第一和第二象限的穿梭
一個(gè)產(chǎn)品被數(shù)字化設(shè)計(jì)的過程，可以分解成各種顆粒度的數(shù)字模型。這些模型存在于一個(gè)世界，而物理產(chǎn)品和制造過程則存在于另外一個(gè)世界。這就是數(shù)字空間和物理空間的區(qū)別，二者可以看成是數(shù)學(xué)坐標(biāo)軸上第一象限和第二象限的區(qū)別。中間存在著一條虛實(shí)分界線。
設(shè)計(jì)完成之后，最終會(huì)有一個(gè)確定的數(shù)字模型包（比如EBOM），跨越這條隱線，進(jìn)入制造環(huán)節(jié)（如上圖所示）。然而，這中間還有一個(gè)致命環(huán)節(jié)，就是物理樣機(jī)。物理樣機(jī)是一種信息資源阻塞而形成的昂貴過渡品。例如：一輛汽車在真正走向規(guī)模制造前，需要花費(fèi)巨大的成本去做吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)。汽車會(huì)被安置在一個(gè)巨大的風(fēng)洞，通過強(qiáng)大的氣流來模擬擋風(fēng)玻璃、車體造型等阻力分布情況。而飛機(jī)、航天器的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)則更是昂貴。
為了解決這個(gè)難題，在1989年，當(dāng)時(shí)的仿真公司MDI（后來被MSC收購）提出了“虛擬原型“的概念。而其他計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD廠家如歐特克、UG、達(dá)索系統(tǒng)等，都從各自角度提出了數(shù)字原型、主動(dòng)樣機(jī)、數(shù)字樣機(jī)等概念。其中數(shù)字樣機(jī)DMU（DigitalMock-Up）的說法被廣泛使用。數(shù)字樣機(jī)的存在，大大減少了物理樣機(jī)的失敗性（有些時(shí)候干脆直接替代真實(shí)的樣機(jī)）。也因此成為一種代替物理的彩排，是工業(yè)軟件的一次大勝。它大大推動(dòng)了用戶端的普及。當(dāng)人們開始采用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，成本開始大幅度降低。美國最著名的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，蘭利實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)洞開機(jī)次數(shù)現(xiàn)在是越來越少。
物理樣機(jī)的客觀存在，成為一、二象限的天然鴻溝，數(shù)字樣機(jī)雖在一定程度上能緩解信息流問題，但卻無法應(yīng)對(duì)另一障礙的出現(xiàn)。
第三象限的產(chǎn)品孤兒
產(chǎn)品制造完畢之后，會(huì)交付給用戶使用。產(chǎn)品離開了第二象限，進(jìn)入第三象限的用戶空間，這正是一個(gè)產(chǎn)品的正常歸宿，也是它實(shí)現(xiàn)價(jià)值的地方。然而，絕大部分產(chǎn)品，進(jìn)入第三象限之后，就會(huì)跟制造廠家失去聯(lián)系。這種現(xiàn)象，可以被稱之為“產(chǎn)品孤兒”。它在第二象限由制造工廠生產(chǎn)，但它出廠進(jìn)入第三象限之后，就基本與廠家無關(guān)——只有在故障需要質(zhì)保的時(shí)候，二者才重新搭建那未必愉快的連接。
產(chǎn)品孤兒，本質(zhì)上是因?yàn)樾畔⒘鞯臄嗔讯纬傻?。這種斷裂，是以用戶與制造商之間天然的鴻溝作為分界線。支付完成的一霎那，二者的連接強(qiáng)度立刻急劇下降。
這種最基本的產(chǎn)品流轉(zhuǎn)路徑和背后的信息流動(dòng)，主宰了數(shù)千年的商品社會(huì)的模式，而半個(gè)多世紀(jì)以來的設(shè)計(jì)工具和軟件的大量使用，讓信息的流動(dòng)變得越來越透明，信息流動(dòng)不暢而導(dǎo)致物理資源的浪費(fèi)也變得令人瞠目結(jié)舌，信息的價(jià)值開始備受人關(guān)注。
數(shù)字孿生的崛起
對(duì)信息的重視，正在迅速加強(qiáng)。有了信息、模型、軟件、數(shù)字樣機(jī)的概念作為鋪底，一種更容易理解、更親民的概念開始登場(chǎng)。
數(shù)字孿生被看成是“把物理系統(tǒng)的數(shù)字化信息，重新構(gòu)建成一個(gè)獨(dú)立體”。美國宇航局NASA在2010年發(fā)布的《模擬仿真技術(shù)路線圖》最早明確提出了數(shù)字孿生的概念。當(dāng)時(shí)NASA在火箭臺(tái)上開始應(yīng)用該技術(shù)：一臺(tái)火箭和它對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生，給予了人們直觀地想象，并且真正形成了工程價(jià)值。
然而，彼時(shí)的數(shù)字孿生，是一個(gè)昂貴的奢侈品，它只能在非常有限的場(chǎng)合下工作。再到后來，GE航空的發(fā)動(dòng)機(jī)，將數(shù)字孿生進(jìn)一步請(qǐng)下神殿，形成商業(yè)化應(yīng)用。在GE90的發(fā)動(dòng)機(jī)引擎中，物理傳感器只有14個(gè)，但它構(gòu)建了數(shù)字孿生的模型。通過大量虛擬傳感器，和各種時(shí)序數(shù)據(jù)，形成了龐大的數(shù)據(jù)流并進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)時(shí)分析。發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)程維護(hù)，變得更加可控，這是一個(gè)巨大而成功的商業(yè)模式。GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念因此名聲大噪。
這個(gè)例子讓我們注意到，數(shù)字孿生推廣應(yīng)用的背后，跟物聯(lián)網(wǎng)有莫大關(guān)聯(lián)。廉價(jià)傳感器的普及、數(shù)字化技術(shù)的深度覆蓋，讓連接幾乎無處不在。這也使得數(shù)字孿生，徹底擺脫了一個(gè)學(xué)術(shù)概念，成為舞臺(tái)中心的關(guān)鍵角色。
數(shù)字孿生跟傳統(tǒng)的模型、軟件，最大的不同在于，它是自生長的動(dòng)態(tài)模型。如果能夠快速瀏覽一個(gè)數(shù)字孿生的全部壽命（這可能是幾分鐘，也可能是幾十年），或許可以看到它進(jìn)化的痕跡，就像一閃而過的人類進(jìn)化史。同樣，數(shù)字孿生，由于具備積累記錄、仿真優(yōu)化的能量，開始學(xué)會(huì)不斷增長?！度祟惡喪贰返淖髡吆绽岬剑赫J(rèn)知革命（智人最早的起源階段）讓歷史從生物學(xué)中脫離而獨(dú)立的推動(dòng)力，在此之前，所有人類的行為其實(shí)都是生物學(xué)的范疇。數(shù)字孿生當(dāng)然不具備生物體的特征，但如果以這種比喻的方式來看，可記錄能仿真，也使得數(shù)字孿生從模型范疇中進(jìn)一步分離，二者有交叉，但也有更大的作用。
第四象限的新主人
產(chǎn)品的全生命周期（包括交付后的使用、運(yùn)維直至報(bào)廢），一直是產(chǎn)品制造商非常重視的命題。但在以前，它的代價(jià)和成本往往都很高，只有少數(shù)高價(jià)值的產(chǎn)品才具有如此開發(fā)的必要性。
然而物聯(lián)網(wǎng)的普及，改變了這一局面。一個(gè)產(chǎn)品交付用戶之后，由于網(wǎng)絡(luò)的無處不再，數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷?，追蹤一個(gè)實(shí)體以及根據(jù)它的模型進(jìn)行仿真，都變得觸手可得。在用戶側(cè)出現(xiàn)了的數(shù)字空間的全新疆土、原本空蕩的第四象限，有了新主人——數(shù)字孿生。它既呼應(yīng)了物理產(chǎn)品的存在，同時(shí)也跟用戶的使用息息相關(guān)。安靜的第四象限，由于數(shù)字孿生的出現(xiàn)而變得熱鬧起來。
在沒有數(shù)字孿生之前，三個(gè)象限有兩個(gè)信息流通道：1、設(shè)計(jì)與制造之間是雙向通道，這是信息空間和物理空間的交互。2、制造與用戶之間，一般而言是單通道，產(chǎn)品制造的信息傳遞給用戶之后，就關(guān)閉了通道。產(chǎn)品處于“孤兒”無聯(lián)系的狀態(tài)。
而數(shù)字孿生在第四象限的出現(xiàn)，則新增了三條數(shù)據(jù)通道（如上圖所示）。一條是數(shù)字孿生與物理產(chǎn)品之間的交互：這是數(shù)字孿生的支點(diǎn)性定義。如果沒有這一點(diǎn)，數(shù)字孿生與它的前身——各種模型，就毫無差別。數(shù)字孿生之所以從模型堆里面脫穎而出，就是它具備了與物理實(shí)體的交互性、相似性，許多場(chǎng)合還具有實(shí)時(shí)性。
第二條信息通道，就是它將自身的線索，返回到了制造商的手中。這條通道的合法性，還有很多限制和討論。但制造商，終于可以擁有足夠的信號(hào)，收集產(chǎn)品的回音。這是一個(gè)里程碑性的對(duì)接，對(duì)于制造商改善產(chǎn)品的性能，意義重大。中國工業(yè)文明有缺陷之痛，其中一點(diǎn)就是制造商與用戶之間，無法形成友好而持續(xù)的互動(dòng)。而數(shù)字孿生的出現(xiàn)，顛覆式的解決了這一千古難題。
第三條信息通道，是數(shù)字孿生指向了設(shè)計(jì)部門。它讓設(shè)計(jì)部門可以直接得到物理產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)信息：PTC曾經(jīng)展示了一個(gè)令人心熱的場(chǎng)景，那就是一輛自行車在穿越街道跨過小溪的時(shí)候，給設(shè)計(jì)部門傳遞回來的扭矩、胎壓等信息。一個(gè)設(shè)計(jì)師，終于可以最直接地看到，自己的想法如何在物理世界進(jìn)行打拼。那應(yīng)該是一個(gè)無比自豪的時(shí)刻。
數(shù)字孿生，改變了人們對(duì)一個(gè)產(chǎn)品工況的期待：一輛汽車、一臺(tái)機(jī)器，即使個(gè)性化定制，但當(dāng)它離開工廠之后，都會(huì)呈現(xiàn)一種平均數(shù)的特點(diǎn)。原因很簡單，信息流在產(chǎn)品交付的一霎那，就被切斷了回路。制造商無法知道機(jī)器運(yùn)行的實(shí)時(shí)情況。而數(shù)字孿生，讓個(gè)性化定制，進(jìn)一步走向了應(yīng)用的定制化。實(shí)際上，個(gè)性化定用比個(gè)性化定制，更能體現(xiàn)用戶專有價(jià)值的實(shí)現(xiàn)。
我們很清楚，如果將全程的數(shù)據(jù)流打通，那么從第一象限到第四象限，就會(huì)形成一個(gè)源源不斷的數(shù)據(jù)流。這樣的數(shù)據(jù)流動(dòng)，將成為是驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的澎湃動(dòng)力。而數(shù)字孿生在第四象限的崛起，使得整個(gè)數(shù)據(jù)流第一次在全生命周期內(nèi)形成徹底的閉環(huán)。這種信息交互與通訊的框架，保證了信息傳遞的準(zhǔn)確與保真，意義非凡。
總結(jié)
客觀而言，數(shù)字孿生并不是真實(shí)世界的全部反應(yīng)。它只是描述世界的一種模型，或者說是一種高級(jí)模型。它比模型有更多的針對(duì)性和能動(dòng)性。但它永遠(yuǎn)只是對(duì)物理世界的一個(gè)局部模仿、一個(gè)隨動(dòng)的模型、一個(gè)有缺陷的影子。它的終極目標(biāo)，就是向真實(shí)無限靠攏。這意味著，一個(gè)數(shù)字孿生的高保真度（HighFidelity）是一個(gè)關(guān)鍵命題。
健康的數(shù)字孿生，會(huì)有更好的保真度；而一個(gè)糟糕的數(shù)字孿生，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地偏離它的物理實(shí)體。它完全有可能給人們虛假的信息，這就是危險(xiǎn)的數(shù)字孿生。決定數(shù)字孿生健康度的要素，就要看數(shù)字孿生是以何種方式被構(gòu)建出來。可惜，目前而言，數(shù)字孿生尚處在初級(jí)階段，沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
所以，“第四象限”的主人，并沒有全部重構(gòu)物理產(chǎn)品的全部。恰恰相反，在絕大多數(shù)情況下，它是物理實(shí)體大量裁剪后的高濃縮簡版。一臺(tái)上千個(gè)零部件的機(jī)器，會(huì)被不同的用戶裁剪成不同的顆粒度，也許只有幾個(gè)零部件，進(jìn)入數(shù)字孿生的世界。數(shù)字孿生，天生就是一個(gè)不完整的存在。
然而，它還是熱烈的來了。因?yàn)?，?shù)字孿生是數(shù)據(jù)的全新分發(fā)中心，它讓一個(gè)三象限世界，終于變成一個(gè)完美對(duì)稱的四象限世界。而產(chǎn)品的全生命周期的數(shù)據(jù)流，終于可以形成一個(gè)有價(jià)值的閉環(huán)。這，才是第四象限的崛起的真正含義。
