo 11與 Apollo 13的任務(wù)完成過程中，證明了其價值所在。這些功能各式各樣的模擬器由聯(lián)網(wǎng)的多臺計算機控制，其中十臺模擬器被聯(lián)網(wǎng)用以模擬單獨的大問題。指令艙模擬器用了四臺計算機，登月艙模擬器用了三臺計算機。這些計算機使用了256K字節(jié)的公共內(nèi)存進(jìn)行通訊。
模擬器是整個太空計劃中技術(shù)最復(fù)雜的部分內(nèi)容，在模擬培訓(xùn)中，唯一真實的東西是乘員、座艙和任務(wù)控制臺，其他所有的一切，都是由一堆計算機、許多的公式以及經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員創(chuàng)造出來的。
△ 在圖中，前部的是登月艙模擬器，后部的是指令艙模擬器 圖片來自NASA
任務(wù)控制人員和宇航員們，在綜合考慮到飛船的受損、可用的電力、剩余的氧氣、飲用水等因數(shù)的情況后，制定了一個大膽的、前所未有的返回地球的計劃，其要點如下：重啟指令艙將其改變?yōu)槭謩硬僮髂Ｊ剑ü?jié)省寶貴的動力）、使用登月艙作為救生艇（服務(wù)艙受損無動力）、途中進(jìn)行三次發(fā)動機點火變軌（進(jìn)入自由返回軌道）、手動導(dǎo)航操控飛船（導(dǎo)航計算機省電關(guān)閉，節(jié)省寶貴的動力）。
問題是，這種回家模式，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出飛船設(shè)計的邊界，從來沒有人實踐過，是否可行，任務(wù)控制人員與乘員心里都有一個大大的問號！一旦發(fā)生任何錯誤，由于動力、氧氣有限的緣故，宇航員們就沒有任何回家的機會了。沮喪的指令長Jim Lovell說，“Why the hell are we maneuveringlike this, are we still venting”，大意是“我們?yōu)槭裁匆@么干？我們是在發(fā)泄什么嗎？”
地面的任務(wù)控制中心將模擬器進(jìn)行調(diào)整以適配到不同尋常的Apollo 13當(dāng)前的配置狀態(tài)，按質(zhì)量、重心、推力等參數(shù)為這艘新飛船的主機進(jìn)行了重新編程。與登月艙制造廠商協(xié)同工作，確定了一個新的著陸過程。然后，安排后備宇航員在模擬器上進(jìn)行操作演練，演練證明了方案的可行性，這極大地增加了任務(wù)控制人員與宇航員們的信心。剩下的工作就是宇航員們按演練形成的操作指令清單，百分之一百地執(zhí)行就可以了。最終，他們做到了，安全回家了。
是NASA成功了？當(dāng)然是！但更應(yīng)該歸功于模擬器。這些模擬器或者叫做仿真器，才是真正的英雄。這些模擬器難道不是現(xiàn)在火熱的數(shù)字孿生一個實實在在的案例？準(zhǔn)確地說，應(yīng)該是數(shù)字孿生和物理孿生的結(jié)合體。所以，西門子工程師Stephen Ferguson說：“Apollo 13: The First Digital Twin”。
事實上，仿真器在Apollo號發(fā)射之前也發(fā)揮了重要的作用。人們都為Apollo13號宇航員與任務(wù)控制人員在事故發(fā)生后的沉著冷靜所欽佩，但那是相關(guān)人員在模擬器上數(shù)萬小時訓(xùn)練的結(jié)果。此外，在Apollo 11的模擬訓(xùn)練中，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過計算機內(nèi)存不足報警的缺陷。
現(xiàn)在可以給出NASA的數(shù)字孿生定義了，在2010年發(fā)布的技術(shù)路線圖Area 11的Simulation-Based Systems Engineering部分是這樣定義的：
“一個數(shù)字孿生，是一種集成化的多種物理量、多種空間尺度的運載工具或系統(tǒng)的仿真，該仿真使用了當(dāng)前最為有效的物理模型、傳感器數(shù)據(jù)的更新、飛行的歷史等等，來鏡像出其對應(yīng)的飛行當(dāng)中孿生對象的生存狀態(tài)。”
NASA定義數(shù)字孿生的定義，有如下幾個特點：
2010年NASA提出數(shù)字孿生概念，有明確的工程背景，即服務(wù)于自身未來宇航任務(wù)的需要。NASA認(rèn)為基于Apollo時代積累起來的航天器設(shè)計、制造、飛行管理與支持等方式方法（相似性、統(tǒng)計模式的失效分析和原型驗證等），無論在技術(shù)方面還是在成本方面等，均不能滿足未來深空探索（更大的空間尺度、更極端的環(huán)境和更多未知因數(shù)）的需要，需要找到一種全新的工作模式，稱之為數(shù)字孿生。
在其技術(shù)路線圖Area 12中，列舉出來材料、結(jié)構(gòu)、機構(gòu)等多方面的技術(shù)探索內(nèi)容，其中的一個重要內(nèi)容就是對應(yīng)任務(wù)的各種仿真，這些仿真應(yīng)用要能夠?qū)\載工具全生命周期提供支持。而將這些仿真集成到一起，再加上實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史維護(hù)數(shù)據(jù)，以及機載健康管理(IVHM)等，就是其數(shù)字孿生的內(nèi)涵，一種NASA追求的全新的工作模式。下面這張圖給出了要集成的內(nèi)容：
NASA數(shù)字孿生的用途如下：第一，發(fā)射前飛船未來任務(wù)清單的演練。可以用來研究各種任務(wù)參數(shù)下的結(jié)果，確定各種異常的后果，減輕故障、失效、損害的策略效果的驗證。此外，還可以確定發(fā)射任務(wù)最大概率成功的任務(wù)參數(shù)。第二，鏡像飛行孿生的實際飛行過程。在此基礎(chǔ)上，監(jiān)控并預(yù)測飛行孿生的狀體。第三，完成可能的災(zāi)難性故障或損害事件的現(xiàn)場取證工作。第四，用作任務(wù)參數(shù)修改后結(jié)果的研究平臺。
NASA的數(shù)字孿生基于其之前的宇航任務(wù)實踐經(jīng)驗，極其看重仿真的作用。NASA要完成的宇航任務(wù)，涉及天上、地下、材料、結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、推進(jìn)器、通訊、導(dǎo)航等眾多專業(yè)，是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所以，NASA更強調(diào)上述內(nèi)容的集成化的仿真，從某種意義上，是其系統(tǒng)工程方法的落腳點。換個看問題的角度來講，NASA的數(shù)字孿生，就等同于其基于仿真的系統(tǒng)工程。
NASA在實踐中，首先認(rèn)識到了物理孿生的重要性。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，特別是軟件技術(shù)與仿真技術(shù)的高度發(fā)展，使得各種物理孿生對象，從功能上行為上完全可以用計算機系統(tǒng)進(jìn)行模擬替代，在此基礎(chǔ)上，提出數(shù)字孿生的理念，就成為水到渠成的事了。
到此，您是否還會糾結(jié)于將數(shù)字孿生第一人的稱號歸于誰呢？是Michael Grieves？還是NASA？在您得出結(jié)論之前，我們再看一個發(fā)生在離我們更近距離的故事。
04
平行系統(tǒng)與數(shù)字孿生的故事
2004年，中國科學(xué)院自動化研究所的王飛躍研究員發(fā)表了《平行系統(tǒng)方法與復(fù)雜系統(tǒng)的管理和控制》的文章，首次提出了平行系統(tǒng)的概念。平行系統(tǒng)（Parallel Systems）是指由某一個自然的現(xiàn)實系統(tǒng)和對應(yīng)的一個或多個虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)。它包括實際系統(tǒng)和人工系統(tǒng)兩部分。簡單來講，人工系統(tǒng)是對實際系統(tǒng)的軟件化定義，不僅是實際系統(tǒng)的數(shù)字化“仿真”，也為實際系統(tǒng)運行提供可替代版本。
平行系統(tǒng)的主要目的是：通過實際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的相互連接，對二者之間的行為進(jìn)行實時的動態(tài)對比與分析，以虛實互動的方式，完成對各自未來的狀況的“借鑒”和“預(yù)估”，人工引導(dǎo)實際，實際逼近人工，達(dá)到有效解決方案的以及學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的目的。
如果將實際系統(tǒng)理解為物理世界中的對象，人工系統(tǒng)理解為虛擬世界中的對象，兩者之間存在信息交互，以達(dá)成某種目標(biāo)或?qū)崿F(xiàn)某種功能，應(yīng)該不難得出平行系統(tǒng)中的人工系統(tǒng)就是物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生這樣的結(jié)論。需要強調(diào)的是，王飛躍是將平行系統(tǒng)（數(shù)字孿生）作為解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的方法論而提出來的。
05
結(jié)束語
如果我們把Michael Grieves稱為數(shù)字孿生第一人，基于同樣的理由，那么是不是也可以把王飛躍稱為數(shù)字孿生第一人？他們二位是不是都是未首先使用數(shù)字孿生這一表述而提出數(shù)字孿生思想的第一人？
在科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上這種故事并不少見！提出了思想，而又沒有用一個簡潔、易于理解、涵義豐富的概念來表述，造成遺憾終身，也只能怪自己運氣不好罷了！
如果您愿意，或許還可以找到比它們二位更早地提出數(shù)字孿生想法的人士，因為，從理論上講，自第一臺電子計算機誕生之日起，就存在著無數(shù)誕生數(shù)字孿生的機會（原因見本系列文章的第三篇）。
NASA在上世紀(jì)60年代開始的極具顯示度的登月工程中成功踐行了數(shù)字孿生思想，順其自然地提出了數(shù)字孿生這一概念，所以將NASA作為數(shù)字孿生第一人，似乎更有說服力！
