導(dǎo)語
數(shù)字孿生是一個對物理實體或流程的實時數(shù)字化鏡像，以數(shù)據(jù)為線索實現(xiàn)對物理實體的全周期集成與管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的信息物理系統(tǒng)雙向互控及混合智能決策，人工智能貫穿于整個系統(tǒng)。
數(shù)字孿生至少包含六個維度：系統(tǒng)仿真與多模型驅(qū)動（SM），數(shù)據(jù)線索與數(shù)據(jù)全周期（DT），知識模型與知識體系（KM），CPS雙向自主控制（AC），混合智能決策（ID），全局人工智能（AI）。數(shù)字孿生內(nèi)涵可基于六維度表達(dá)，數(shù)字孿生=。
正 文
1 數(shù)字孿生起源與發(fā)展
數(shù)字孿生(Digital Twin)的概念最早由密西根大學(xué)的Michael Grieves博士于2002年在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出（最初的名稱叫“Conceptual Idealfor PLM”），至今有差不多有15年多的歷史。當(dāng)時的概念稱為“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”，定義為一個或一組特定裝置的數(shù)字復(fù)制品，能夠抽象表達(dá)真實裝置并能夠以此為基礎(chǔ)進行真實條件或模擬條件下的測試。這一概念在2003—2005年被稱為“鏡像的空間模型(Mirrored Spaced Model)”，2006—2010年被稱為“信息鏡像模型(Information Mirroring Model)”，可以看到其具有物理空間、虛擬空間以及兩者之間的關(guān)聯(lián)或接口這三個重要組成要素，是數(shù)字孿生概念的雛形。美國國家科學(xué)基金會（NSF，National Science Foundation）的Helen Gill在2006年創(chuàng)造了信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）概念，德國于2011年利用該概念提出了工業(yè)4.0（Industrie4.0）；美國Michael Grieves號稱在2003年創(chuàng)造了數(shù)字孿生體（Digital Twin）概念，德國西門子在2016年就開始嘗試?yán)脭?shù)字孿生體來完善工業(yè)4.0應(yīng)用。美國國防部最早提出將Digital Twin技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護與保障。首先在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。NASA將數(shù)字孿生的理念應(yīng)用在阿波羅計劃中，開發(fā)了兩種相同的太空飛行器，以反映地球上太空的狀況，進行訓(xùn)練和飛行準(zhǔn)備。
在當(dāng)前的概念內(nèi)涵下，數(shù)字孿生作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)并集成多學(xué)科的技術(shù)，其面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，從而提供更加實時、高效、智能的服務(wù)。目前，國防、工業(yè)、城市等領(lǐng)域都紛紛提出了對數(shù)字孿生的理解，并著手開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)。但直到目前為止，從全球范圍看，數(shù)字孿生并未誕生被普遍認(rèn)可的確切定義，數(shù)字孿生理論、技術(shù)、應(yīng)用總體上處于起步階段。
2 數(shù)字孿生在工業(yè)制造領(lǐng)域
數(shù)字孿生源自工業(yè)制造領(lǐng)域，從2014年開始，西門子、達(dá)索、PTC、ESI、ANSYS等知名工業(yè)軟件公司，都在市場宣傳中使用“Digital Twin”術(shù)語，并陸續(xù)在技術(shù)構(gòu)建、概念內(nèi)涵上做了很多深入研究和拓展。
數(shù)字孿生在工業(yè)制造領(lǐng)域的內(nèi)涵與作用可總結(jié)如下：
（1）工藝流程仿真：數(shù)字孿生形象地稱之為“數(shù)字化雙胞胎”，是智能工廠的虛實互聯(lián)技術(shù)，從構(gòu)想、設(shè)計、測試、仿真、生產(chǎn)線、廠房規(guī)劃等環(huán)節(jié)，可以虛擬和判斷出生產(chǎn)或規(guī)劃中所有的工藝流程，以及可能出現(xiàn)的矛盾、缺陷、不匹配，所有情況都可以用這種方式進行事先的仿真，縮短大量方案設(shè)計及安裝調(diào)試時間，加快交付周期。
（2）三維數(shù)字模型：數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將帶有三維數(shù)字模型的信息可以被拓展到整個生命周期中去，最終實現(xiàn)虛擬與物理數(shù)據(jù)同步和一致。
（3）人工智能融合：數(shù)字孿生集成了人工智能(AI)和機器學(xué)習(xí)(ML)等技術(shù)，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起，建立模擬，即物理對象的虛擬映射。在問題發(fā)生之前先發(fā)現(xiàn)問題，監(jiān)控在虛擬模型西門子數(shù)字孿生體應(yīng)用模型。
西門子數(shù)字孿生體應(yīng)用模型
3 六維度數(shù)字孿生
數(shù)字孿生是一個對物理實體或流程的實時數(shù)字化鏡像，以數(shù)據(jù)為線索實現(xiàn)對物理實體的全周期集成與管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的信息物理系統(tǒng)雙向互控及混合智能決策，人工智能貫穿于整個系統(tǒng)。
數(shù)字孿生至少包含六個維度：系統(tǒng)仿真與多模型驅(qū)動（SM），數(shù)據(jù)線索與數(shù)據(jù)全周期（DT），知識模型與知識體系（KM），CPS雙向自主控制（AC），混合智能決策（ID），全局人工智能（AI）。
數(shù)字孿生內(nèi)涵可基于六維度表達(dá)，數(shù)字孿生=。
①系統(tǒng)仿真與多模型驅(qū)動（SM）
②數(shù)據(jù)線索與數(shù)據(jù)全周期（DT）
③知識模型與知識體系（KM）
④CPS雙向自主控制（AC）
⑤混合智能決策（ID）
⑥全局人工智能（AI）
物理對象的變化，診斷基于人工智能的多維數(shù)據(jù)復(fù)雜處理與異常分析，并預(yù)測潛在風(fēng)險，合理有效地規(guī)劃或?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備進行維護。
（4）智慧建造：數(shù)字孿生，也用來指廠房及產(chǎn)線在沒有建造之前就完成數(shù)字化模型，從而在虛擬的賽博空間中對工廠進行仿真和模擬，并將真實參數(shù)傳給實際的工廠建設(shè)。而工房和產(chǎn)線建成之后，在日常運維中二者繼續(xù)進行信息交互。
西門子應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。2017年底，西門子正式發(fā)布了完整的數(shù)字孿生體應(yīng)用模型。
3.1系統(tǒng)仿真與多模型驅(qū)動
數(shù)字孿生與計算機輔助（CAX）軟件（尤其是廣義仿真軟件）關(guān)系十分密切。在工業(yè)界，人們用軟件來模仿和增強人的行為方式。人機交互技術(shù)發(fā)展成熟后，以下模仿行為出現(xiàn)：
用CAD軟件模仿產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與外觀
CAE軟件模仿產(chǎn)品在各種物理場情況下的力學(xué)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(chǎn)品的測量/測試過程
OA軟件模仿行政事務(wù)的管理過程
MES軟件模仿車間生產(chǎn)的管理過程
SCM軟件模仿企業(yè)的供應(yīng)鏈管理
CRM軟件模仿企業(yè)的銷售管理過程
MRO軟件模仿產(chǎn)品的維修過程管理
BIM軟件模擬建筑構(gòu)件及建筑工程管理
……
可以說，建模與仿真以及多類型模型驅(qū)動是數(shù)字孿生首當(dāng)其中的核心要義。
波音F-15C飛機的多個數(shù)字孿生模型
3.2 數(shù)據(jù)線索與數(shù)據(jù)全周期（DT）
數(shù)字線索是數(shù)字孿生的核心技術(shù)。美空軍認(rèn)為，系統(tǒng)工程將在基于模型的基礎(chǔ)上進一步經(jīng)歷數(shù)字線索變革。數(shù)字線索是基于模型的系統(tǒng)工程分析框架。數(shù)字線索的特點是“全部元素建模定義、全部數(shù)據(jù)采集分析、全部決策仿真評估”，能夠量化并減少系統(tǒng)壽命周期中的各種不確定性，實現(xiàn)需求的自動跟蹤、設(shè)計的快速迭代、生產(chǎn)的穩(wěn)定控制和維護的實時管理。數(shù)字線索將變革傳統(tǒng)產(chǎn)品和系統(tǒng)研制模式，實現(xiàn)產(chǎn)品和系統(tǒng)全生命周期管理。數(shù)字線索的應(yīng)用，將大大提高基于模型系統(tǒng)工程的實施水平，實現(xiàn)“建造前運行”，顛覆傳統(tǒng)“設(shè)計－制造－試驗”模式，在數(shù)字空間中高效完成大部分分析試驗，實現(xiàn)向“設(shè)計－虛擬綜合－數(shù)字制造－物理制造”的新模式轉(zhuǎn)變?；跀?shù)字線索和數(shù)字孿生可構(gòu)建智能應(yīng)用場景，典型的如：故障診斷、預(yù)測性維護等。
3.3 知識模型與知識體系（KM）
知識驅(qū)動是數(shù)字孿生系統(tǒng)的典型特征之一，知識工程是數(shù)字孿生工程中必不可少的一環(huán)。借助知識圖譜、人工智能、大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，可建立通用知識體系和行業(yè)知識體系。知識體系能夠有效吸納、融合行業(yè)領(lǐng)域經(jīng)驗，將行業(yè)領(lǐng)域知識、經(jīng)驗、人、機器、專家等的智慧充分融合在一起，使定性的知識在信息系統(tǒng)中發(fā)揮更大價值?；谒槠闹R，可構(gòu)建系統(tǒng)化的知識體系。知識體系作為“核心驅(qū)動力”應(yīng)具有自我學(xué)習(xí)、自我完善、自我進化能力，通過持續(xù)豐富和完善系統(tǒng)運行的一般規(guī)律，找到問題相關(guān)聯(lián)的要素，以及要素間的相互影響關(guān)系。
AI知識圖譜
3.4 CPS雙向自主控制（AC）
數(shù)字孿生的本質(zhì)是通過建模仿真，實現(xiàn)物理系統(tǒng)與賽博系統(tǒng)的相互控制，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛實一體互動和智慧決策支持。數(shù)字孿生的一個重要貢獻(xiàn)是實現(xiàn)了物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋（逆向工程思維）。
數(shù)據(jù)驅(qū)動的CPS雙向控制
3.5 混合智能決策（ID）
第三代人工智能的目標(biāo)是要真正模擬人類的智能行為，人類智能行為的主要表現(xiàn)是隨機應(yīng)變、舉一反三。為了做到這一點，我們必須充分地利用知識、數(shù)據(jù)、算法和算力，把四個因素充分利用起來，這樣才能夠解決不完全信息、不確定性環(huán)境和動態(tài)變化環(huán)境下面的問題，才能達(dá)到真正的人工智能。（張鈸院士）
高度融合人工智能與人類智慧的混合智能決策是數(shù)字孿生的一個重要特征。這也凸顯了數(shù)字孿生與第三代人工智能的高度吻合性。
3.6 全局人工智能（AI）
制造業(yè)本身已經(jīng)擴展到了全生命周期，包括產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、加工制造、管理、營銷、售后服務(wù)、報廢處理等環(huán)節(jié)。AI融入產(chǎn)品全命周期當(dāng)中任何一個環(huán)節(jié)，采用AI任何一種具體技術(shù)，橫向提升制造業(yè)。AI融入制造業(yè)/城市/…的任何一個層級，采用AI任何一種具體技術(shù)，縱向提升產(chǎn)業(yè)和城市。AI無處不在的融合時數(shù)字孿生的一個重要特征。
4 以系統(tǒng)思維持續(xù)探索數(shù)字孿生
黨的十八大以來，習(xí)近平總書記在推進政治、經(jīng)濟、軍事、科學(xué)、文化等方面的思維和決策，表現(xiàn)出系統(tǒng)思維方法的科學(xué)性與系統(tǒng)性。主要體現(xiàn)在：注重用系統(tǒng)思維方法來推進黨和國家治理體系的變革。注重系統(tǒng)的整體性和要素與要素的協(xié)同性。注重系統(tǒng)的開放性與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。注重系統(tǒng)的重點突破與整體推進。注重解決非平衡問題，推進系統(tǒng)走向動態(tài)平衡。在系統(tǒng)思維的啟發(fā)與指導(dǎo)下，數(shù)字孿生仍需結(jié)合實際應(yīng)用持之以恒的探索，以使其發(fā)揮更大作用，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供通用智能基礎(chǔ)設(shè)施。
