四、數(shù)字孿生與智能制造相關(guān)概念的關(guān)系

（1）數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

數(shù)字孿生是閉環(huán)CPS過(guò)程的典型體現(xiàn)，具有“虛實(shí)同步、以實(shí)融虛、以虛控時(shí)”特點(diǎn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)／工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源狀態(tài)及控制的泛在化基礎(chǔ)設(shè)施能力是支持?jǐn)?shù)字孿生得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，同時(shí)數(shù)字孿生也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)貫通軟硬環(huán)節(jié)的有效支撐。數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，尤其是實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，就與當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生了密切的關(guān)系。即使在沒(méi)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之前，我們對(duì)于物理實(shí)體也總是想辦法通過(guò)各種傳感器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，只是比較繁瑣，可能實(shí)時(shí)性也不夠，更別說(shuō)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體指令驅(qū)動(dòng)下干預(yù)運(yùn)行的功能。因此對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，從基礎(chǔ)設(shè)施的角度，應(yīng)該盡量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，否則的話(huà)也只是一種理念，看起來(lái)也很美好，其實(shí)很難做。當(dāng)國(guó)內(nèi)沉浸于智能制造和工業(yè)4．0的宏大理念的時(shí)候，其實(shí)不管是德國(guó)還是美國(guó)，都在發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，比如德國(guó)為資產(chǎn)設(shè)備所施加的管理殼，或者提出的與實(shí)體相對(duì)應(yīng)的代理AGENT，個(gè)人認(rèn)為這才是應(yīng)該我們認(rèn)真注意的，否則又是在建空中樓閣，或者寄希望于單打獨(dú)斗的建平臺(tái)對(duì)抗國(guó)外的整個(gè)體系。

（2）數(shù)字孿生與建模仿真的關(guān)系

數(shù)字孿生的目標(biāo)建立實(shí)現(xiàn)與物理實(shí)體安全相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)采集和干預(yù)控制，強(qiáng)調(diào)的是閉環(huán)控制關(guān)系，但這個(gè)過(guò)程在實(shí)際中沒(méi)有必要完全具備或其實(shí)也不能夠一蹴而就。數(shù)字孿生的發(fā)展是隨著技術(shù)進(jìn)步而演進(jìn)的，從而使得之前的一些想象有了變成現(xiàn)實(shí)的可能。比如我們?cè)诮�模與仿真過(guò)程當(dāng)中，我們需要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和校驗(yàn)，也許以前我們只是對(duì)所建的模型進(jìn)行與實(shí)體相對(duì)應(yīng)的某些特點(diǎn)的教研與驗(yàn)證，那隨著技術(shù)手段的發(fā)展，我們?cè)絹?lái)越可以對(duì)模型對(duì)于實(shí)體的完全映射進(jìn)行探索。我認(rèn)為建模與仿真其實(shí)是對(duì)物理實(shí)體的單向預(yù)測(cè)分析，雖然能夠走到這一步，也已經(jīng)很不容易了，我們大量的CAE軟件就是在做這些事情，但數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的是閉環(huán)關(guān)系，其核心在于對(duì)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)干預(yù)執(zhí)行，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及TSN等實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的閉環(huán)控制也就有了可能。建模仿真的目的是為了評(píng)估，評(píng)估的目的是為了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的目的是為了決策，決策的目的是為了優(yōu)化，優(yōu)化的目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體的糾偏干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的數(shù)字孿生控制，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)前的建模與仿真也需要大踏步的前進(jìn)，從離線(xiàn)走向在線(xiàn)，從軟件為主走向軟硬一體融合。

（3）數(shù)字孿生與工業(yè)軟件或工業(yè)APP的關(guān)系

這兩個(gè)本來(lái)不是一個(gè)維度的東西，數(shù)字孿生是從一個(gè)回路的角度所描述的閉環(huán)系統(tǒng)。但數(shù)字孿生閉環(huán)回路當(dāng)中的決策分析環(huán)節(jié)，即體現(xiàn)為數(shù)字孿生體，一般都是以軟件的形式作為展現(xiàn)載體。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生體也是工業(yè)軟件的一種，但就數(shù)字孿生來(lái)說(shuō)，其本質(zhì)上是擴(kuò)展了工業(yè)軟件的范圍與內(nèi)涵。同時(shí)，數(shù)字孿生體的本質(zhì)是決策，如果只是局限于認(rèn)為三維形式的產(chǎn)品或產(chǎn)線(xiàn)仿真推理分析才是數(shù)字孿生體，其實(shí)也是有失偏頗的。

數(shù)字孿生體其核心功能是基于知識(shí)經(jīng)驗(yàn)沉淀的推理分析，內(nèi)嵌了機(jī)理或者決策模型。比如我們經(jīng)常見(jiàn)到的仿真分析系統(tǒng)，包括較為抽象的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理決策工具，都是常見(jiàn)的數(shù)字孿生體。由于數(shù)字孿生體直指企業(yè)工藝優(yōu)化或者運(yùn)行管理的決策，必須具備深厚的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)以及生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，其技術(shù)復(fù)雜度和開(kāi)發(fā)的難度都是非常高的，我們一般說(shuō)工業(yè)軟件難以開(kāi)發(fā)，更多的味道就在這個(gè)里面。

工業(yè)APP是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)境下提出來(lái)的，通過(guò)建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)形成工業(yè)軟件系統(tǒng)或模塊的互操作機(jī)制。這種語(yǔ)境下的工業(yè)APP其實(shí)并不追求大而全，更多的是像一種插件一樣，通過(guò)類(lèi)似工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所用的各種總線(xiàn)那種概念的業(yè)務(wù)總線(xiàn)／中臺(tái)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)／中臺(tái)的事件驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)服務(wù)的方式，能夠通過(guò)配置即可實(shí)現(xiàn)與其他工業(yè)APP的集成和互操作，從而形成支持業(yè)務(wù)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)。這種工業(yè)APP與傳統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立的工業(yè)軟件是不一樣的，是工業(yè)軟件的一種新型形態(tài)。那種基于傳統(tǒng)的工業(yè)軟件，如MES、ERP等，通過(guò)云化就號(hào)稱(chēng)是工業(yè)APP，其實(shí)還是比較勉強(qiáng)的，也不是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)境下的工業(yè)APP的真實(shí)意思。所謂的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的核心應(yīng)該是在這個(gè)方面，就是形成類(lèi)似工業(yè)操作系統(tǒng)的一個(gè)平臺(tái)，但是這方面現(xiàn)在看來(lái)其實(shí)還有很長(zhǎng)的路要走的。

工業(yè)軟件是產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的軟件物化，是工業(yè)APP所強(qiáng)調(diào)的服務(wù)化特點(diǎn)的源頭支撐。數(shù)字孿生閉環(huán)過(guò)程中的數(shù)字孿生體是工業(yè)軟件的重要體現(xiàn)方式，體現(xiàn)了對(duì)物理對(duì)象的幾何、物理、行為、規(guī)則及約束的多維、不同粒度的多空間、推進(jìn)演化／實(shí)時(shí)過(guò)程／外部干擾的多時(shí)間等尺度的綜合

一般我們說(shuō)某個(gè)企業(yè)能夠在市場(chǎng)上長(zhǎng)期立足更多的其實(shí)是在說(shuō)都企業(yè)有自己的know－h(huán)ow，也就是知識(shí)，而這種知識(shí)更多的是體現(xiàn)在工藝人員的頭腦或者經(jīng)驗(yàn)中，比如我們經(jīng)常提的大國(guó)工匠，其實(shí)更多的說(shuō)的存在他們頭腦中的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。這些知識(shí)經(jīng)驗(yàn)一般都是比較模糊的，想要把它提煉出來(lái)變成一個(gè)軟件形式，其中最核心的就是建模，分析問(wèn)題的內(nèi)涵、表達(dá)問(wèn)題的關(guān)聯(lián)因素及其關(guān)系，描述這個(gè)問(wèn)題的求解推理方式。

應(yīng)該說(shuō)企業(yè)在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中大多并沒(méi)有相關(guān)的工業(yè)軟件，更多的是依靠人，有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)來(lái)開(kāi)展這個(gè)事情，但其實(shí)已經(jīng)做得挺不錯(cuò)了或者有效的支撐了我們制造業(yè)的發(fā)展，解決了很多問(wèn)題或者支撐了企業(yè)的工藝發(fā)展。雖然人具有最大的柔性，但這種局面也說(shuō)明，可能在很大程度上面向?qū)嶋H問(wèn)題的解決，其實(shí)并不是或需要那么精密，或者說(shuō)在精確性上面來(lái)說(shuō)一定要如同計(jì)算機(jī)的精密、精準(zhǔn)的定量計(jì)算那樣。其實(shí)這里面也暴露了一個(gè)最簡(jiǎn)單的道理，就是很多工業(yè)問(wèn)題，可能最好的方式是只需要花20％的精力就能解決80％的問(wèn)題。說(shuō)這個(gè)呢，主要是想表明一下，工藝的建模，也應(yīng)該本著這個(gè)目的，也未必一定要需要等到，好像所有的原理機(jī)理一定要徹底的清楚明白和表征，完全的精準(zhǔn)的，精確的定量，才能夠進(jìn)行和開(kāi)展，這應(yīng)該是解決實(shí)際問(wèn)題的一種可行的思路。這也是數(shù)字孿生發(fā)展的應(yīng)有之義。

而對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，這些有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的，老工人或老師傅應(yīng)該是企業(yè)的寶貴財(cái)富，記得之前有人提過(guò)進(jìn)行智能制造好像就是機(jī)器換人，好吧，如果就算是做了這個(gè)事情，把人換下來(lái)之后來(lái)做啥？這是最關(guān)鍵的，就是要想辦法把這些人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛭锘�地沉淀下�?lái)，雖然自動(dòng)化做到了一部分，但自動(dòng)化所物化或沉淀其實(shí)更多的還是一種簡(jiǎn)單的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的沉淀。

（4）數(shù)字孿生與MBSE／數(shù)字主線(xiàn)的關(guān)系

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是實(shí)現(xiàn)全生命周期集成研發(fā)的核心思想，數(shù)字化孿生體將促進(jìn)建模、仿真與優(yōu)化技術(shù)無(wú)縫集成到產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段，也是面向加工、裝配等DFX技術(shù)發(fā)展的重要使能基礎(chǔ)，是推動(dòng)MBSE核心思想發(fā)展的重要著力點(diǎn)。數(shù)字主線(xiàn)是從過(guò)程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的角度實(shí)現(xiàn)全生命周期集成的重要技術(shù)，從狹義角度而言，為全生命周期各階段業(yè)務(wù)模型的處理提供數(shù)據(jù)銜接傳遞支持，從廣義角度而言，為整個(gè)全生命周期鏈條提供統(tǒng)一的信息模型規(guī)范支持，是數(shù)字孿生體在不同尺度上的數(shù)據(jù)獲取與分析方面的具體體現(xiàn)，是數(shù)字孿生閉環(huán)控制模型的重要支撐。

而對(duì)于數(shù)字主線(xiàn)來(lái)說(shuō)，一般認(rèn)為是面向全生命周期集成的產(chǎn)品模型在各階段演化利用的溝通渠道，一般認(rèn)為數(shù)字主線(xiàn)是依托于貫穿產(chǎn)品全生命周期的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的，而這個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)是可以認(rèn)為是廣義上的CPS的。其實(shí)感覺(jué)這種區(qū)分是對(duì)一個(gè)CPS當(dāng)中分析推理決策模型的內(nèi)部細(xì)分，因?yàn)閿?shù)字孿生體所代表的模型本來(lái)就是一個(gè)廣義的復(fù)雜模型，總體模型內(nèi)部也是可以分成多個(gè)小模型的，彼此之間具有關(guān)聯(lián)（比如生產(chǎn)中的數(shù)字孿生體，這個(gè)模型應(yīng)該是綜合包括產(chǎn)品模型和裝備模型的，這些狀態(tài)融合在一起，才能夠有效的分析推理決策產(chǎn)品的實(shí)時(shí)實(shí)際狀態(tài)的），數(shù)字主線(xiàn)就是將這些小模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行明確和提供支持。因此從全生命周期這個(gè)廣義的角度來(lái)說(shuō)，數(shù)字主線(xiàn)是屬于面向全生命周期的數(shù)字孿生體的。從另外一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)主線(xiàn)所依托的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在面向全生命周期的過(guò)程范疇，也可以視作是一個(gè)CPS閉環(huán)過(guò)程，就是所謂的系統(tǒng)之系統(tǒng)的CPS，其實(shí)從廣義的角度來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)數(shù)字孿生過(guò)程。

五、結(jié)論

數(shù)字孿生，說(shuō)直白一些，其實(shí)也是一種理念、模式或機(jī)制，相對(duì)于CPS似乎更加能夠引起大家的共鳴，這都是可以利用和引導(dǎo)大家發(fā)展的。我們對(duì)數(shù)字孿生的看法，也應(yīng)該抱著一種開(kāi)放的態(tài)度，這不是誰(shuí)家的自留地，也不是單靠某幾家就可以搞出來(lái)的，因?yàn)檫@本就不是一個(gè)具體的東西，只有百花齊放才能夠落地結(jié)果。

另外，因?yàn)槭枪�眾�?hào)性質(zhì)的文章，所以并沒(méi)有過(guò)于刻意的雕琢文字，主要是表達(dá)出自己的一些思考和總結(jié)，模糊之處、疏漏之處，還請(qǐng)諒解。歡迎展開(kāi)建設(shè)性的有益討論。

作者信息：王愛(ài)民，北京理工大學(xué)數(shù)字化制造研究所所長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事MES、APS等技術(shù)研究、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)施應(yīng)用。