數(shù)字孿生一詞始見于2011年美國空軍實(shí)驗(yàn)室的研究資料，用于預(yù)測飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命和保證結(jié)構(gòu)完整性。2012年NASA給出了數(shù)字孿生的概念描述：數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程。
以數(shù)字孿生概念為基礎(chǔ)，2013年美國技術(shù)人員開發(fā)了一個(gè)耦合模型，使真實(shí)機(jī)器的數(shù)字孿生體能夠在與實(shí)際過程并行的云平臺中運(yùn)行，并結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，綜合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析算法和其他可用的物理知識來模擬機(jī)器的健康狀態(tài)，以期望在機(jī)器生命周期的不同階段更有效地預(yù)測和分析生產(chǎn)系統(tǒng)的狀況，提高制造管理的透明度并降低風(fēng)險(xiǎn)。這次耦合模型工程實(shí)驗(yàn)的成功，從理論上驗(yàn)證數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域的可行性。
近年，隨著德國工業(yè)4.0、中國智能制造等工業(yè)戰(zhàn)略的發(fā)布，5G、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺以及人工智能等新興技術(shù)應(yīng)用日趨成熟，在基于模型定義產(chǎn)品開發(fā)理念的驅(qū)動(dòng)下，使得數(shù)字孿生逐漸在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域推廣開來，企業(yè)希望從生產(chǎn)系統(tǒng)的全生命周期，包括設(shè)計(jì)、管理、運(yùn)行和運(yùn)維等環(huán)節(jié)挖掘數(shù)字孿生的潛在應(yīng)用價(jià)值。
本文嘗試回答三個(gè)問題：
1、數(shù)字孿生和CPS的區(qū)別
2、數(shù)字孿生和仿真的區(qū)別
3、數(shù)字孿生發(fā)展的挑戰(zhàn)
數(shù)字孿生和CPS的區(qū)別
在談工業(yè)4.0以及智能制造時(shí)，我們很容易將數(shù)字孿生和CPS混淆。因?yàn)閿?shù)字孿生是與CPS高度相似的概念。數(shù)字孿生在信息世界中創(chuàng)造物理世界高度仿真的虛擬模型，以模擬物理世界中發(fā)生的行為，并向物理世界提供反饋模擬結(jié)果或控制信號。這種雙向動(dòng)態(tài)映射過程與CPS核心理念極其相似，因此很容易讓人當(dāng)成一回事。
從功能上講，數(shù)字孿生與CPS都是為了使企業(yè)能夠更快、更準(zhǔn)地預(yù)測和檢測現(xiàn)實(shí)工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)，并從中發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)過程，以更好地生產(chǎn)和提升品質(zhì)。CPS被定義為計(jì)算過程和物理過程的集成，而數(shù)字孿生則需要更多地考慮使用物理系統(tǒng)的數(shù)字模型進(jìn)行模擬分析，執(zhí)行實(shí)施優(yōu)化。
在制造場景中，CPS與數(shù)字孿生都包括兩個(gè)部分：真實(shí)物理世界和虛擬信息世界，真實(shí)的生產(chǎn)活動(dòng)是由物理世界來執(zhí)行，而智能化的數(shù)據(jù)管理、分析和計(jì)算，則是由虛擬信息世界中各種應(yīng)用程序和服務(wù)來完成的。物理世界感知并收集數(shù)據(jù)，執(zhí)行來自信息世界的決策指令，而信息世界分析和處理數(shù)據(jù)，作出預(yù)測和決定。物理世界和信息世界之間無處不在的IIOT連接，是兩個(gè)世界實(shí)現(xiàn)交互的基礎(chǔ)。
具體比較，CPS和數(shù)字孿生各自還是有所側(cè)重。CPS強(qiáng)調(diào)計(jì)算、通信和控制功能，傳感器和控制器是CPS的核心組成部分，CPS面向的是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)下的信息與物理世界融合的多對多連接管理。而數(shù)字孿生則更多地關(guān)注虛擬模型，根據(jù)模型的輸入和輸出，解釋和預(yù)測物理世界的行為，強(qiáng)調(diào)虛擬模型和顯示對象的一對一映射關(guān)系。相比之下，CPS更像一個(gè)基礎(chǔ)理論框架，而數(shù)字孿生則更像是對CPS的工程實(shí)踐。
數(shù)字孿生和仿真的區(qū)別
仿真是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)技術(shù)，這一點(diǎn)業(yè)界都是認(rèn)可的。在工廠規(guī)劃與流程再造中，仿真分析是常用的技術(shù)手段。比如西門子的Tecnomatix就是比較成熟的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件。數(shù)字孿生與傳統(tǒng)仿真的主要區(qū)別在于，數(shù)字孿生要求實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理工廠和虛擬數(shù)字工廠之間不斷的循環(huán)迭代，數(shù)字孿生構(gòu)建的虛擬數(shù)字工廠需要用到的仿真是高頻次、不斷迭代演進(jìn)的，而且伴隨工廠的全生命周期。傳統(tǒng)仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界的一種技術(shù)。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就可以基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)。
具體來說，傳統(tǒng)仿真是以軟件化的形式模擬物理世界的運(yùn)行，從而得到一個(gè)結(jié)果，并不會(huì)涉及虛擬模型向物理世界反饋的動(dòng)態(tài)反饋，只是單向的輸入模型參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)得出數(shù)據(jù)。因此，仿真技術(shù)只是創(chuàng)建和運(yùn)行數(shù)字孿生體，保證數(shù)字孿生體與對應(yīng)物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)有效閉環(huán)的一種技術(shù)。仿真只是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的諸多關(guān)鍵技術(shù)中的一部分，萬不可盲目地把數(shù)字孿生跟仿真混為一談。通過數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構(gòu)可以更清晰地明白這一點(diǎn)。
數(shù)字孿生發(fā)展中的挑戰(zhàn)
當(dāng)下無論是企業(yè)還是廠商，對數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展高度關(guān)注，對數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的價(jià)值抱有極高期待。但拋開搭建數(shù)字孿生體所涉及的技術(shù)是否足夠成熟以及以及使用成本多高不說，目前產(chǎn)業(yè)各方也缺乏面向工廠全生命周期數(shù)字孿生構(gòu)建方法。
具體來講，首先是缺少面向工廠全生命周期的數(shù)字孿生理論框架，包括面向規(guī)劃、生產(chǎn)控制和流程再造等不同各階段框架；其次，缺少能夠在虛擬模型和真實(shí)環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)快速交互的體系和方法，比如解決數(shù)字孿生工廠規(guī)劃任務(wù)中的敏捷建模和生產(chǎn)控制過程中即時(shí)反饋的問題；最后，缺少將數(shù)字孿生構(gòu)建理論和已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)、機(jī)理模型、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)有效集成和融合的應(yīng)用方法。
針對這些問題，我認(rèn)為下一步需要重點(diǎn)研究的方向是：第一，基于物聯(lián)網(wǎng)和仿真的數(shù)字孿生方法，研究滿足工廠規(guī)劃階段的敏捷分析；第二，基于物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，研究滿足對生產(chǎn)控制階段的高效控制；第三，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、仿真和傳統(tǒng)精益生產(chǎn)等方法，研究滿足生產(chǎn)流程再造階段的精準(zhǔn)分析評估；第四，研究數(shù)字孿生在不同工業(yè)場景中的適應(yīng)性。既要針對流程制造業(yè)和離散制造業(yè)，也要針對大規(guī)模制造企業(yè)和中小型制造企業(yè)、常規(guī)生產(chǎn)和再制造生產(chǎn)等不同制造業(yè)場景進(jìn)行適應(yīng)性研究。
