致力于數(shù)字孿生體技術(shù)的研究與發(fā)展
通過(guò)解決方案和工程化應(yīng)用造福人類
本專欄作者：田鋒
安世亞太公司 高級(jí)副總裁
數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室主任
數(shù)字孿生已成為今年最炙手可熱的概念。這一概念的最大優(yōu)點(diǎn)是具體直觀，易于理解。望文生義也好，顧名思義也罷，說(shuō)者言語(yǔ)一出，聽(tīng)者便猜出大概。與此有關(guān)的文章鋪天蓋地，講座也層出不窮，但大多數(shù)要么停留在溯源和概念層面，要么談?wù)撃硞€(gè)具體案例，缺乏系統(tǒng)的理論框架。
很多案例是把早已存在的案例穿了數(shù)字孿生馬甲出來(lái)蹭蹭熱度。即使是套用數(shù)字孿生概念的新案例，對(duì)數(shù)字孿生的理解也似是而非。涉及到具體技術(shù)的時(shí)候，要么比較單一，要么多而零散，缺乏嚴(yán)密遞進(jìn)的邏輯。本文希望在系統(tǒng)性和理論性方面前進(jìn)一步，從體系框架和核心技術(shù)方面做初步厘清，從更完整全面的視角觀察數(shù)字孿生體系的全貌，以期能對(duì)業(yè)界做一些微薄貢獻(xiàn)。
本文認(rèn)為，數(shù)字孿生體是個(gè)具有社會(huì)性的生命體，其產(chǎn)生、進(jìn)化和社會(huì)性，都符合生物進(jìn)化和社會(huì)發(fā)展規(guī)律。第一部分
孿生溯源
當(dāng)前業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生體起源的普遍認(rèn)定是2003年Michael Grieves博士所提。筆者對(duì)此沒(méi)有異議，只是我們?cè)跀?shù)字孿生體系研究中發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成數(shù)字孿生體的關(guān)鍵技術(shù)遠(yuǎn)早于2003年。本實(shí)驗(yàn)室將這個(gè)時(shí)點(diǎn)前推至1960年代——CAD技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)點(diǎn)，因?yàn)閿?shù)字孿生體的第一個(gè)重要“器官”是“數(shù)字建?！?，基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的CAD技術(shù)便是該器官的核心技術(shù)。
數(shù)字孿生體的技術(shù)起源和概念提出的時(shí)點(diǎn)都很早，但為什么這兩年才突然興起。本實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為，數(shù)字孿生體的第二個(gè)器官——物聯(lián)網(wǎng)的成熟起到了重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)的中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的提出時(shí)間是2016年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是2018年，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的提出意味著物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入了成熟和工程應(yīng)用階段。而且，即將推出的數(shù)字孿生體標(biāo)準(zhǔn)也是在物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上演變出來(lái)的，昭示著這兩個(gè)體系的緊密關(guān)聯(lián)性。物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)字孿生體的第二級(jí)成熟度（成熟度概念參見(jiàn)后文）的核心技術(shù)，是數(shù)字孿生體入門級(jí)或門檻級(jí)技術(shù)。沒(méi)有物聯(lián)網(wǎng)，數(shù)字孿生體連起步都很難，不用說(shuō)進(jìn)化了。2016年是數(shù)字孿生體的提速時(shí)點(diǎn)，2018年正是數(shù)字孿生體的爆發(fā)時(shí)點(diǎn)。
第二部分
體系框架
我們的研究選擇了國(guó)際公認(rèn)的高起點(diǎn)——國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)ISO_DIS_23247（目前為公示期，年底最終發(fā)布）。該標(biāo)準(zhǔn)提出了數(shù)字孿生制造的參考架構(gòu)。由于標(biāo)準(zhǔn)尚未最終發(fā)布，此處不便引用其架構(gòu)圖。該參考架構(gòu)雖然不是最終版本，但其所包含的要素全面，邏輯合理，符合我們所研究的結(jié)論。但該標(biāo)準(zhǔn)顯然是從物聯(lián)網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC30141基礎(chǔ)上的演變，具體本實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為對(duì)于具體應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)于抽象，所以我們?cè)凇稊?shù)字孿生體技術(shù)白皮書（2019）》中對(duì)這個(gè)框架做了術(shù)語(yǔ)上的修訂和釋義，我們下面所提的理論框架是從這個(gè)架構(gòu)出發(fā)而設(shè)計(jì)的。
在《
數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書（2019）》(點(diǎn)擊鏈接下載白皮書)中，我們給出了數(shù)字孿生體的定義：數(shù)字孿生體是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對(duì)象的數(shù)字模型，通過(guò)實(shí)測(cè)、仿真和數(shù)據(jù)分析來(lái)實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，通過(guò)性能和狀態(tài)優(yōu)化和指令發(fā)送來(lái)調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，通過(guò)相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)化自身，同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對(duì)象生命周期內(nèi)的決策。
本定義既承接了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)參考架構(gòu)，也是我們?cè)O(shè)計(jì)理論架構(gòu)的基礎(chǔ)。下圖是我們提出的理論架構(gòu)，本架構(gòu)可以指導(dǎo)數(shù)字孿生體的建設(shè)與實(shí)施。
本圖上部是數(shù)字孿生體系框架，下部是物理對(duì)象的示意。物理對(duì)象在此圖中用于表達(dá)數(shù)字孿生世界與物理世界的關(guān)系，不是數(shù)字孿生體框架的要素。數(shù)字孿生體系架構(gòu)包含以下要素：數(shù)字建模、測(cè)量與控制、模擬仿真、數(shù)據(jù)分析、數(shù)字資產(chǎn)和人機(jī)交互。這些要素使得數(shù)字孿生體呈現(xiàn)出一種生命體甚至社會(huì)性特征，下文對(duì)此展開說(shuō)明。
第三部分
數(shù)字建模
“數(shù)字建?！笔俏锢韺?duì)象的數(shù)字化表達(dá)，這個(gè)過(guò)程需要將物理對(duì)象表達(dá)為計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字模型，在軟件中建立物理對(duì)象的結(jié)構(gòu)元素和時(shí)空關(guān)系，不深入涉及物理機(jī)理和運(yùn)行數(shù)據(jù)，就像我們給正在雕塑的人體打造一個(gè)軀體。這也當(dāng)然是數(shù)字孿生體的基本要素，畢竟既然稱為“體”，那這樣一個(gè)基本的、直觀的軀體是必須的。
我們通常使用三維實(shí)體來(lái)建立物理對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀和位置關(guān)系，用系統(tǒng)（一維）建模工具來(lái)描述物理對(duì)象的行為模式。建模工具通常包括譬如CAD、3D動(dòng)畫、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、CIM（City Information Modeling，城市信息模型）或基于SysML（系統(tǒng)建模語(yǔ)言）的系統(tǒng)建模工具。建立的模型可以是設(shè)備、廠房、人群、運(yùn)輸系統(tǒng)、交通、電網(wǎng)、城市、軍事戰(zhàn)場(chǎng)、戰(zhàn)斗群體系等。
我們把這個(gè)過(guò)程稱為“數(shù)化”，提供了數(shù)字孿生體的“軀體”。不過(guò)這樣的軀體是一個(gè)沒(méi)有神經(jīng)、沒(méi)有思想、與世界隔離、無(wú)生命的軀體。
第四部分
測(cè)量與控制
“測(cè)量與控制”用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字體與物理對(duì)象之間實(shí)時(shí)互傳信息和數(shù)據(jù)。數(shù)字化模型利用測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)傳感器獲得物理對(duì)象的狀態(tài)數(shù)據(jù)：尺寸、速度、溫度、光潔度等，利用控制系統(tǒng)，通過(guò)致動(dòng)器向物理對(duì)象發(fā)送致動(dòng)指令：停止、加速、調(diào)節(jié)角度等，這就像我們給數(shù)字孿生體安裝一套神經(jīng)系統(tǒng)。人類的神經(jīng)系統(tǒng)有兩種，一種是感覺(jué)神經(jīng)，就像這里的測(cè)量系統(tǒng)，另一種是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，就像這里的控制系統(tǒng)。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）是測(cè)量與控制要素的主要技術(shù)，不僅能提供對(duì)物理世界的感知，還能對(duì)物理世界傳遞信息，從而驅(qū)動(dòng)物理世界。
我們把這個(gè)過(guò)程稱為“互動(dòng)”，提供了數(shù)字孿生體的“神經(jīng)”。神經(jīng)系統(tǒng)的存在，讓數(shù)字孿生體具有了初步的生命特征，可以感知和驅(qū)動(dòng)物理世界。但由于缺乏思考能力，目前的數(shù)字孿生體還是個(gè)“傀儡”或“僵尸”孿生體。
第五部分
模擬仿真
模擬仿真是基于完整信息和明確機(jī)理計(jì)算未來(lái)，將“數(shù)化”過(guò)程建立的模型與物理機(jī)理相結(jié)合，包括材料性質(zhì)、理論規(guī)律、工程規(guī)律等，根據(jù)完整和實(shí)時(shí)的邊界條件和物理狀態(tài)，來(lái)計(jì)算和預(yù)測(cè)數(shù)字模型的下一步狀態(tài)。這種仿真不是對(duì)一個(gè)階段或一種現(xiàn)象的仿真，應(yīng)是全周期和全領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)仿真。實(shí)時(shí)邊界條件和物理對(duì)象狀態(tài)是被完整測(cè)量，可作為物理規(guī)律的完備輸入條件。模擬仿真的輸出結(jié)果必須具有確定化和無(wú)二義性的特征。“實(shí)時(shí)”二字依賴于“互動(dòng)”過(guò)程的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)保證。
此處所說(shuō)的仿真是廣義仿真，那些具有明確物理機(jī)理的計(jì)算過(guò)程都屬于廣義仿真，包括物理（如流動(dòng)、力學(xué)、化學(xué)等）原理確定并被實(shí)踐驗(yàn)證，往往被作為成熟理論來(lái)使用，包含公理、定理、公式、數(shù)值計(jì)算、工程算法、經(jīng)驗(yàn)公式等。模擬仿真采用的工具包括算法程序、各類CAE工具，譬如物理場(chǎng)仿真、人群仿真、交通仿真、物流仿真、組織仿真等。
通常來(lái)說(shuō)，CAE有兩種類型：物理場(chǎng)仿真和系統(tǒng)仿真。物理場(chǎng)仿真的計(jì)算規(guī)模大、時(shí)間長(zhǎng)，通常無(wú)法滿足數(shù)字孿生體與物理對(duì)象實(shí)時(shí)交互的需要；系統(tǒng)仿真則具有速度快的優(yōu)勢(shì)，通常可以達(dá)到實(shí)時(shí)交互要求。因此，在數(shù)字孿生實(shí)踐中，往往需要把物理仿真過(guò)程進(jìn)行降階（ROM），抽取物理仿真的某些特性和參數(shù)，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)仿真模型來(lái)參與計(jì)算。
我們把模擬仿真過(guò)程稱為“先知”，該過(guò)程提供了數(shù)字孿生體的“左腦”。人類的左腦專事邏輯推理和理性判斷，只要具有明確規(guī)律和邏輯，不管多復(fù)雜，總是可以通過(guò)推理獲得明確的結(jié)論，提前知道數(shù)字孿生體和物理對(duì)象將會(huì)發(fā)生什么。此時(shí)的數(shù)字孿生體就是一個(gè)有頭腦、會(huì)思考的智能孿生體，開始具有明顯的生命特征，特別是人類的理性思維特征。
第六部分
數(shù)據(jù)分析
數(shù)據(jù)分析過(guò)程是基于不完整信息和不明確機(jī)理來(lái)推測(cè)未來(lái)。我們的世界中，大多數(shù)現(xiàn)象的物理規(guī)律并不明確，大多數(shù)情況無(wú)法獲得完備的邊界條件和物理狀態(tài)，但我們?nèi)匀徊坏貌粚?duì)未來(lái)做出預(yù)測(cè)，哪怕是在模糊的判斷，仍然好于毫無(wú)判斷。如果要求數(shù)字孿生體越來(lái)越智能和智慧，就不應(yīng)局限于人類對(duì)物理世界的確定性知識(shí)。其實(shí)人類本身就不是完全依賴確定性知識(shí)而領(lǐng)悟世界的。
大數(shù)據(jù)和人工智能（AI）技術(shù)是數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)通過(guò)“互動(dòng)”過(guò)程收集的數(shù)據(jù)以及“先知”過(guò)程輸出的數(shù)據(jù)，利用相關(guān)性分析建立物理世界的近似模型，依據(jù)當(dāng)前邊界條件和物理狀態(tài)進(jìn)行下一步狀態(tài)的預(yù)測(cè)，并且對(duì)近似模型逐步優(yōu)化。當(dāng)前邊界條件和物理對(duì)象狀態(tài)是被不完整測(cè)量的，但也只能作為近似模型的不完備輸入條件，輸出的結(jié)果當(dāng)然距離物理世界的真實(shí)情況有一定偏差。但隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的持續(xù)，算法和模型逐步改善，近似模型會(huì)越來(lái)越逼近物理機(jī)理，預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)逼近物理世界。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，業(yè)界有人將大數(shù)據(jù)（及AI）視為科學(xué)研究的“第四范式”，科研方法從傳統(tǒng)的三種方法——理論、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算拓展到第四種方法——大數(shù)據(jù)（及AI）。
我們把這個(gè)過(guò)程稱為“先覺(jué)”，提供了數(shù)字孿生體的“右腦”。人類的右腦專事感性思維，利用直覺(jué)和第六感來(lái)獲得對(duì)世界的判斷和預(yù)測(cè)。當(dāng)然這里指的直覺(jué)那種優(yōu)秀的直覺(jué)，而非普通人的直覺(jué)。優(yōu)秀的直覺(jué)源于對(duì)豐富經(jīng)歷和有效經(jīng)驗(yàn)的高度總結(jié)，還需要經(jīng)常性的深度思考和遠(yuǎn)期瞭望。我們的社會(huì)中確有一類具有這種優(yōu)秀和敏銳直覺(jué)的人，是他們引導(dǎo)著你的企業(yè)、機(jī)構(gòu)甚至人類的發(fā)展方向。
第七部分
數(shù)字資產(chǎn)
數(shù)字孿生體作為一種數(shù)字資產(chǎn)，其中的數(shù)據(jù)就像生命體的基因。它的積累、管理、追溯和共享既是其存在的基本特征，又是其進(jìn)步的必要手段。數(shù)字資產(chǎn)通過(guò)傳承、協(xié)同和進(jìn)化，向歷史學(xué)習(xí)，向他人學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)成長(zhǎng)。人類之所以進(jìn)步，是因?yàn)槲覀兊淖嫦韧ㄟ^(guò)將他們的思想和成果用文字的方式流了下來(lái)，使得我們可以傳承祖先的智力資產(chǎn)，可以向老子問(wèn)道，向孔子習(xí)理，向牛頓求知，向亞里士多德討教。
數(shù)字線程和云計(jì)算是進(jìn)行數(shù)字資產(chǎn)處理的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字線程將物理對(duì)象的全生命周期的各數(shù)字孿生體之間的數(shù)據(jù)資產(chǎn)進(jìn)行傳遞和追溯，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀基因遺傳。云計(jì)算則將不同物理對(duì)象的數(shù)字孿生體之間實(shí)現(xiàn)共享和協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)平庸基因進(jìn)化。
我們把這個(gè)過(guò)程稱為“共智”，使數(shù)字孿生體出現(xiàn)“社會(huì)性”特征。同一物理對(duì)象在生命周期的不同階段有不同的數(shù)字孿生體，數(shù)字資產(chǎn)記錄了數(shù)字孿生體整個(gè)生命周期中的全息數(shù)據(jù)，并反映這些數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生體整個(gè)生命周期中的演變路線，但相同對(duì)象的孿生數(shù)據(jù)必須關(guān)聯(lián)和傳承。物理世界的多樣性決定了其對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體的多樣性，世界的普遍聯(lián)系決定了數(shù)字孿生體的普遍聯(lián)系。人與人之間具有聯(lián)系構(gòu)成了人的社會(huì)，數(shù)字孿生體之間的聯(lián)系構(gòu)成了數(shù)字社會(huì)。
“共智”實(shí)現(xiàn)了不同數(shù)字孿生體之間的智慧交換和共享，多個(gè)數(shù)字孿生單體可以通過(guò)“共智”形成更大和更高層次的數(shù)字孿生體，這個(gè)數(shù)量和層次可以是無(wú)限的?！栋⒎策_(dá)》電影中的潘多拉星球是個(gè)物與物天然共智的世界，也許是人類科技所限，地球的各物件之間是否能天然共智尚不得而知，但通過(guò)數(shù)字孿生體，我們可以實(shí)現(xiàn)地球上物理世界的共智。
第八部分
人機(jī)交互
人機(jī)交互是人類與數(shù)字模型打交道的直觀可視化界面。這里可以展示數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)，了解數(shù)字孿生體的狀態(tài)，也可以操作和干預(yù)數(shù)字孿生體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象的干預(yù)。
數(shù)據(jù)的可視化展示技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人機(jī)交互的兩個(gè)重要技術(shù)。數(shù)據(jù)的可視化展示技術(shù)將數(shù)據(jù)和信息輸出為高清、直觀、可視化的、可交互的圖形圖像，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的操作可以實(shí)現(xiàn)與數(shù)字孿生體乃至物理對(duì)象的操縱。虛擬現(xiàn)實(shí)（包括VR、AR和MR）提供的深度沉浸技術(shù)讓人類與數(shù)字世界交互模式可以與物理世界類似。
我們把這種特性稱為“五官”。對(duì)人類來(lái)說(shuō)，五官是人們相互認(rèn)識(shí)、了解和溝通的界面，通過(guò)望聞問(wèn)切基本可以了解人的身體狀況，通過(guò)眼神和語(yǔ)言的交流可以了解人的精神狀況。而數(shù)字孿生體的人機(jī)交互所提供的能力則超越了人體五官所能提供的功能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使數(shù)字化的世界在感官和操作體驗(yàn)上更加接近物理世界，讓“孿生”一詞變得更為精妙。但在數(shù)字世界中，人類又具有超人般的特異功能，可以無(wú)限駕馭數(shù)字世界，例如變換大小、穿墻而過(guò)、隔空取物、時(shí)空穿越等，將數(shù)字孿生體的應(yīng)用推向極致。
在物理世界，有一種讓社會(huì)系統(tǒng)或（和）技術(shù)系統(tǒng)（譬如機(jī)器、工廠、物流、城市、戰(zhàn)場(chǎng)）充分發(fā)揮作用和價(jià)值的高效方式——應(yīng)用系統(tǒng)，譬如ERP、PLM、MES、SCM、MRO等系統(tǒng)。這種高效方式在數(shù)字孿生體世界仍然可以采納，但鑒于人在數(shù)字孿生體世界無(wú)所不能的自由特性，使得這個(gè)世界的類似系統(tǒng)可能不需要像物理世界那樣割裂，也許會(huì)合并一個(gè)系統(tǒng)。
《黑客帝國(guó)（Mtrix）》電影為我們展開了一個(gè)奇特的應(yīng)用系統(tǒng)，可以認(rèn)為該系統(tǒng)整合了所有我國(guó)熟知的應(yīng)用系統(tǒng)。人類與這個(gè)世界打交道的方式是：人的意識(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入系統(tǒng)，與其中的各種數(shù)字孿生體進(jìn)行交互。
第九部分
生命特征
通過(guò)以上分析，我們認(rèn)為，數(shù)字孿生體是一個(gè)具有思維能力、可持續(xù)進(jìn)化的生命體。
當(dāng)然，物理對(duì)象也具有天然的生命特征，但這種生命具有的特點(diǎn)如下：本能、直覺(jué)、條件反射、既定式、預(yù)設(shè)化、確定性、機(jī)械性、個(gè)體化。
數(shù)字孿生體的生命特征則有更多發(fā)展空間，使其可以進(jìn)化到更加接近智慧生物：靈性、精神、思考、理性、推理、創(chuàng)造性、變通性、不確定性、生物性、社會(huì)性。
第十部分
孕育與服役
數(shù)字孿生體是物理對(duì)象的數(shù)字化表達(dá)和虛擬鏡像，這種物理對(duì)象可能是設(shè)備、產(chǎn)線、車間、工廠、企業(yè)、人群、城市、戰(zhàn)場(chǎng)、物流、交通、電網(wǎng)、營(yíng)銷、流程等。這些對(duì)象都有研發(fā)、制造、供應(yīng)、運(yùn)維等過(guò)程。這幾個(gè)不同過(guò)程，因?yàn)槲锢韺?duì)象的成熟度不同，導(dǎo)致數(shù)字孿生體的適用性也不同。
1. 孕育
物理對(duì)象的研發(fā)與制造是數(shù)字孿生體的孕育過(guò)程，其本質(zhì)是通過(guò)前置數(shù)字體提前優(yōu)化未來(lái)物理對(duì)象，不是終極產(chǎn)品的孿生體，最多是試驗(yàn)對(duì)象的孿生體，是終極產(chǎn)品孿生體的前身或原型。從數(shù)字孿生體的成熟度要素來(lái)看，研發(fā)和制造階段的“數(shù)字孿生體”有完整的數(shù)化和非實(shí)時(shí)先知能力，缺乏互動(dòng)、先覺(jué)能力，具有可以與前代產(chǎn)品的數(shù)字孿生體共智獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力，但無(wú)法在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中與其他數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)共智。前置數(shù)字體往往不能作為未來(lái)運(yùn)維過(guò)程的數(shù)字孿生體，但可以為運(yùn)維數(shù)字孿生體的建立提供指導(dǎo)，也可以為物理世界的傳感器配置提供指導(dǎo)。
2. 服役
供應(yīng)與運(yùn)維過(guò)程中，物理對(duì)象已經(jīng)完全具備，其數(shù)字孿生體也可以完整建造，具備所有要素和特性，并可以實(shí)現(xiàn)交互、先知、先覺(jué)乃至共智，實(shí)現(xiàn)自我進(jìn)化，可以通過(guò)數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)優(yōu)化物理對(duì)象的運(yùn)行。此時(shí)的數(shù)字孿生體是個(gè)全職服役的孿生體，因此，物理對(duì)象的供應(yīng)和運(yùn)維過(guò)程才是數(shù)字孿生體的主戰(zhàn)場(chǎng)。
第十一部分
成熟度
綜上所述，基于數(shù)字孿生體的生命特征和進(jìn)化規(guī)律，我們可以把數(shù)字孿生體的成熟度劃分為：數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺(jué)和共智。
各級(jí)別關(guān)鍵特征、核心技術(shù)和生命特征總結(jié)如下：
級(jí)別
名稱
關(guān)鍵特征
核心技術(shù)
生命特征
1
數(shù)化
在軟件中建立物理世界的結(jié)構(gòu)元素和時(shí)空關(guān)系
建模
軀體
2
互動(dòng)
數(shù)字與物理對(duì)象之間實(shí)時(shí)互傳信息和數(shù)據(jù)
物聯(lián)網(wǎng)
神經(jīng)
3
先知
基于完整信息和明確機(jī)理預(yù)測(cè)未來(lái)
仿真/計(jì)算
左腦
4
先覺(jué)
基于不完整信息和不明確機(jī)理推測(cè)未來(lái)
大數(shù)據(jù)/AI
右腦
5
共智
多個(gè)數(shù)字孿生體之間共享智慧，共同進(jìn)化
云/線程
社會(huì)性
總之，數(shù)字孿生體系的成熟度模型反映了生物進(jìn)化、個(gè)體成長(zhǎng)以及社會(huì)發(fā)展規(guī)律。數(shù)字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實(shí)時(shí)信息，更要反過(guò)來(lái)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)物理世界，而且進(jìn)化為物理世界的先知、先覺(jué)甚至超體，最終形成可以互相共享智慧的數(shù)字孿生體社會(huì)。
第十二部分
關(guān)鍵技術(shù)
根據(jù)數(shù)字孿生體的生命體系結(jié)構(gòu)和成熟度模型，數(shù)字孿生體的第一層關(guān)鍵技術(shù)包括建模、仿真、物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)（及AI）、云計(jì)算，第二層關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字線程、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR/AR/MR）、MBSE、區(qū)塊鏈等。
層級(jí)
技術(shù)
對(duì)數(shù)字孿生體的價(jià)值
首層
建模
創(chuàng)建數(shù)字孿生體、實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的源頭和核心技術(shù)，“數(shù)化”階段的核心技術(shù)
物聯(lián)網(wǎng)
“互動(dòng)”階段的核心技術(shù)：獲得來(lái)自物理世界的數(shù)據(jù)和信息，并控制物理世界
仿真
基于確定原理和完整信息的計(jì)算，使數(shù)字孿生體擁有“先知”能力的使能技術(shù)
大數(shù)據(jù)
基于不確定性原理和不完整信息的預(yù)測(cè)，使數(shù)字孿生體擁有“先覺(jué)”能力的使能技術(shù)
云計(jì)算
數(shù)字孿生體之間進(jìn)行智慧共享的使能技術(shù)，使得數(shù)字孿生體之間可以“共智”
次層
數(shù)字線程
實(shí)現(xiàn)壽命周期中不同階段的數(shù)字孿生體之間數(shù)據(jù)融合與協(xié)同
虛擬現(xiàn)實(shí)
提供人與數(shù)字孿生體深度沉浸的交互方式
MBSE
實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的系統(tǒng)級(jí)建模與分析，設(shè)計(jì)數(shù)字線程的頂層框架
區(qū)塊鏈
是數(shù)字孿生體的價(jià)值保障體系，數(shù)字資產(chǎn)交易和追溯的最佳媒介
除了以上基本關(guān)鍵技術(shù)，不同領(lǐng)域或場(chǎng)景（譬如制造、產(chǎn)業(yè)、城市或戰(zhàn)場(chǎng)）的數(shù)字孿生體，還有不同的技術(shù)。
第十三部分
總 結(jié)
生命體是在“物競(jìng)天擇，適者生存”法則之下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化而來(lái)的系統(tǒng)，在完備性方面往往高于人造系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于人造系統(tǒng)。因此，用生命體作為一個(gè)人造系統(tǒng)的終極發(fā)展目標(biāo)是一個(gè)合理的選擇。
進(jìn)化法則讓所有生物都不會(huì)停留在簡(jiǎn)單體，而是會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，也會(huì)越來(lái)越精密。在數(shù)字化時(shí)代，人們身邊不停出現(xiàn)各種新型數(shù)字化技術(shù)，紛繁復(fù)雜，你方唱罷我登場(chǎng)，讓人迷失在眾多概念和技術(shù)中無(wú)法自拔。數(shù)字孿生體系的出現(xiàn)將終結(jié)這一迷亂困局。其實(shí)，從數(shù)字孿生生命體進(jìn)化角度來(lái)看，這種現(xiàn)象很正常，也很好理解。任何新的或者舊的數(shù)字化技術(shù)都是構(gòu)成數(shù)字孿生體的一個(gè)構(gòu)件，且是階段性的。今后，不論出現(xiàn)何種數(shù)字化單項(xiàng)技術(shù)，都應(yīng)該是數(shù)字孿生體這個(gè)生命體的一個(gè)器官甚至是細(xì)胞。我們需要做的事情是，將這些新出現(xiàn)的單項(xiàng)技術(shù)安放在數(shù)字孿生體生命框架的正確位置，不僅能讓這些技術(shù)更好地為我們服務(wù)，也可解決我們的困惑，讓我們平靜地與這些技術(shù)和諧相處。
當(dāng)然，任何一種單項(xiàng)技術(shù)都會(huì)向著自成體系的方向努力發(fā)展，所以，數(shù)字孿生體所需的通常不會(huì)是某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)體系的全部，應(yīng)該是其核心要素。當(dāng)前，數(shù)字孿生體作為新生事物，或者說(shuō)是新近開始工程化應(yīng)用的事物，對(duì)當(dāng)前構(gòu)成這個(gè)生命體的各個(gè)器官的整合方式肯定是設(shè)備級(jí)的集成。但隨著我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，這些器官的融合肯定會(huì)走向原子級(jí)別，只取用這些器官中對(duì)數(shù)字孿生體有用的部分而舍棄其他部分。這些有用部分之間的結(jié)合不會(huì)像現(xiàn)在這樣通過(guò)宏觀接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)微觀茸毛來(lái)融合，使得數(shù)字孿生體的整體性和生命力都要更強(qiáng)！作者介紹
田鋒，安世亞太公司高級(jí)副總裁，國(guó)家工業(yè)軟件與先進(jìn)設(shè)計(jì)研究院常務(wù)副院長(zhǎng)，北京市綜合仿真實(shí)驗(yàn)室主任，數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室主任。
作者擁有二十多年研發(fā)、技術(shù)、管理與咨詢經(jīng)歷，為近百家企業(yè)提供研發(fā)體系規(guī)劃、建設(shè)和研發(fā)信息化咨詢，是中國(guó)航空三大主機(jī)所、船舶工業(yè)某研究院、中國(guó)中車等企業(yè)的精益研發(fā)、知識(shí)工程、仿真體系建設(shè)項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師，著有工業(yè)與智能制造熱門圖書《精益研發(fā)2.0》、《知識(shí)工程2.0》、《制造業(yè)知識(shí)工程》和《
苦旅尋真》(點(diǎn)擊紅色文字了解本書詳情)。
數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書（2019）
下載
1）關(guān)注：數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室公眾號(hào)
(DigiTwinLab)
