數(shù)字孿生：企業(yè)數(shù)字化未來之門

劉震

隨著新一代信息技術(shù)與實體經(jīng)濟(jì)深度融合進(jìn)程的加快，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求的提升，政策的持續(xù)支持，數(shù)字孿生為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。

隨著人類進(jìn)入信息化、數(shù)字化時代，人們對虛擬數(shù)字世界的好奇和探索從未停止，電影《黑客帝國》是此類題材的代表性作品。今天，數(shù)字孿生已開始助力人類生產(chǎn)力的變革和升級，改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活方式。

數(shù)字孿生的發(fā)展形勢和機(jī)遇

中國是制造業(yè)大國，產(chǎn)業(yè)的數(shù)字升級正在推進(jìn)，數(shù)字孿生的應(yīng)用有廣闊的空間，加之政策支持，數(shù)字孿生在中國迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇期。

習(xí)近平總書記在致2019中國國際數(shù)字經(jīng)濟(jì)博覽會的賀信中指出：中國高度重視發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，在創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念指引下，中國正積極推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，引導(dǎo)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實體經(jīng)濟(jì)深度融合，推動經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

2020年4月，國家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動 培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實施方案》，方案中將數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等并列，并專辟章節(jié)談“開展數(shù)字孿生創(chuàng)新計劃”，要求“引導(dǎo)各方參與提出數(shù)字孿生的解決方案”;同月，工信部在發(fā)布的《智能船舶標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》（征求意見稿）中，也明確將建設(shè)“數(shù)字孿生（體）”納入關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用。

2020年8月，國資委下發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》，要求國有企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作中，加快推進(jìn)數(shù)字孿生、北斗通信等技術(shù)的應(yīng)用。

業(yè)界對數(shù)字孿生的關(guān)注也熱度不減。全球IT研究與顧問咨詢公司Gartner在近年來的重要戰(zhàn)略科技趨勢報告中，多次關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用場景。今年10月發(fā)布的2021年重要戰(zhàn)略技術(shù)趨勢報告中提及的行為互聯(lián)網(wǎng)（Internet of Behaviors）、組裝式智能企業(yè)（Intelligent Composable Business）及超級自動化（Hyperautomation）等新科技趨勢，這些技術(shù)的發(fā)展也均需數(shù)字孿生技術(shù)體系的支持?？梢姅?shù)字孿生已經(jīng)滲透到未來技術(shù)應(yīng)用的方方面面。

數(shù)字孿生的概念演進(jìn)

“數(shù)字孿生”最早的概念模型由邁克爾·格里弗斯博士于2002年10月在美國制造工程協(xié)會管理論壇上提出。2009年，美國空軍相關(guān)實驗室第一次提出“機(jī)身數(shù)字孿生（Airframe Digital Twin）”概念。2010年，美國國家航空航天局（NASA）在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》兩份技術(shù)路線圖中開始直接使用“數(shù)字孿生（Digital Twin）”這一名稱。近年來，學(xué)術(shù)和企業(yè)界對數(shù)字孿生的研究熱度不減，愈發(fā)深入，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 23247（待發(fā)布）對數(shù)字孿生制造進(jìn)行明確定義，界定了生產(chǎn)場景下的數(shù)字孿生?？v觀數(shù)字孿生的發(fā)展歷程，伴隨著相關(guān)技術(shù)的迭代，數(shù)字孿生的內(nèi)涵也不斷豐富：從簡單的對一個產(chǎn)品、一臺設(shè)備、一條生產(chǎn)線等的數(shù)字孿生演進(jìn)到更為復(fù)雜的對一個企業(yè)組織、一座城市的數(shù)字孿生，英國和德國甚至提出“數(shù)字國家”這種更為宏觀的概念。

目前，學(xué)界和工業(yè)界對數(shù)字孿生概念的表述雖有差異，但正趨于達(dá)成共識：數(shù)字孿生是以特定目的為導(dǎo)向?qū)ξ锢硎澜绗F(xiàn)實對象的數(shù)字化表達(dá)。這一對象不僅包括產(chǎn)品、設(shè)備、建筑物等“實物”，也包括企業(yè)組織、城市等“實體”。通過對物理對象構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)物理對象和數(shù)字孿生模型的雙向映射。

對于不同現(xiàn)實對象，其數(shù)字孿生模型構(gòu)建的側(cè)重點和用途不盡相同;對于企業(yè)組織、城市等實體數(shù)字孿生，則更強(qiáng)調(diào)對廣域數(shù)據(jù)的聚合融通，著力于通過模擬仿真來優(yōu)化全局決策、加強(qiáng)協(xié)同，這一用途也越來越得到企業(yè)管理者和政府的重視。

數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字孿生的技術(shù)實現(xiàn)依賴于諸多新技術(shù)的發(fā)展和高度集成以及跨學(xué)科知識的綜合應(yīng)用，不僅是一個復(fù)雜的、協(xié)同的系統(tǒng)工程，涉及的關(guān)鍵技術(shù)方法還包括建模、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、模擬仿真等。舉例而言，如果把數(shù)字孿生的構(gòu)建比作“數(shù)字人”的創(chuàng)造，則其核心的建模過程相當(dāng)于骨架的搭建過程;采集數(shù)據(jù)、開展數(shù)據(jù)治理和大數(shù)據(jù)分析，相當(dāng)于生成人的肌肉組織;而數(shù)據(jù)在物理世界和賽博空間之間的雙向流動正如人體的血液，所提供的動能使數(shù)字機(jī)體不斷成長，對物理世界對象的映射更趨精準(zhǔn);模擬仿真使“數(shù)字人”具備智慧，從而使通過賽博空間高效率、低成本優(yōu)化物理實體成為可能。

1.數(shù)字孿生建模技術(shù)經(jīng)歷了從實物的“組件組裝”式建模到復(fù)雜實體的多維深度融合建模的發(fā)展。

建模是數(shù)字孿生落地應(yīng)用的引擎。以前，數(shù)字孿生建模一般是通過將不同領(lǐng)域的獨立模型“組裝”成更大的模型來實現(xiàn)。產(chǎn)品、設(shè)備等實物通過“組裝”建?？梢赃_(dá)到較好的效果，但復(fù)雜實體的建模往往是跨領(lǐng)域、跨類型、跨尺度，涉及多個維度，通過單一維度的“組件組裝”，建模效果欠佳。

多維深度融合建模技術(shù)的逐漸成熟，支撐更復(fù)雜的實體組織或智慧城市的孿生模型構(gòu)建。多維度建模技術(shù)的引入，通過融合不同粒度的屬性、行為、特征等“多空間尺度”，以及刻畫物理對象隨時間推進(jìn)的演化過程、實時動態(tài)運(yùn)行過程、外部環(huán)境與干擾影響等“多時間尺度”模型，使數(shù)字孿生模型能夠同時反映建模對象在微觀和宏觀層面上的特征。

2.深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等新興機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展使得大數(shù)據(jù)分析能力顯著提升，這種分析能力是構(gòu)建面向?qū)嶓w的復(fù)雜數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)支撐。

當(dāng)前，企業(yè)內(nèi)部各部門數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑不一、數(shù)據(jù)的自采率和實時性不高等問題普遍存在，制約了企業(yè)數(shù)字孿生刻畫的準(zhǔn)確度。隨著深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等新興機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的引入，實現(xiàn)多維異構(gòu)數(shù)據(jù)的深度特征提取，大大提高了數(shù)據(jù)分析效率，使得構(gòu)建面向企業(yè)的復(fù)雜數(shù)字孿生體成為可能。

3.模擬仿真技術(shù)從早期的有限元分析對物理場的仿真，發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)模型對復(fù)雜實體組織的仿真。

有限元分析主要關(guān)注某個專業(yè)領(lǐng)域，比如實物的應(yīng)力或疲勞等，但物理現(xiàn)象往往都不是單獨存在的，例如只要運(yùn)動就會產(chǎn)生熱，而熱反過來又影響一些材料屬性。這種物理系統(tǒng)的耦合就是多物理場，分析復(fù)雜度要比單獨分析一個物理場大得多。而由于實體組織更加復(fù)雜，除了傳統(tǒng)的物理特性外，還涉及復(fù)雜的業(yè)務(wù)因素，如工業(yè)制造企業(yè)需要面向人、機(jī)、料、法、環(huán)、財?shù)榷鄠€要素，且須考慮多要素間的復(fù)雜關(guān)系，需要依靠分布式仿真、交互式仿真、智能Agent等網(wǎng)絡(luò)模型不斷進(jìn)行迭代發(fā)展。

數(shù)字孿生的應(yīng)用

構(gòu)建數(shù)字孿生模型不是目的，而是手段，人們寄希望于通過對數(shù)字孿生模型的分析，來改善其對應(yīng)的現(xiàn)實對象的性能和運(yùn)行效率。

1.實物的數(shù)字孿生可以提升工業(yè)產(chǎn)品在研發(fā)、運(yùn)維等全生命周期內(nèi)的效益。

實物數(shù)字孿生應(yīng)用的價值是通過虛實融合、虛實映射，持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品的性能，提高產(chǎn)品運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品運(yùn)行的“健康度”，從而提升產(chǎn)品在市場上的競爭力。同時，通過對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等各方面的改進(jìn)，降低產(chǎn)品成本，幫助企業(yè)提高盈利能力。例如美國通用公司在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Predix上利用實物的數(shù)字孿生技術(shù)，對飛機(jī)發(fā)動機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控、故障檢測和預(yù)測性維護(hù);在產(chǎn)品報廢回收再利用的生命周期中，可以根據(jù)產(chǎn)品的使用履歷、維修物料清單和更換備品備件的記錄，結(jié)合數(shù)字孿生模型的仿真結(jié)果，判斷零件的健康狀態(tài)。

2.以企業(yè)組織實體為對象的數(shù)字孿生能大幅提升企業(yè)整體的數(shù)字化、智能化經(jīng)營水平，實現(xiàn)降本增效。

很多企業(yè)在信息化建設(shè)過程中所使用的ERP、CRM、MES、FMS等條塊化的信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)上彼此獨立，事實上形成了企業(yè)內(nèi)部大量的“數(shù)據(jù)孤島”，管理層很難及時了解企業(yè)經(jīng)營的全貌。現(xiàn)有的企業(yè)管理軟件設(shè)計思路多為模擬企業(yè)的實體業(yè)務(wù)過程及線下操作的動作，如各種單據(jù)、表樣、流程等，而不是建立實體業(yè)務(wù)的數(shù)字化模型。因此產(chǎn)生了大量的冗余數(shù)據(jù)，一致性也較差。通過多維建模，企業(yè)數(shù)字孿生通過建立企業(yè)實體業(yè)務(wù)的多維模型，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實時分析，并基于業(yè)務(wù)動因?qū)崟r預(yù)測業(yè)務(wù)結(jié)果，預(yù)警風(fēng)險并及時調(diào)整，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、建模仿真、分析預(yù)警、決策支持的實時一體化。

3.數(shù)字孿生技術(shù)也正逐步在更廣泛的領(lǐng)域得以應(yīng)用。數(shù)字孿生城市已成為支撐智慧城市建設(shè)的技術(shù)體系，是虛實交融的城市未來的發(fā)展形態(tài)，如新加坡政府主導(dǎo)推動的“虛擬新加坡”項目，通過數(shù)字孿生實現(xiàn)動態(tài)三維城市模型和協(xié)作數(shù)據(jù)平臺。在英國推動的“數(shù)字英國”戰(zhàn)略項目中，信息管理框架成為英國國家級數(shù)字孿生體的核心技術(shù)載體。

“事件網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)推動實體數(shù)字孿生的創(chuàng)新發(fā)展

實體數(shù)字孿生應(yīng)用部署時遇到系統(tǒng)負(fù)荷重、運(yùn)算量大以及孿生體必須跟隨企業(yè)經(jīng)營變化動態(tài)調(diào)整等諸多現(xiàn)實挑戰(zhàn)，影響落地效果。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，傲林科技通過深入分析工業(yè)制造、建筑施工、園區(qū)管理、城市運(yùn)營等典型行業(yè)場景，首創(chuàng)了“事件網(wǎng)絡(luò)（EventNet）”技術(shù)。

事件網(wǎng)絡(luò)模型綜合了傳統(tǒng)Petri Net和基于事件的系統(tǒng)（EBS，Event-Based System）的優(yōu)點，既能描述系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，也能描述事件的因果關(guān)系。事件網(wǎng)絡(luò)模型通過有向圖來反映復(fù)雜的業(yè)務(wù)關(guān)系，圖上的點代表網(wǎng)絡(luò)中不同層次的組件，點與點之間的連線表示組件間的業(yè)務(wù)流動、數(shù)據(jù)流動、資金流動或?qū)嶓w的流動。有向圖反映了企業(yè)已有的知識圖譜，并利用工作流機(jī)制，對圖上的狀態(tài)變化進(jìn)行向前或向后的推演，通過點與連線的擴(kuò)展，構(gòu)建出數(shù)字孿生體的“神經(jīng)系統(tǒng)”。

利用事件網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建實體數(shù)字孿生，能夠反映企業(yè)已有的知識圖譜和內(nèi)在聯(lián)系，讓數(shù)據(jù)分析更加簡明快捷。實體數(shù)字孿生涉及行業(yè)KNOW-HOW與大數(shù)據(jù)分析能力的充分融合，構(gòu)建難度大，而通過事件網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件化封裝，可降低數(shù)字孿生體系構(gòu)建的復(fù)雜度，也能夠以行業(yè)模型為基礎(chǔ)快速構(gòu)建行業(yè)知識圖譜，通過基于歷史數(shù)據(jù)的智能調(diào)參，快速完成業(yè)務(wù)模擬仿真，大大降低運(yùn)算量，提升了分析效率，節(jié)省了企業(yè)對硬件設(shè)備的投入。

在描述事件網(wǎng)絡(luò)時，“點”和“線”代表的實體單元和業(yè)務(wù)關(guān)系是單一的。通過節(jié)點的增減、連線的調(diào)整即可適應(yīng)企業(yè)業(yè)務(wù)、架構(gòu)的變化、經(jīng)營管理者關(guān)注點的變化等，實現(xiàn)數(shù)字孿生與企業(yè)業(yè)務(wù)的快速匹配。

以事件網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，構(gòu)建的企業(yè)數(shù)字孿生已在多個細(xì)分行業(yè)中發(fā)揮作用。以鋼鐵行業(yè)為例，它屬于大型復(fù)雜流程工業(yè)，全流程工序內(nèi)部生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取困難，絕大部分為“黑盒”，而且生產(chǎn)主要呈現(xiàn)為孤島式、局部式、單點式控制，尚未形成全流程的一體化控制與各層面的協(xié)調(diào)優(yōu)化。而鋼鐵行業(yè)又是生產(chǎn)工序內(nèi)部高度相關(guān)的行業(yè)，亟須全流程一體化控制以加強(qiáng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合、輔助經(jīng)營決策。

“事件網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)的運(yùn)用，可以將鋼鐵生產(chǎn)制造裝備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可修改、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像，使鋼鐵全流程“黑盒”透明化，并結(jié)合在生產(chǎn)工序、管理流程等方面的數(shù)據(jù)，構(gòu)建起完整的企業(yè)數(shù)字孿生體，實現(xiàn)在賽博空間修改產(chǎn)線設(shè)備、產(chǎn)品工藝參數(shù)和工序間協(xié)同關(guān)系，通過模型計算獲得優(yōu)化的策略，并通過指令反饋到物理生產(chǎn)線執(zhí)行。同時，企業(yè)數(shù)字孿生還可為新控制功能測試、新產(chǎn)品開發(fā)提供高效、強(qiáng)力的支撐，幫助企業(yè)實現(xiàn)對采購、生產(chǎn)、銷售等各環(huán)節(jié)信號的快速響應(yīng)，企業(yè)資源按需配置，并通過企業(yè)內(nèi)部、產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同來實現(xiàn)整體效益最優(yōu)。

在可以預(yù)見的將來，隨著新一代信息技術(shù)與實體經(jīng)濟(jì)深度融合進(jìn)程的加快，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求的提升，政策的持續(xù)支持，數(shù)字孿生將為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。