最近，某位專家去一家企業(yè)，把數(shù)字孿生講得頭頭是道，企業(yè)的人卻普遍表示沒有聽懂。這種現(xiàn)象并不奇怪：對(duì)學(xué)術(shù)界來說，原理清楚就清楚了；但對(duì)企業(yè)界來說，則需要把創(chuàng)造價(jià)值的邏輯講清楚。講不清楚價(jià)值，就是沒有道理。
數(shù)字孿生的定義有許多種。在工信部發(fā)布的2020版《數(shù)字孿生白皮書》中提到的一種比較典型：數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)手段。我想，人們對(duì)概念的困惑往往源于“見樹木不見森林”：每段話都明白，放在一起就糊涂了。人們會(huì)問：為什么要全生命周期？沒有數(shù)字孿生也可以做仿真、模擬、預(yù)測(cè)啊？
“日光之下無新事”。幾乎所有的概念都會(huì)有歷史的發(fā)展脈絡(luò)。理解復(fù)雜新概念的辦法之一，是從簡(jiǎn)單的老概念開始。然后把場(chǎng)景逐漸深入，直到引出新的概念。下面我們從兩條線索分析數(shù)字孿生的誕生。
理解數(shù)字孿生的線索之一是模型。模型是人們非常熟悉的概念。需要提醒的是：科技界常見的模型有兩種。一種是描述各種自然規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，如牛頓定律、勾股定理、化學(xué)反應(yīng)方程式等。這種模型本質(zhì)是一種知識(shí)，可以幫助人們從對(duì)象的部分信息獲取另外一部分信息：從容易得到的信息推知不易得到的信息、從現(xiàn)在的信息推知未來的信息；從可能發(fā)生的信息推知對(duì)應(yīng)發(fā)生的結(jié)果。最后一種情況就做仿真。仿真的目的往往是對(duì)模型的反向應(yīng)用：從已知或期望的結(jié)果，尋找對(duì)應(yīng)的原因或者手段。另外一種模型則是對(duì)對(duì)象屬性和結(jié)構(gòu)的描述。設(shè)備的3D數(shù)字化模型就是典型。從第一性原理看，這種模型的本質(zhì)優(yōu)勢(shì)，在于既便于人類分析和理解、又便于計(jì)算機(jī)處理，給人機(jī)協(xié)同打開了方便之門。
理解數(shù)字孿生的另外一條線索是控制論。這個(gè)理論是自動(dòng)化的基礎(chǔ)，也是信息化、智能化的基礎(chǔ)。決策是控制論的核心問題之一，而決策的關(guān)鍵是獲取完整、及時(shí)、準(zhǔn)確的信息和知識(shí)。從傳統(tǒng)自動(dòng)化開始，模型就得到了廣泛的應(yīng)用。人們?cè)O(shè)計(jì)控制器時(shí)往往首先需要給控制對(duì)象建模，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并測(cè)試控制器。但自動(dòng)化理論針對(duì)的模型非常簡(jiǎn)單，重點(diǎn)是用線性常微分方程組描述的模型。從某種意義上說，這種局限性與工具條件有關(guān)：控制理論產(chǎn)生之初，控制器往往是由電感、電容、電阻等電子元件搭建而成的。
“數(shù)學(xué)是宇宙的語言，是上帝書寫世界的符號(hào)”。理論上講，計(jì)算機(jī)可以給任何客觀對(duì)象建模。而數(shù)字化時(shí)代為計(jì)算機(jī)參與的決策創(chuàng)造了前所未有的條件。決策所需的信息其實(shí)包括兩個(gè)部分：靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息。以設(shè)備系統(tǒng)為例。設(shè)備的3D 模型、額定功率等屬于靜態(tài)信息，溫度、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)則是動(dòng)態(tài)信息。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人們不僅能用模型獲得系統(tǒng)內(nèi)部的信息，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲得系統(tǒng)之外的信息，真正做到了“知己知彼”。再用第一性原理看，其意義在于打開了智能決策之門。
把設(shè)備的靜態(tài)信息存在計(jì)算機(jī)中、把動(dòng)態(tài)信息傳給計(jì)算機(jī)，同時(shí)計(jì)算機(jī)的控制指令也可以通過網(wǎng)絡(luò)傳給設(shè)備。這樣就構(gòu)成了一個(gè)典型的智能體CPS-Cyber Physical System。這時(shí)，只要有了充分的知識(shí)，就可以進(jìn)行決策。所以，CPS有兩種：一種是借助于人的知識(shí)、人類參與決策，一種則是自動(dòng)決策。
從CPS到數(shù)字孿生，關(guān)鍵之一是要抓住“全生命周期”的概念。
在數(shù)字孿生中，存儲(chǔ)的不僅是當(dāng)前的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，還包含了全生命周期的數(shù)據(jù)，如歷史數(shù)據(jù)。同樣以設(shè)備為例，數(shù)字孿生不僅包含設(shè)備本身的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、制造或安裝過程的數(shù)據(jù)、使用和維護(hù)過程的歷史數(shù)據(jù)。
數(shù)字孿生的建立理念與模型不同：一般的模型是為了特定目的而建立的。這意味著，模型往往并不包含與特定目標(biāo)無關(guān)的屬性。但人們建立數(shù)字孿生的目的往往有很多個(gè)，甚至可能包含不確定、開放性的目標(biāo)。數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)，往往是把生命周期過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)“順便”收集起來，而不像過去那樣丟棄或保存在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的環(huán)節(jié)。這樣，人們需要這些數(shù)據(jù)的時(shí)候，用起來就方便了。
數(shù)字孿生與信息的“端到端集成”有類似之處。傳統(tǒng)的信息集成強(qiáng)調(diào)把數(shù)據(jù)聯(lián)系起來、能夠訪問到。而數(shù)字孿生卻傾向于把某個(gè)對(duì)象生命周期的數(shù)據(jù)集中起來、統(tǒng)一管理。這種做法顯然更加有利于數(shù)據(jù)的管理和復(fù)用。信息集成主要作用是促進(jìn)業(yè)務(wù)的協(xié)同，重點(diǎn)在跨越空間區(qū)域；而數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)則是系統(tǒng)調(diào)試、投運(yùn)、持續(xù)改進(jìn)等，重點(diǎn)是跨越時(shí)間段。
傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等自動(dòng)化理論主要解決相對(duì)正常的問題，CPS等智能化手段往往用來解決相對(duì)異常的問題。這兩類技術(shù)主要用于解決預(yù)料之中的事情，而數(shù)字孿生往往針對(duì)預(yù)料之外的事情。特別需要說明的是：人類在設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、維護(hù)等過程中的錯(cuò)誤或不足，就是典型的意外。
以機(jī)械設(shè)備為例。設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品，在加工、安裝階段可能會(huì)出現(xiàn)各種意外。這時(shí)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)就可以用來分析問題出現(xiàn)的根源，有針對(duì)性地改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工或安裝工藝。設(shè)備的調(diào)試和投運(yùn)階段是數(shù)字孿生最典型的應(yīng)用場(chǎng)景。這兩個(gè)階段是最容易出現(xiàn)意外的。由于數(shù)字孿生的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)都與物理對(duì)象一致，就可以通過仿真的手段去分析各種處置策略的優(yōu)劣。
這種仿真結(jié)果不同于傳統(tǒng)的仿真：傳統(tǒng)的仿真一般用于設(shè)計(jì)優(yōu)化，而這種仿真用于控制或處置策略優(yōu)化。而這里的控制策略優(yōu)化也不同于CPS或各種模型控制：CPS或模型控制的策略往往相對(duì)簡(jiǎn)單、往往有預(yù)案、甚至是可以自動(dòng)執(zhí)行的。數(shù)字孿生的處置策略一般要復(fù)雜得多，也不一定有預(yù)案，可能是人類專家根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況臨時(shí)想出來的。同樣，在生產(chǎn)、維護(hù)等過程中，也可能會(huì)出現(xiàn)各種意外，需要人們調(diào)出數(shù)字孿生的信息加以分析、解決。而上述所有的信息，都可以用于新一代設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，從而提高產(chǎn)品研發(fā)的水平。
編過高可靠度程序的人都知道：編程序不難，調(diào)試很難；編程要規(guī)范，主要是為了便于調(diào)試。因?yàn)檎{(diào)試中遇到的問題，往往是思維的漏洞導(dǎo)致的。如果能減少程序的錯(cuò)誤、縮短調(diào)試時(shí)間，意義將會(huì)非常大。數(shù)字孿生的一個(gè)重要作用，就像幫助軟件工程師調(diào)試程序。
數(shù)字孿生還可以用于生產(chǎn)過程的優(yōu)化。這種優(yōu)化，往往跨越空間、跨越部門、跨越人機(jī)，常常屬于管控融合的范疇。管理問題和知識(shí)的特點(diǎn)之一往往是碎片化的，往往是在長(zhǎng)期的生產(chǎn)過程中才遇到的。人們要解決這些問題時(shí)，或者把相關(guān)知識(shí)數(shù)字化時(shí)，事先很難想清楚需要準(zhǔn)備什么樣的數(shù)據(jù)。而數(shù)字孿生則把能夠準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備好了，從而降低持續(xù)改進(jìn)的工作量、尤其是數(shù)據(jù)整理工作的工作量。所以，數(shù)字孿生的一個(gè)重要作用，仍然是支持持續(xù)優(yōu)化。日本的IVRA模型，高度強(qiáng)調(diào)PDCA持續(xù)改進(jìn)對(duì)智能化的作用。
智能化可能是人機(jī)共同決策、也可能是機(jī)器決策，而數(shù)字孿生的應(yīng)用過程，則往往存在人機(jī)互動(dòng)或協(xié)同決策的過程。而人機(jī)協(xié)同的一個(gè)重要原因，是發(fā)揮人類智慧和靈活性。在設(shè)計(jì)、改進(jìn)過程中，人類智慧就是主導(dǎo)性的。
很多人不理解數(shù)字孿生的價(jià)值。筆者發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)致這種現(xiàn)象的一個(gè)重要原因是我國(guó)多數(shù)企業(yè)長(zhǎng)期依靠國(guó)外的技術(shù)，從而導(dǎo)致理念上的局限性。如前所述：數(shù)字孿生最重要的作用之一，就是提升研發(fā)能力和持續(xù)改進(jìn)能力。而我國(guó)企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)能力弱、持續(xù)改進(jìn)的意識(shí)不強(qiáng)，過度依賴國(guó)外技術(shù)。這就好比，在牛拉車的時(shí)代，人們就很難想象交通燈的重要性。
工業(yè)界有種說法：“引進(jìn)、落后，再引進(jìn)、再落后”。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的一個(gè)重要原因，就是我們的引進(jìn)之后，國(guó)外的技術(shù)又發(fā)展了。換句話說，我們?cè)诔掷m(xù)改進(jìn)的環(huán)節(jié)上出了問題。特別地，高科技往往是持續(xù)改進(jìn)的結(jié)果，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、芯片、光刻機(jī)、碳纖維都是這樣。然而，這些產(chǎn)品中國(guó)都是能生產(chǎn)的，問題是質(zhì)量不如別人。我們被國(guó)外卡脖子的技術(shù)，往往是在持續(xù)改進(jìn)的過程中失敗的。
數(shù)字化時(shí)代的一個(gè)重要作用，是提升企業(yè)的管理能力、研發(fā)能力和持續(xù)改進(jìn)能力。中國(guó)要用數(shù)字化方法建立起這樣的一種能力，未來就不愁技術(shù)落后了。反之，如果我們沒有建立這種能力而國(guó)外建立了這種能力。我們和國(guó)外的競(jìng)爭(zhēng)，就會(huì)像用兩條腿和汽車賽跑，差距只會(huì)越來越大。
昨天，筆者有幸受邀到中國(guó)商飛設(shè)計(jì)研究院座談。發(fā)現(xiàn)這家企業(yè)的年輕人已經(jīng)清醒地意識(shí)到了數(shù)字孿生的作用和持續(xù)改進(jìn)的價(jià)值，讓我非常高興。
作者：郭朝暉(工學(xué)博士，教授級(jí)高工。企業(yè)研發(fā)一線工作20年；優(yōu)也科技信息公司首席科學(xué)家；東北大學(xué)、上海交大等多所院校兼職教授。國(guó)內(nèi)知名智庫、走向智能研究院的發(fā)起人之一。原寶鋼研究院首席研究員)
