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林詩(shī)萬(wàn) 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)技術(shù)及架構(gòu)組聯(lián)合主席

自概念誕生以來(lái)，在工業(yè)領(lǐng)域，“數(shù)字孿生”就因應(yīng)用場(chǎng)景及領(lǐng)域的廣泛性、牽涉技術(shù)的多樣性、實(shí)現(xiàn)方式巨大的差異性，給從業(yè)人員帶來(lái)了高不可攀、難以實(shí)現(xiàn)的刻板印象。

• 數(shù)字孿生到底是什么？有哪些常見(jiàn)的理解誤區(qū)？
• 如何切實(shí)、更好地利用數(shù)字孿生技術(shù)的價(jià)值？

本文內(nèi)容整理自美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)同盟-技術(shù)工作組、架構(gòu)任務(wù)組和數(shù)字孿生體互操作性任務(wù)組聯(lián)席主席林詩(shī)萬(wàn)博士在2021（第十屆）全球自動(dòng)化和制造主題峰會(huì)上的演講。

林詩(shī)萬(wàn)博士在2021GAMS峰會(huì)做主題演講

林詩(shī)萬(wàn)博士從生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景落地的角度出發(fā)，層層剝繭，幫您深入了解“數(shù)字孿生”從概念到技術(shù)應(yīng)用的所有知識(shí)點(diǎn)。

數(shù)字孿生的三大誤區(qū)

工業(yè)系統(tǒng)的高度復(fù)雜度、生產(chǎn)環(huán)境工況的多樣化和多變性、工業(yè)知識(shí)積累的碎片化，讓各項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)展難上加難。為了少走彎路，企業(yè)在步入數(shù)字孿生的“賽道”前，一定要避開(kāi)這幾個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)：

誤區(qū)1：三維仿真數(shù)據(jù)展示≠數(shù)字孿生！

人們?cè)谔岬綌?shù)字孿生時(shí)，常常直接聯(lián)想到三維仿真展示，特別是三維仿真的背景中展示的一些數(shù)據(jù)，這種理解是片面的。

“數(shù)字孿生的真正核心在于，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行近乎實(shí)時(shí)的計(jì)算，以獲得對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況的精準(zhǔn)的認(rèn)知，以便做出符合事件的決策，其核心在于數(shù)據(jù)和計(jì)算。”

三維仿真展示只是三維空間的映射，其結(jié)果是讓數(shù)據(jù)、狀態(tài)或事件的展示和系統(tǒng)的瀏覽更直觀，用大屏方式展示，能給參觀者酷炫的觀感。但是，這只是一種人機(jī)界面的表達(dá)方式，沒(méi)有數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)和算法的支持，這些展示沒(méi)有太大的意義。

當(dāng)然，如果數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)豐富、算法強(qiáng)大，相應(yīng)的工業(yè)APP也功能強(qiáng)大，大部分的生產(chǎn)運(yùn)維操作都能自動(dòng)解決、不需要人工干預(yù)，那么三維仿真展示的必要性也會(huì)被弱化。且如果有算法能對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控、報(bào)警、記錄和處理，現(xiàn)存的“虛擬巡檢”的作用也就不大了。

當(dāng)然，除了滿足以往的流程規(guī)定外，三維仿真作為數(shù)字孿生模型的一種，以物理實(shí)體的實(shí)際空間參數(shù)，以及空間的拓?fù)潢P(guān)系建立可視化模型，特別是與AR結(jié)合，對(duì)于設(shè)計(jì)、設(shè)備拆裝和維修操作指導(dǎo)，運(yùn)動(dòng)設(shè)備作業(yè)事件重播等還將繼續(xù)有獨(dú)特的作用。

誤區(qū)2：傳統(tǒng)的模擬仿真模型≠數(shù)字孿生！

模擬仿真是在計(jì)算機(jī)中建立模型，復(fù)現(xiàn)物理系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，并通過(guò)調(diào)整模型的輸入和控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性計(jì)算，用于研究和評(píng)估存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)特征和行為，尋找可行或最優(yōu)的設(shè)計(jì)，在制造業(yè)應(yīng)用廣泛。

“但一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際系統(tǒng)建造的成本高，有些試驗(yàn)需要很長(zhǎng)的時(shí)間或危險(xiǎn)性大，利用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)實(shí)驗(yàn)顯然是一種事半功倍的手段。”

且實(shí)際系統(tǒng)一般都很復(fù)雜，并受當(dāng)前技術(shù)的局限，在建立模擬仿真模型的時(shí)候，大多需要進(jìn)行很多簡(jiǎn)化。只關(guān)注關(guān)鍵的因素，忽略次要因素，或只模擬系統(tǒng)的某一些方面，可以滿足在設(shè)計(jì)過(guò)程中驗(yàn)證設(shè)計(jì)的結(jié)果是否符合一定的設(shè)計(jì)要求（如安全生產(chǎn)），但計(jì)算的精度不容易達(dá)到在生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)管和優(yōu)化的需求。

另外，大多用于設(shè)計(jì)過(guò)程的仿真模型軟件基于模擬的數(shù)據(jù)，都是批次性使用，并不與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接，從計(jì)算性能上也不易支持持續(xù)性的流式計(jì)算，難以支撐數(shù)字孿生中對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的管控和優(yōu)化。

綜合而言，模擬仿真是數(shù)字孿生的一個(gè)重要支撐技術(shù)。設(shè)計(jì)過(guò)程中的仿真模型只是數(shù)字孿生算法模型的一個(gè)重要組成部分，不等同于數(shù)字孿生本身。

誤區(qū)3：數(shù)字孿生≠“點(diǎn)金術(shù)”！

“數(shù)字孿生不是點(diǎn)金術(shù)，是持續(xù)改善的機(jī)會(huì)。”

數(shù)字孿生的有效性取決于：設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜度，進(jìn)行模式判定、狀態(tài)預(yù)測(cè)或優(yōu)化策略計(jì)算的難度，以及用于計(jì)算的，從現(xiàn)場(chǎng)采集的傳感數(shù)據(jù)的完備性和準(zhǔn)確性。正如人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知有一個(gè)持續(xù)學(xué)習(xí)的過(guò)程，數(shù)字孿生對(duì)物理世界的把握程度也有一個(gè)從粗糙到精細(xì)的提升過(guò)程。

數(shù)字孿生作為一種方法論，一種框架性技術(shù)體系，甚至是一種面向生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)環(huán)境數(shù)字化架構(gòu)的中間件，不是一種一蹴而就的神奇魔法。

企業(yè)不應(yīng)改把數(shù)字孿生當(dāng)作一種點(diǎn)金技術(shù)，不切實(shí)際地期望數(shù)字孿生可以一步到位解決高難問(wèn)題。數(shù)字化技術(shù)的核心是軟件，在本質(zhì)上就是一種持續(xù)改善的技術(shù)，而不持續(xù)迭代提升的軟件是沒(méi)有生命力的。

“數(shù)字孿生”的真正內(nèi)涵

“數(shù)字孿生是工業(yè)數(shù)字化的一種思路、方法論，是一種技術(shù)體系和技術(shù)能力。”

• 作為基本概念，數(shù)字孿生的核心是利用傳感數(shù)據(jù)和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的深度認(rèn)知和智能決策，有效地控制和管理這些物理實(shí)體，更好地服務(wù)于人類；
• 作為技術(shù)概念，數(shù)字孿生是在計(jì)算機(jī)中，對(duì)物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)映射，屬于計(jì)算機(jī)工程的問(wèn)題，也屬于軟件工程的范疇，要對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行映射，就要對(duì)它的狀態(tài)進(jìn)行模式判定、根因分析、狀態(tài)預(yù)測(cè)等計(jì)算，可以有多種實(shí)現(xiàn)方法。

計(jì)算是“數(shù)字孿生”的核心

在計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，我們只有匯編語(yǔ)言，幾乎就是用計(jì)算機(jī)處理器的機(jī)器語(yǔ)言去編程，是一長(zhǎng)串的指令，沒(méi)有什么結(jié)構(gòu)，費(fèi)腦費(fèi)力費(fèi)時(shí)、容易出錯(cuò)、排查困難，談不上重用復(fù)用。

后來(lái)出現(xiàn)了高級(jí)語(yǔ)言，如Fortran和C語(yǔ)言，引入了邏輯和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并能夠?qū)Υa進(jìn)行按任務(wù)以函數(shù)的方式進(jìn)行組織，由于函數(shù)作為一個(gè)代碼單元可以多處調(diào)用，也就實(shí)現(xiàn)了代碼的重用復(fù)用。

但是，這些屬于過(guò)程編程范式的編程語(yǔ)言，對(duì)于大型程序系統(tǒng)需要分解出來(lái)的函數(shù)繁多，調(diào)用關(guān)系復(fù)雜，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和維護(hù)的難度會(huì)變得非常高，重用復(fù)用困難，軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本也因而變得非常高昂。

后來(lái)出現(xiàn)的面向?qū)ο蟮木幊谭妒剑∣bject-Oriented Programming - OOP），如最早的Smalltalk，后來(lái)廣泛使用的C++和Java，引入了對(duì)象的概念。以對(duì)象的形式與現(xiàn)實(shí)生活的“物體”或“邏輯體”相對(duì)應(yīng)，把其特征數(shù)據(jù)（屬性）和操作邏輯（行為）分別作為數(shù)據(jù)和函數(shù)封裝在對(duì)象體中。

這種方式使得軟件的設(shè)計(jì)，更符合人在現(xiàn)實(shí)生活中的思維方式，不僅使得設(shè)計(jì)變得更結(jié)構(gòu)化，同時(shí)也增強(qiáng)了軟件的重用復(fù)用性和可維護(hù)性，提高了軟件質(zhì)量，降低了軟件開(kāi)發(fā)成本。

作為一套方法論

作為方法論，面向?qū)ο缶幊谭妒剑∣OP）可以為數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)所借鑒和引用。數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)可以把面向?qū)ο缶幊谭妒酵茝V到了物理世界的實(shí)體，在軟件中以對(duì)象的方式表征物理實(shí)體，對(duì)每一個(gè)物理實(shí)體建立相應(yīng)的軟件對(duì)象。

在數(shù)字孿生中以數(shù)據(jù)表征物理實(shí)體的屬性及狀態(tài)，以算法模型模擬其行為。除此以外，對(duì)象化的設(shè)計(jì)方式，可以支持利用單元對(duì)象，以搭積木的方式構(gòu)建越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)，從組件數(shù)孿體開(kāi)始，構(gòu)建設(shè)備、機(jī)組、產(chǎn)線、車間，以至整個(gè)工廠的數(shù)字孿生體，成為整個(gè)工廠的數(shù)字表征。

以這種方式構(gòu)建數(shù)字孿生，結(jié)構(gòu)性地反映物理實(shí)體的屬性、狀態(tài)與行為，屏蔽了現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了數(shù)字化工業(yè)應(yīng)用的構(gòu)建。

作為一種技術(shù)框架體系

數(shù)字孿生對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體進(jìn)行映射，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行模式判定、根因分析、狀態(tài)預(yù)測(cè)等計(jì)算———從這個(gè)目的來(lái)看，一般不宜把數(shù)字孿生作為一個(gè)為用戶使用的終端的應(yīng)用，而是作為數(shù)字化工業(yè)應(yīng)用的一種支撐性的技術(shù)，甚至可以構(gòu)建為這些應(yīng)用架構(gòu)中的中間件。

數(shù)字孿生要映射生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備的狀態(tài)和行為，需要在軟件中建立相應(yīng)的鏡像對(duì)象。如果借鑒OOP，我們需要在數(shù)字孿生體中設(shè)定與設(shè)備對(duì)應(yīng)的參數(shù)，這些參數(shù)包括屬性、狀態(tài)、指令等類型。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，把這些參數(shù)與從設(shè)備采集的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)連接，如果設(shè)備的某個(gè)運(yùn)行參數(shù)變化了，在相應(yīng)數(shù)字孿生體上也幾乎實(shí)時(shí)地得到反映。這是一個(gè)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)梳理的過(guò)程，也是工業(yè)知識(shí)沉淀到軟件的過(guò)程。

在此之后，利用算法模型對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)物理實(shí)體的行為進(jìn)行映射。比如，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模式判定或預(yù)測(cè)，是否屬于運(yùn)行異常、是否符合工藝要求、是否符合能效要求等，如果判定了異常，對(duì)異常的根因分析，還有解決的策略，這些會(huì)用到機(jī)理模型和數(shù)據(jù)算法的模型。

然而，最終的解決方案必須把數(shù)字孿生體所映射的設(shè)備的運(yùn)行特征和行為作為輸入，結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理的業(yè)務(wù)邏輯和生產(chǎn)規(guī)則，特別是精益管理的原則和方法論，做出的適合的決策，并得以執(zhí)行，這些邏輯一般可用App的方式實(shí)現(xiàn)。

這就是數(shù)字孿生作為一種技術(shù)框架體系，作為數(shù)字化工業(yè)應(yīng)用架構(gòu)的中間件的作用：它可以下啟物聯(lián)數(shù)據(jù)，連接現(xiàn)場(chǎng)；上承工業(yè)APP，輸送對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)和行為的洞察認(rèn)知，支撐管控現(xiàn)場(chǎng)的決策。

數(shù)字孿生的特征和作用

在數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的層面，制造業(yè)企業(yè)經(jīng)過(guò)二十多年的信息化發(fā)展，在產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了各式設(shè)計(jì)軟件，各種的CAD，在原有的自動(dòng)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)管理流程的自動(dòng)化和信息化。

但是，大部分工業(yè)軟件大多用于管理業(yè)務(wù)流程，以及正常狀況下的計(jì)劃生產(chǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中，充分利用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的大量設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)一步降低設(shè)備的故障率、提高整體設(shè)備效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗和物耗、保障生產(chǎn)過(guò)程的合規(guī)性等方面，還有大量的工作需要做。

現(xiàn)階段，對(duì)于生產(chǎn)異常判定、根因分析以及應(yīng)對(duì)策略，大多還是依賴于操作經(jīng)驗(yàn)，靠手工作業(yè)完成。在新一輪數(shù)字化發(fā)展中，不管是在產(chǎn)品與工藝設(shè)計(jì)、還是在生產(chǎn)過(guò)程中，如何利用來(lái)自于物理世界的數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)況做出精準(zhǔn)的判定、智能化的決策、及時(shí)的執(zhí)行，成為企業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。

企業(yè)需要打通生產(chǎn)工序上下游多設(shè)備的高效協(xié)同運(yùn)行，并能將精益管理的原則和方法，融入數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理中，追求生產(chǎn)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定性和持續(xù)改善。數(shù)字孿生技術(shù)的誕生，恰好能利用物理實(shí)體的數(shù)字化虛擬復(fù)制，以計(jì)算解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

數(shù)字孿生的特征作用有許多（見(jiàn)下圖），OT化和解耦式這兩點(diǎn)值得強(qiáng)調(diào)。

當(dāng)我們利用數(shù)字孿生的方法論，建立一種新的技術(shù)框架時(shí)，在結(jié)構(gòu)上從OT的角度，以設(shè)備作為主體對(duì)象進(jìn)行建模，定義設(shè)備的特征數(shù)據(jù)，建立算法模型判定或預(yù)測(cè)設(shè)備的行為。這樣能夠輕松地讓設(shè)備專家定義設(shè)備的特征數(shù)據(jù)，讓懂設(shè)備運(yùn)行和生產(chǎn)工藝的專家與算法工程師合作建立算法模型，雙方得以通過(guò)數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)融合在一起。

以這種方法對(duì)各類設(shè)備建立數(shù)字孿生體，把數(shù)據(jù)定義和算法封裝成可以在多處以插件方式重用復(fù)用的軟件組件。熟悉設(shè)備的設(shè)備供應(yīng)商或熟悉工藝過(guò)程的工業(yè)設(shè)計(jì)院所，也可獨(dú)立構(gòu)建和提供某類設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字孿生，并可以支持多個(gè)場(chǎng)景。

此外，數(shù)字孿生本身在軟件結(jié)構(gòu)與其它業(yè)務(wù)性的軟件組件（如生產(chǎn)規(guī)則或用戶界面）代碼解耦分離。當(dāng)數(shù)字孿生的算法迭代提升，比如提高了某種計(jì)算的準(zhǔn)確性，只需獨(dú)立更新數(shù)字孿生體，不需要重新修改更改業(yè)務(wù)性的軟件代碼。

總而言之，利用數(shù)字孿生，用戶有機(jī)會(huì)建造一種可以有效支持?jǐn)?shù)字化技術(shù)和工業(yè)知識(shí)的融合的技術(shù)框架，促進(jìn)工業(yè)知識(shí)的沉淀、積累與持續(xù)提升，推動(dòng)生態(tài)型工業(yè)知識(shí)的廣泛重用共享。

用好“數(shù)字孿生”：復(fù)用、積累是關(guān)鍵

要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的價(jià)值，需要多種技術(shù)和知識(shí)的融合，特別是數(shù)字化技術(shù)（IT）和工業(yè)知識(shí)（OT）的融合。對(duì)于制造業(yè)企業(yè)來(lái)講，經(jīng)常遇到IT技術(shù)資源薄弱，OT知識(shí)積累單薄的窘境，要單獨(dú)利用數(shù)字孿生推進(jìn)數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理的障礙重重。

工業(yè)領(lǐng)域想建立有效的數(shù)字孿生，需要行業(yè)性生態(tài)合作伙伴的共力，包括數(shù)字化技術(shù)供應(yīng)商、設(shè)備供應(yīng)商、工業(yè)知識(shí)供應(yīng)者（如工業(yè)研究院所和設(shè)計(jì)院所等）與作為甲方的企業(yè)一起來(lái)建設(shè)、改善技術(shù)和系統(tǒng)。

在這個(gè)過(guò)程中，在行業(yè)生態(tài)推進(jìn)數(shù)字孿生的重用復(fù)用尤為重要?？梢栽O(shè)想，在每一個(gè)企業(yè)的場(chǎng)景，利用軟件對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程特征狀態(tài)和行為進(jìn)行深度、精準(zhǔn)的表征映射，單獨(dú)構(gòu)建的門(mén)檻高、成本高、積累提升緩慢，事倍功半。

Tips：

目前不少的企業(yè)在構(gòu)建數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)，還是沿用了傳統(tǒng)的軟件項(xiàng)目型實(shí)施管理機(jī)制，屬于一次性的項(xiàng)目實(shí)施，解決方案供應(yīng)商中標(biāo)實(shí)施交付后，保用一年之后一般沒(méi)有后續(xù)維護(hù)或更新的考慮或機(jī)會(huì)。下次推倒重來(lái)，這樣難以積累和提升。

企業(yè)需要與解決方案供應(yīng)商維持長(zhǎng)久的合作關(guān)系，提供相應(yīng)的投入支持軟件應(yīng)用的維護(hù)和提升，為所建立的數(shù)字化解決方案留長(zhǎng)遠(yuǎn)一點(diǎn)的生路，避免一錘子買賣。同時(shí)，企業(yè)也可以多考慮采用第三方供應(yīng)商的產(chǎn)品，避免無(wú)必要的自建項(xiàng)目，這樣可以借力供應(yīng)商產(chǎn)品，最大化重用復(fù)用積累提升的成果。

如果能夠在行業(yè)內(nèi)建立相應(yīng)的數(shù)字孿生共享技術(shù)框架和價(jià)值交易機(jī)制，促進(jìn)數(shù)字孿生的重用復(fù)用，將能降低啟用成本，加快其有效性、質(zhì)量和性能的提升，提高數(shù)字孿生應(yīng)用的性價(jià)比。

從更廣的范圍來(lái)說(shuō)，軟件可以說(shuō)是用出來(lái)的。一件軟件應(yīng)用，用戶多了，使用的場(chǎng)景多了，解決了的問(wèn)題多了，它的功能也會(huì)變得豐富和強(qiáng)大，穩(wěn)定性也會(huì)提高，這是通過(guò)重用復(fù)用積累的結(jié)果。

這就是為什么第三方的軟件產(chǎn)品一般會(huì)比自研的好，這是空間（場(chǎng)景）和時(shí)間積累的差異性所導(dǎo)致的，特別是跨空間的重用復(fù)用的優(yōu)勢(shì)。因此，重用復(fù)用并不是僅僅對(duì)于軟件供應(yīng)商有利，對(duì)軟件的用戶也是有利的。