在圖中,前部的是登月艙模擬器,后部的是指令艙模擬器(圖片來自NASA)
NASA在其特定的工程實(shí)踐中,首先認(rèn)識到了建設(shè)物理孿生的重要性。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展,特別是軟件技術(shù)與仿真技術(shù)的高度發(fā)展,使得各種物理孿生對象,從功能上、行為上完全可以用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真替代,在此基礎(chǔ)上,提出數(shù)字孿生的理念,就成為水到渠成的事了。
NASA基于其成功的工程實(shí)踐,在之后2010年發(fā)布的Area 11技術(shù)路線圖的Simulation-Based Systems Engineering部分中,首次提出了數(shù)字孿生(Digital Twins)的概念。其定義為:“一個(gè)數(shù)字孿生,是一種集成化了的多種物理量、多種空間尺度的運(yùn)載工具或系統(tǒng)的仿真,該仿真使用了當(dāng)前最為有效的物理模型、傳感器數(shù)據(jù)的更新、飛行的歷史等等,來鏡像出其對應(yīng)的飛行當(dāng)中孿生對象的生存狀態(tài)”。
2010年NASA提出數(shù)字孿生概念,有明確的工程背景,即服務(wù)于自身未來宇航任務(wù)的需要。NASA認(rèn)為基于Apollo時(shí)代積累起來的航天器設(shè)計(jì)、制造、飛行管理與支持等方式方法(相似性、統(tǒng)計(jì)模式的失效的分析、原型驗(yàn)證等),無論在技術(shù)方面還是在成本方面等,均不能滿足未來深空探索(更大的空間尺度、更極端的環(huán)境、更多未知因數(shù))的需要,需要找到一種全新的工作模式,稱之為數(shù)字孿生。
在其Area 12技術(shù)路線圖中,列舉出來材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)等多方面的技術(shù)探索內(nèi)容,其中的一個(gè)重要內(nèi)容就是對應(yīng)任務(wù)的各種各樣的仿真,見下圖這些仿真要能夠?qū)\(yùn)載工具全生命周期提供支持。而將這些仿真集成到一起,再加上實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù),歷史維護(hù)數(shù)據(jù),以及機(jī)載健康管理(IVHM)等,就是其數(shù)字孿生含義,一種NASA追求的全新的工作模式。
NASA數(shù)字孿生的用途如下: 第一,發(fā)射前的飛船未來任務(wù)清單的演練??梢杂脕硌芯扛鞣N任務(wù)參數(shù)下的結(jié)果,確定各種異常的后果,減輕故障、失效、損害的策略效果的驗(yàn)證。此外,還可以確定發(fā)射任務(wù)最大概率成功的任務(wù)參數(shù)。第二,鏡像飛行孿生的實(shí)際飛行過程。在此基礎(chǔ)上,監(jiān)控并預(yù)測飛行孿生的狀體。第三,完成可能的災(zāi)難性故障或損害事件的現(xiàn)場取證工作。第四,用作任務(wù)參數(shù)修改后,結(jié)果的研究平臺。
NASA的數(shù)字孿生,基于其之前的宇航任務(wù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),以及未來的宇航任務(wù)要求,極其重視仿真的作用。NASA要完成的宇航任務(wù),涉及天上、地下、材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、推進(jìn)器、通訊、導(dǎo)航等眾多專業(yè),是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程,所以,NASA更強(qiáng)調(diào)上述內(nèi)容的集成化的仿真,從某種意義上,是其系統(tǒng)工程方法的落腳點(diǎn)。換個(gè)看問題的角度來講,NASA的數(shù)字孿生,就等同于其基于仿真的系統(tǒng)工程。 AFRL更具工程應(yīng)用含義的數(shù)字孿生 2009年,AFRL(美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室)發(fā)起了一個(gè)“機(jī)身數(shù)字孿生”項(xiàng)目,簡稱ADT。該項(xiàng)目綜合了,每架飛機(jī)制造時(shí)的機(jī)身靜態(tài)強(qiáng)度數(shù)據(jù),每架飛機(jī)的飛行歷史數(shù)據(jù),以及日常運(yùn)維數(shù)據(jù),采用仿真的方法,來預(yù)測飛機(jī)機(jī)身的疲勞裂紋,實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命管理,有效地提高了機(jī)身運(yùn)維效率,以及機(jī)身的使用壽命。
該項(xiàng)工作發(fā)表在2011年Tuegel EJ等人撰寫的文章《Reengineering aircraft structural life prediction using a digital twin》中。文獻(xiàn)中指出,該ADT項(xiàng)目發(fā)起于2009年。所以有部分學(xué)者認(rèn)為,是AFRL首先提出了數(shù)字孿生的概念。我個(gè)人的意見是,考慮到文章公開發(fā)表的時(shí)間,以及之前的工程實(shí)踐規(guī)模及帶來的影響力,還是認(rèn)為NASA首先提出了數(shù)字孿生的概念更為科學(xué)。 更具理論色彩的數(shù)字孿生 2002年Michael Grieves在密歇根大學(xué)為PLM(產(chǎn)品生命周期管理)中心成立而向工業(yè)界發(fā)表演講而制作的幻燈片中,首次提出了PLM概念模型,模型中出現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)空間,虛擬空間,從現(xiàn)實(shí)空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流,從虛擬空間到現(xiàn)實(shí)空間的信息流,以及虛擬子空間的表述,見下圖。
按Michael Grieves自己后來的說法,這已經(jīng)具備了數(shù)字孿生的所有要素。該模型在隨后的PLM課程中,被稱之為鏡像空間模型(Mirrored Spaces Model),而在其2006年發(fā)表的著作-Product Lifecycle Management:Driving the Next Generation of Lean Thinking中,被稱之為信息鏡像模型。
2011年,Michael Grieves在其發(fā)表的著作-Virtually Perfect:Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management中,PLM概念模型仍然被稱之為信息鏡像模型。
在2014年,Michael Grieves寫的一份白皮書-Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication 中提到,其在2011年的書中引入了術(shù)語“數(shù)字孿生“,歸功于與他一起工作的NASA的John Vickers。
而在2016年,Michael Grieves 與 John Vickers合寫的Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems 文章中聲稱,2011年的書中仍然使用了信息鏡像模型這一表述,但也就是在這里,“數(shù)字孿生”這個(gè)術(shù)語,以引用描述信息鏡像模型的合作者的方式,附屬于該信息鏡像模型。
盡管Michael Grieves在2016年文章中稱其首先給出了數(shù)字孿生的概念,但行業(yè)內(nèi)對誰先提出這個(gè)概念還是存在一些爭議的。事實(shí)上,Michael Grieves 2014年發(fā)表的白皮書,以及2011年出版書的時(shí)間落后于NASA的技術(shù)路線圖的發(fā)表時(shí)間(2010年)。其中的緣由,恐怕只有當(dāng)事的兩人能說清楚。但這一切,抹殺不掉Michael Grieves在Digital Twin抽象而清晰表述方面,所做出的貢獻(xiàn)。
還是在2016年的這篇文章中,他與John Vickers提出了數(shù)字孿生的類型-Digital Twin Prototype(DTP) 、數(shù)字孿生的實(shí)例-Digital Twin Instance(DTI)、數(shù)字孿生的集合-Digital Twin Aggregate(DTA)、數(shù)字孿生的環(huán)境-Digital Twin Environment(DTE)等概念。同時(shí)將數(shù)字孿生可以解決的問題進(jìn)行了分類:第一類是predicted desirable(PD),預(yù)計(jì)得到的期望的結(jié)果;第二類是predicted undesirable(PU),預(yù)計(jì)得到的非期望的結(jié)果;第三類是unpredicted desirable (UD),未預(yù)料到的期望的結(jié)果;第四類是unpredicted undesirable(UU),未預(yù)料到的非期望的結(jié)果。
雖然將Michael Grieves作為首先提出數(shù)字孿生的研究者,從公開發(fā)表的資料方面看存在爭議,但我們不可否認(rèn)Michael Grieves在數(shù)字孿生的理論方法方面做出的突出貢獻(xiàn),尤其是其歸納總結(jié)出了的現(xiàn)實(shí)空間、虛擬空間、兩個(gè)空間的數(shù)據(jù)或信息的交互,以及映像或鏡像,構(gòu)成了數(shù)字孿生方法論方面的基礎(chǔ)。到目前為止,各種數(shù)字孿生方法論方面的工作,還沒有超出Michael Grieves給出的框架。特別是他對數(shù)字孿生可以解決的現(xiàn)實(shí)問題的劃分,非完美且優(yōu)雅,基本上覆蓋了數(shù)字孿生的作用范圍。
Michael Grieves在數(shù)字孿生方面的理論方面的工作,對數(shù)字孿生的普及應(yīng)用,起到了至關(guān)重要的作用。 Gartner數(shù)字孿生 Gartner在 2017年、2018年連續(xù)將數(shù)字孿生列為十大技術(shù)趨勢之一,對數(shù)字孿生的火熱起到了推波助瀾的作用。其將數(shù)字孿生定義為對象的數(shù)字化表示。進(jìn)而將數(shù)字孿生分為了三類: ◆離散數(shù)字孿生(Discrete digital twins):單個(gè)產(chǎn)品/設(shè)備,人或任務(wù)的虛擬復(fù)制品,用于監(jiān)視和優(yōu)化單個(gè)資產(chǎn)、人和其他物理資源。 ◆復(fù)合數(shù)字孿生(Composite digital twins):用于監(jiān)視和優(yōu)化關(guān)連在一起的離散數(shù)字孿生的組合使用,如轎車和工業(yè)機(jī)器這樣的多部件系統(tǒng)。 ◆組織數(shù)據(jù)孿生(Digital twins of organizations - DTOs):DTOs是復(fù)雜與大型實(shí)體的虛擬模型,由它們組成部分的數(shù)字孿生構(gòu)成。DTOs用于監(jiān)視與優(yōu)化高級業(yè)務(wù)的性能。 Gartner在實(shí)踐中更為重視IOT領(lǐng)域中數(shù)字孿生的應(yīng)用。據(jù)其內(nèi)部的一個(gè)調(diào)查統(tǒng)計(jì),在所有有實(shí)施IOT意愿的企業(yè)中,59%已經(jīng)實(shí)施了或正在實(shí)施的數(shù)字孿生。這個(gè)比例,與Gartner在2017年、2018年新興技術(shù)成熟度曲線中將數(shù)字孿生的定位相比較而言,落地得實(shí)在是快了些,讓人感到一些詫異。
Gartner收購的咨詢公司Software Advice的分析師Gitanjali Maria在一篇公開發(fā)表的博文中,給出了實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的三種方式。 1、采購數(shù)字孿生使能的應(yīng)用 銷售商: GE Digital, Oracle, IBM, SAP, and Bentley Systems 2、客戶自行開發(fā) 數(shù)字孿生使能的技術(shù)供應(yīng)商: Accenture, Atos, IBM, Microsoft, and Mavim 3、基于商業(yè)化的數(shù)字孿生模板 銷售商: ANSYS, SAP, GE Digital, Uptake, and Hitachi
我們不能確定的是,Gitanjali Maria是否能夠代表Gartner的意見。如果是,就可以解釋,Gartner沒有將數(shù)字孿生列入2020年的十大技術(shù)趨勢的原因了。由此可見,Gartner不是神,也有走眼的時(shí)候。 國內(nèi)數(shù)字孿生方面的理論研究工作 在2004年,中國科學(xué)院自動化研究所的王飛躍研究員發(fā)表了《平行系統(tǒng)方法與復(fù)雜系統(tǒng)的管理和控制》的文章。文章中首次提出了平行系統(tǒng)的概念。平行系統(tǒng)(Parallel Systems),是指由某一個(gè)自然的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和對應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)。通過實(shí)際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的相互連接,對二者之間的行為進(jìn)行實(shí)時(shí)的動態(tài)對比與分析,以虛實(shí)互動的方式,完成對各自未來的狀況的“借鑒”和“預(yù)估”,人工引導(dǎo)實(shí)際,實(shí)際逼近人工,達(dá)到有效解決方案的以及學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的目的。我們完全可以將平行系統(tǒng)中的人工系統(tǒng),理解為物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生這樣的結(jié)論。需要強(qiáng)調(diào)的是,王飛躍是將平行系統(tǒng)(數(shù)字孿生)作為解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的方法論而提出來的。
走向智能研究院的趙敏與寧振波在《鑄魂-軟件定義制造》一書中,對數(shù)字孿生有著如下的認(rèn)識和定位:“數(shù)字孿生是在’數(shù)字化一切可以數(shù)字化的事物‘的大背景下,通過軟件定義,在數(shù)字虛體空間所創(chuàng)立的虛擬事物與物理實(shí)體空間的現(xiàn)實(shí)事物形成了在形、態(tài)、質(zhì)地、行為和發(fā)展規(guī)律上都極為相似的虛實(shí)精確映射,讓物理孿生體和數(shù)字孿生體之間具有了多元化的映射關(guān)系,具備了不同的保真度(逼真/抽象等)。個(gè)人認(rèn)為,作者提出的“虛體測試,實(shí)體創(chuàng)新”,是對數(shù)字孿生的作用機(jī)理的最簡潔概括。
南山工業(yè)書院的林雪萍在“知識自動化”微信公號上發(fā)表的《數(shù)字孿生:第四象限的崛起》一文中,使用二維象限工具,完美地詮釋了一個(gè)產(chǎn)品,從設(shè)計(jì),到制造,再到使用與運(yùn)營,全生命周期的數(shù)字孿生的動態(tài)演變過程,依據(jù)象限的不同,生動形象地指出了數(shù)字孿生的重要作用,見下圖。其中的三條信息新通道,正是數(shù)字孿生的不斷豐富、不斷豐滿的發(fā)展過程。我認(rèn)為,還可以將林雪萍給出的二維象限結(jié)構(gòu),發(fā)展為三維螺旋式上升結(jié)構(gòu),表達(dá)出數(shù)字孿生在產(chǎn)品升級換代、不斷提高方面的作用,就更加完美了。