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林詩萬 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，在工業(yè)領域，“數(shù)字孿生”就因應用場景及領域的廣泛性、牽涉技術(shù)的多樣性、實現(xiàn)方式巨大的差異性，給從業(yè)人員帶來了高不可攀、難以實現(xiàn)的刻板印象。

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

本文內(nèi)容整理自美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)同盟-技術(shù)工作組、架構(gòu)任務組和數(shù)字孿生體互操作性任務組聯(lián)席主席林詩萬博士在2021（第十屆）全球自動化和制造主題峰會上的演講。

林詩萬博士在2021GAMS峰會做主題演講

林詩萬博士從生產(chǎn)、運營場景落地的角度出發(fā)，層層剝繭，幫您深入了解“數(shù)字孿生”從概念到技術(shù)應用的所有知識點。

數(shù)字孿生的三大誤區(qū)

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

誤區(qū)1：三維仿真數(shù)據(jù)展示≠數(shù)字孿生！

人們在提到數(shù)字孿生時，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，對生產(chǎn)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行近乎實時的計算，以獲得對生產(chǎn)現(xiàn)場工況的精準的認知，以便做出符合事件的決策，其核心在于數(shù)據(jù)和計算。”

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，這只是一種人機界面的表達方式，沒有數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)和算法的支持，這些展示沒有太大的意義。

當然，如果數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)豐富、算法強大，相應的工業(yè)APP也功能強大，大部分的生產(chǎn)運維操作都能自動解決、不需要人工干預，那么三維仿真展示的必要性也會被弱化。且如果有算法能對設備狀態(tài)進行有效監(jiān)控、報警、記錄和處理，現(xiàn)存的“虛擬巡檢”的作用也就不大了。

當然，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，以物理實體的實際空間參數(shù)，以及空間的拓撲關(guān)系建立可視化模型，特別是與AR結(jié)合，對于設計、設備拆裝和維修操作指導，運動設備作業(yè)事件重播等還將繼續(xù)有獨特的作用。

誤區(qū)2：傳統(tǒng)的模擬仿真模型≠數(shù)字孿生！

模擬仿真是在計算機中建立模型，復現(xiàn)物理系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過調(diào)整模型的輸入和控制參數(shù)進行實驗性計算，用于研究和評估存在的或設計中的系統(tǒng)特征和行為，尋找可行或最優(yōu)的設計，在制造業(yè)應用廣泛。

“但一般來說，實際系統(tǒng)建造的成本高，有些試驗需要很長的時間或危險性大，利用計算機仿真進實驗顯然是一種事半功倍的手段。”

且實際系統(tǒng)一般都很復雜，并受當前技術(shù)的局限，在建立模擬仿真模型的時候，大多需要進行很多簡化。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，可以滿足在設計過程中驗證設計的結(jié)果是否符合一定的設計要求（如安全生產(chǎn)），但計算的精度不容易達到在生產(chǎn)過程監(jiān)管和優(yōu)化的需求。

另外，大多用于設計過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)場實時數(shù)據(jù)連接，從計算性能上也不易支持持續(xù)性的流式計算，難以支撐數(shù)字孿生中對生產(chǎn)運營過程中的管控和優(yōu)化。

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

誤區(qū)3：數(shù)字孿生≠“點金術(shù)”！

“數(shù)字孿生不是點金術(shù)，是持續(xù)改善的機會。”

數(shù)字孿生的有效性取決于：設備或生產(chǎn)過程的復雜度，進行模式判定、狀態(tài)預測或優(yōu)化策略計算的難度，以及用于計算的，從現(xiàn)場采集的傳感數(shù)據(jù)的完備性和準確性。正如人對現(xiàn)實世界的認知有一個持續(xù)學習的過程，數(shù)字孿生對物理世界的把握程度也有一個從粗糙到精細的提升過程。

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)運營環(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)不應改把數(shù)字孿生當作一種點金技術(shù)，不切實際地期望數(shù)字孿生可以一步到位解決高難問題。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)和計算，實現(xiàn)對物理實體的深度認知和智能決策，有效地控制和管理這些物理實體，更好地服務于人類；
• 作為技術(shù)概念，數(shù)字孿生是在計算機中，對物理實體實現(xiàn)映射，屬于計算機工程的問題，也屬于軟件工程的范疇，要對物理實體進行映射，就要對它的狀態(tài)進行模式判定、根因分析、狀態(tài)預測等計算，可以有多種實現(xiàn)方法。

計算是“數(shù)字孿生”的核心

在計算機發(fā)展的初期，我們只有匯編語言，幾乎就是用計算機處理器的機器語言去編程，是一長串的指令，沒有什么結(jié)構(gòu)，費腦費力費時、容易出錯、排查困難，談不上重用復用。

后來出現(xiàn)了高級語言，如Fortran和C語言，引入了邏輯和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并能夠?qū)Υa進行按任務以函數(shù)的方式進行組織，由于函數(shù)作為一個代碼單元可以多處調(diào)用，也就實現(xiàn)了代碼的重用復用。

但是，這些屬于過程編程范式的編程語言，對于大型程序系統(tǒng)需要分解出來的函數(shù)繁多，調(diào)用關(guān)系復雜，設計、開發(fā)和維護的難度會變得非常高，重用復用困難，軟件開發(fā)和維護的成本也因而變得非常高昂。

后來出現(xiàn)的面向?qū)ο蟮木幊谭妒剑∣bject-Oriented Programming - OOP），如最早的Smalltalk，后來廣泛使用的C++和Java，引入了對象的概念。以對象的形式與現(xiàn)實生活的“物體”或“邏輯體”相對應，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)封裝在對象體中。

這種方式使得軟件的設計，更符合人在現(xiàn)實生活中的思維方式，不僅使得設計變得更結(jié)構(gòu)化，同時也增強了軟件的重用復用性和可維護性，提高了軟件質(zhì)量，降低了軟件開發(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)字孿生的設計所借鑒和引用。數(shù)字孿生的設計可以把面向?qū)ο缶幊谭妒酵茝V到了物理世界的實體，在軟件中以對象的方式表征物理實體，對每一個物理實體建立相應的軟件對象。

在數(shù)字孿生中以數(shù)據(jù)表征物理實體的屬性及狀態(tài)，以算法模型模擬其行為。除此以外，對象化的設計方式，可以支持利用單元對象，以搭積木的方式構(gòu)建越來越復雜的系統(tǒng)，從組件數(shù)孿體開始，構(gòu)建設備、機組、產(chǎn)線、車間，以至整個工廠的數(shù)字孿生體，成為整個工廠的數(shù)字表征。

以這種方式構(gòu)建數(shù)字孿生，結(jié)構(gòu)性地反映物理實體的屬性、狀態(tài)與行為，屏蔽了現(xiàn)場的復雜性，簡化了數(shù)字化工業(yè)應用的構(gòu)建。

作為一種技術(shù)框架體系

數(shù)字孿生對現(xiàn)實世界中的實體進行映射，對其狀態(tài)進行模式判定、根因分析、狀態(tài)預測等計算———從這個目的來看，一般不宜把數(shù)字孿生作為一個為用戶使用的終端的應用，而是作為數(shù)字化工業(yè)應用的一種支撐性的技術(shù)，甚至可以構(gòu)建為這些應用架構(gòu)中的中間件。

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

在這個基礎上，把這些參數(shù)與從設備采集的數(shù)據(jù)一一對應連接，如果設備的某個運行參數(shù)變化了，在相應數(shù)字孿生體上也幾乎實時地得到反映。這是一個對設備數(shù)據(jù)梳理的過程，也是工業(yè)知識沉淀到軟件的過程。

在此之后，利用算法模型對這些數(shù)據(jù)進行分析計算，對物理實體的行為進行映射。比如，對設備的運行狀態(tài)進行模式判定或預測，是否屬于運行異常、是否符合工藝要求、是否符合能效要求等，如果判定了異常，對異常的根因分析，還有解決的策略，這些會用到機理模型和數(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備的運行特征和行為作為輸入，結(jié)合生產(chǎn)運營管理的業(yè)務邏輯和生產(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；上承工業(yè)APP，輸送對現(xiàn)場狀態(tài)和行為的洞察認知，支撐管控現(xiàn)場的決策。

數(shù)字孿生的特征和作用

在數(shù)字化生產(chǎn)運營的層面，制造業(yè)企業(yè)經(jīng)過二十多年的信息化發(fā)展，在產(chǎn)品和工藝設計過程中采用了各式設計軟件，各種的CAD，在原有的自動化生產(chǎn)的基礎上，實現(xiàn)了業(yè)務管理流程的自動化和信息化。

但是，大部分工業(yè)軟件大多用于管理業(yè)務流程，以及正常狀況下的計劃生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，充分利用生產(chǎn)現(xiàn)場的大量設備數(shù)據(jù)，進一步降低設備的故障率、提高整體設備效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗和物耗、保障生產(chǎn)過程的合規(guī)性等方面，還有大量的工作需要做。

現(xiàn)階段，對于生產(chǎn)異常判定、根因分析以及應對策略，大多還是依賴于操作經(jīng)驗，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)品與工藝設計、還是在生產(chǎn)過程中，如何利用來自于物理世界的數(shù)據(jù)，對實況做出精準的判定、智能化的決策、及時的執(zhí)行，成為企業(yè)的關(guān)注重點。

企業(yè)需要打通生產(chǎn)工序上下游多設備的高效協(xié)同運行，并能將精益管理的原則和方法，融入數(shù)字化生產(chǎn)運營管理中，追求生產(chǎn)過程的標準化、穩(wěn)定性和持續(xù)改善。數(shù)字孿生技術(shù)的誕生，恰好能利用物理實體的數(shù)字化虛擬復制，以計算解決現(xiàn)實問題。

數(shù)字孿生的特征作用有許多（見下圖），OT化和解耦式這兩點值得強調(diào)。

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

以這種方法對各類設備建立數(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用的軟件組件。熟悉設備的設備供應商或熟悉工藝過程的工業(yè)設計院所，也可獨立構(gòu)建和提供某類設備或生產(chǎn)過程的數(shù)字孿生，并可以支持多個場景。

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

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

用好“數(shù)字孿生”：復用、積累是關(guān)鍵

要實現(xiàn)數(shù)字孿生的價值，需要多種技術(shù)和知識的融合，特別是數(shù)字化技術(shù)（IT）和工業(yè)知識（OT）的融合。對于制造業(yè)企業(yè)來講，經(jīng)常遇到IT技術(shù)資源薄弱，OT知識積累單薄的窘境，要單獨利用數(shù)字孿生推進數(shù)字化生產(chǎn)運營管理的障礙重重。

工業(yè)領域想建立有效的數(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)供應商、設備供應商、工業(yè)知識供應者（如工業(yè)研究院所和設計院所等）與作為甲方的企業(yè)一起來建設、改善技術(shù)和系統(tǒng)。

在這個過程中，在行業(yè)生態(tài)推進數(shù)字孿生的重用復用尤為重要?？梢栽O想，在每一個企業(yè)的場景，利用軟件對設備和生產(chǎn)過程特征狀態(tài)和行為進行深度、精準的表征映射，單獨構(gòu)建的門檻高、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)字化應用系統(tǒng)，還是沿用了傳統(tǒng)的軟件項目型實施管理機制，屬于一次性的項目實施，解決方案供應商中標實施交付后，保用一年之后一般沒有后續(xù)維護或更新的考慮或機會。下次推倒重來，這樣難以積累和提升。

企業(yè)需要與解決方案供應商維持長久的合作關(guān)系，提供相應的投入支持軟件應用的維護和提升，為所建立的數(shù)字化解決方案留長遠一點的生路，避免一錘子買賣。同時，企業(yè)也可以多考慮采用第三方供應商的產(chǎn)品，避免無必要的自建項目，這樣可以借力供應商產(chǎn)品，最大化重用復用積累提升的成果。

如果能夠在行業(yè)內(nèi)建立相應的數(shù)字孿生共享技術(shù)框架和價值交易機制，促進數(shù)字孿生的重用復用，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)字孿生應用的性價比。

從更廣的范圍來說，軟件可以說是用出來的。一件軟件應用，用戶多了，使用的場景多了，解決了的問題多了，它的功能也會變得豐富和強大，穩(wěn)定性也會提高，這是通過重用復用積累的結(jié)果。

這就是為什么第三方的軟件產(chǎn)品一般會比自研的好，這是空間（場景）和時間積累的差異性所導致的，特別是跨空間的重用復用的優(yōu)勢。因此，重用復用并不是僅僅對于軟件供應商有利，對軟件的用戶也是有利的。