數字孿生——起源的故事

導 讀( 文/ 中國科學院瀋陽自動化研究所 彭慧 研究員 )

重磅系列文章《數字孿生——一半是火焰，一半是海水》第一篇之「起源的故事」。

概要：本系列評述性文章記錄了作者近期關於數字孿生的思考結果。首先回顧並評述了數據孿生概念的起源，其次回顧並評述了各大工業軟體巨頭是如何定義和使用數字孿生的，然後從「數字世界」基本的工作原理角度重新審視了數字孿生，在前述工作的基礎上給出了個人關於數字孿生的觀點，並對想進入該領域的後來者給出了本人的忠告。本系列文章的寫作，得到了e-works主編黃培博士的鼓勵，並給出了寶貴的意見，在此表示衷心的感謝！

本篇文章是該系列評述性文章的第一篇。

01

數字孿生之火熱

十多年前，當Michael Grieves教授提出了物理產品的虛擬數位化映射的思想，也就是當下火熱的「數字孿生」（Digital Twin）概念的起源時候，並沒有得到行業內的積極響應。

但Michael Grieves卻沒有想到，在十餘年後，數字孿生得到了各行各業各方人士的熱情追捧。在製造業，做產品設計的在使用數字孿生，做產品生命周期管理（PLM）的在使用數字孿生，做製造過程管理的在使用數字孿生，做產品售後服務的在使用數字孿生，做設備故障診斷的在使用數字孿生，甚至搞自動化、工業控制、機器人的也在使用數字孿生……更讓人稱奇的是，數字孿生這一概念，迅速走出製造業，應用到了智慧城市、智慧交通、智慧農業、智慧醫療、智能家居等行業。簡而言之，數字孿生無處不在，數字孿生似乎已成為各行各業實現數位化的靈丹妙藥。

△ 圖源：ANSYS

雖然數字孿生這一概念得到了業界近乎瘋狂的追捧，但令人驚訝的是，數字孿生這一概念在其誕生後近20年的時間裡，在內涵上卻遠遠沒有達成一致。隨著數位化浪潮的不斷推進，人們賦予數字孿生的內涵，差異卻反而不斷擴大，無論是在國內還是在國外。

一個奇特的現象是，到目前為止，在各種場合，行業內的專業人士可以告訴你，數字孿生是什麼，但卻沒有人明確告訴你什麼不是數字孿生。比如我們常見的ERP、MES等是數字孿生嗎？還有一個值得關注的事情是，相關人士大談特談數字孿生的神奇妙用，但卻沒有明確數字孿生發揮作用的運作機理是什麼？如果說數字孿生是一項通用的技術，那麼，數字孿生自身特有的技術是什麼？與現有的各種數位化技術的關係是什麼？是否是對已有數位化技術的取代或革命？

另一個事實是，專業人士給出的數字孿生的案例或應用場景，絕大多數（很可能是全部）採用的都是已有的數位化技術，似乎沒有數字孿生，也不影響其實用效果。那麼數字孿生的價值何在？

數字孿生，已成為人們追求的時尚標籤，商家獲利的工具。數字孿生成為了人見人愛，人人可娶，人人可欺的美麗少女。

那麼，數字孿生究竟是什麼？是一種技術？還是一種思想，方法，或應用模式？這值得我們深入探討。為什麼從概念提出時的冷遇，到當下火熱追捧，中間經過了漫長的十餘年時間？需要我們認真總結！

非常有意思的是，業內就連火熱的數字孿生這一概念的起源，也存在著一定的爭議。本系列文章，就從探討數字孿生的起源，開啟痛苦的思考之旅。方法是通過回顧歷史事實，由讀者自行得出結論。

02

Michael Grieves的

數字孿生故事

2002年Michael Grieves在密西根大學為PLM（產品生命周期管理）中心成立而向工業界發表演講而製作的幻燈片中，首次提出了PLM概念模型，模型中出現了現實空間，虛擬空間，從現實空間到虛擬空間的數據流，從虛擬空間到現實空間的信息流，以及虛擬子空間的表述，見下圖。

按Michael Grieves自己後來的說法，這已經具備了數字孿生的所有要素。該模型在隨後的PLM課程中，被稱之為鏡像空間模型（Mirrored Spaces Model），而在其2006年發表的著作——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在其發表的著作——Virtually Perfect：Driving Innovative and Lean Products through Product LifecycleManagement中，PLM概念模型仍然被稱之為信息鏡像模型。

無論是在2006年，還是在2011年，Michael Grieves提出的信息鏡像模型，目的是用來解釋PLM如何發揮作用或運行機理的手段之一，闡述相關內容的篇幅少得可憐，而且沒有給出任何具體的實現技術。

在2014年，MichaelGrieves寫的一份白皮書——Digital Twin: Manufacturing Excellencethrough Virtual Factory Replication 中提到，其在2011年的書中引入了術語「數字孿生「，歸功於與他一起工作的NASA的John Vickers。

而在2016年，Michael Grieves 與 John Vickers合寫的Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behaviorin 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，但也就是在這裡，「數字孿生」這個術語，以引用描述信息鏡像模型的合作者的方式，附屬於該信息鏡像模型。

儘管Michael Grieves在2016年文章中自稱是數字孿生第一人，但行業內對誰先提出Digital Twin這個概念還是存在一些爭議的。事實上，Michael Grieves 2014年發表的白皮書，以及2011年出版書的時間落後於NASA的技術路線圖的發表時間（2010年）。其中的緣由，恐怕只有當事的兩人能說清楚。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。

還是在2016年的這篇文章中，他與John Vickers提出了數字孿生的類型——Digital TwinPrototype (DTP) 、 數字孿生的實例——Digital Twin Instance (DTI)、數字孿生的集合——Digital Twin Aggregate (DTA)、數字孿生的環境——DigitalTwin Environment (DTE)等概念。個人認為，這基本上是面向對象方法的一個簡單應用。同時將數字孿生可以解決的問題進行了分類：第一類是predicted desirable (PD)，預計得到的期望結果；第二類是predictedundesirable (PU)，預計得到的非期望結果；第三類是unpredicted desirable(UD)，未預料到的期望結果；第四類是unpredicted undesirable (UU)，未預料到的非期望結果。這種劃分，非常完美且優雅，基本上覆蓋了數字孿生的作用範圍。

03

NASA的數字孿生的故事

如果從文獻資料上看，直到2010 年, NASA（美國國家航空航天局）才在其太空技術路線圖（Modelling SimulationInformation Technology & Processing Roadmap ：TechnologyArea 11）中首次引入了數字孿生的表述。

為了更好地理解NASA的數字孿生，需要了解一下其提出的背景。讓我們先來回顧一段Apollo 13登月飛行中發生的一段的歷史故事。

50年前的4月14日，Apollo 13號宇宙飛船已經遠離了地球210,000英裡。飛往月球的3名太空人突然被「嘣-哧哧-咣咣咣「的聲音所震驚，一名太空人看到了殼體的彎曲。幾秒種後，駕駛艙被警告燈照亮，太空人耳邊響起了刺耳的報警聲。事後查明，是Apollo 13生活艙中的一個氧氣罐發生了爆炸，爆炸嚴重地損壞了主推進器，同時對太空人們生命價值非凡的氧氣，被洩露到了太空之中。時間每經過一分鐘，受損的太空飛船就會飛離地球400英裡。這種狀況是人類歷史上的首次。如何讓三名太空人安全回家，成為了數千名NASA地面支持人員在之後3天半時間裡夜以繼日工作的唯一目標！

三名太空人通過打開、關閉不同的系統來判定哪些系統還在正常工作，哪些系統已經受損不能工作。任務控制中心綜合各方面的信息，快速而準確地診斷出問題所在。在生活艙中的氧氣供應完全失效前，將太空人們轉移到了登月艙中。太空人們暫時安全了，但他們如何回家呢？這是一個巨大的挑戰。

NASA做到了，成功地將宇航史上很可能的發生的最大災難，轉化為一個巨大的令人興奮的成功。

做到這一切的一個關鍵是，在NASA的身後，有一套完整的、高水準的地面仿真系統，用於培訓太空人和任務控制人員所用到的全部任務操作，包括了多種故障場景的處理。其中一些故障場景處理，在Apollo 11與 Apollo 13的任務完成過程中，證明了其價值所在。這些功能各式各樣的模擬器由聯網的多臺計算機控制，其中十臺模擬器被聯網用以模擬單獨的大問題。指令艙模擬器用了四臺計算機，登月艙模擬器用了三臺計算機。這些計算機使用了256K字節的公共內存進行通訊。

模擬器是整個太空計劃中技術最複雜的部分內容，在模擬培訓中，唯一真實的東西是乘員、座艙和任務控制臺，其他所有的一切，都是由一堆計算機、許多的公式以及經驗豐富的技術人員創造出來的。

△ 在圖中，前部的是登月艙模擬器，後部的是指令艙模擬器 圖片來自NASA

任務控制人員和太空人們，在綜合考慮到飛船的受損、可用的電力、剩餘的氧氣、飲用水等因數的情況後，制定了一個大膽的、前所未有的返回地球的計劃，其要點如下：重啟指令艙將其改變為手動操作模式（節省寶貴的動力）、使用登月艙作為救生艇（服務艙受損無動力）、途中進行三次發動機點火變軌（進入自由返回軌道）、手動導航操控飛船（導航計算機省電關閉，節省寶貴的動力）。

問題是，這種回家模式，遠遠超出飛船設計的邊界，從來沒有人實踐過，是否可行，任務控制人員與乘員心裡都有一個大大的問號！一旦發生任何錯誤，由於動力、氧氣有限的緣故，太空人們就沒有任何回家的機會了。沮喪的指令長Jim Lovell說，「Why the hell are we maneuveringlike this, are we still venting」，大意是「我們為什麼要這麼幹？我們是在發洩什麼嗎？」

地面的任務控制中心將模擬器進行調整以適配到不同尋常的Apollo 13當前的配置狀態，按質量、重心、推力等參數為這艘新飛船的主機進行了重新編程。與登月艙製造廠商協同工作，確定了一個新的著陸過程。然後，安排後備太空人在模擬器上進行操作演練，演練證明了方案的可行性，這極大地增加了任務控制人員與太空人們的信心。剩下的工作就是太空人們按演練形成的操作指令清單，百分之一百地執行就可以了。最終，他們做到了，安全回家了。

是NASA成功了？當然是！但更應該歸功於模擬器。這些模擬器或者叫做仿真器，才是真正的英雄。這些模擬器難道不是現在火熱的數字孿生一個實實在在的案例？準確地說，應該是數字孿生和物理孿生的結合體。所以，西門子工程師Stephen Ferguson說：「Apollo 13: The First Digital Twin」。

事實上，仿真器在Apollo號發射之前也發揮了重要的作用。人們都為Apollo13號太空人與任務控制人員在事故發生後的沉著冷靜所欽佩，但那是相關人員在模擬器上數萬小時訓練的結果。此外，在Apollo 11的模擬訓練中，曾經發現過計算機內存不足報警的缺陷。

現在可以給出NASA的數字孿生定義了，在2010年發布的技術路線圖Area 11的Simulation-Based Systems Engineering部分是這樣定義的：

「一個數字孿生，是一種集成化的多種物理量、多種空間尺度的運載工具或系統的仿真，該仿真使用了當前最為有效的物理模型、傳感器數據的更新、飛行的歷史等等，來鏡像出其對應的飛行當中孿生對象的生存狀態。」

NASA定義數字孿生的定義，有如下幾個特點：

2010年NASA提出數字孿生概念，有明確的工程背景，即服務於自身未來宇航任務的需要。NASA認為基於Apollo時代積累起來的太空飛行器設計、製造、飛行管理與支持等方式方法（相似性、統計模式的失效分析和原型驗證等），無論在技術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、更極端的環境和更多未知因數）的需要，需要找到一種全新的工作模式，稱之為數字孿生。

在其技術路線圖Area 12中，列舉出來材料、結構、機構等多方面的技術探索內容，其中的一個重要內容就是對應任務的各種仿真，這些仿真應用要能夠對運載工具全生命周期提供支持。而將這些仿真集成到一起，再加上實時狀態數據、歷史維護數據，以及機載健康管理(IVHM)等，就是其數字孿生的內涵，一種NASA追求的全新的工作模式。下面這張圖給出了要集成的內容：

NASA數字孿生的用途如下：第一，發射前飛船未來任務清單的演練。可以用來研究各種任務參數下的結果，確定各種異常的後果，減輕故障、失效、損害的策略效果的驗證。此外，還可以確定發射任務最大概率成功的任務參數。第二，鏡像飛行孿生的實際飛行過程。在此基礎上，監控並預測飛行孿生的狀體。第三，完成可能的災難性故障或損害事件的現場取證工作。第四，用作任務參數修改後結果的研究平臺。

NASA的數字孿生基於其之前的宇航任務實踐經驗，極其看重仿真的作用。NASA要完成的宇航任務，涉及天上、地下、材料、結構、機構、推進器、通訊、導航等眾多專業，是一個極其複雜的系統工程，所以，NASA更強調上述內容的集成化的仿真，從某種意義上，是其系統工程方法的落腳點。換個看問題的角度來講，NASA的數字孿生，就等同於其基於仿真的系統工程。

NASA在實踐中，首先認識到了物理孿生的重要性。隨著計算機、網絡技術的高速發展，特別是軟體技術與仿真技術的高度發展，使得各種物理孿生對象，從功能上行為上完全可以用計算機系統進行模擬替代，在此基礎上，提出數字孿生的理念，就成為水到渠成的事了。

到此，您是否還會糾結於將數字孿生第一人的稱號歸於誰呢？是Michael Grieves？還是NASA？在您得出結論之前，我們再看一個發生在離我們更近距離的故事。

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平行系統與數字孿生的故事

2004年，中國科學院自動化研究所的王飛躍研究員發表了《平行系統方法與複雜系統的管理和控制》的文章，首次提出了平行系統的概念。平行系統（Parallel Systems）是指由某一個自然的現實系統和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統所組成的共同系統。它包括實際系統和人工系統兩部分。簡單來講，人工系統是對實際系統的軟體化定義，不僅是實際系統的數位化「仿真」，也為實際系統運行提供可替代版本。

平行系統的主要目的是：通過實際系統與人工系統的相互連接，對二者之間的行為進行實時的動態對比與分析，以虛實互動的方式，完成對各自未來的狀況的「借鑑」和「預估」，人工引導實際，實際逼近人工，達到有效解決方案的以及學習和培訓的目的。

如果將實際系統理解為物理世界中的對象，人工系統理解為虛擬世界中的對象，兩者之間存在信息交互，以達成某種目標或實現某種功能，應該不難得出平行系統中的人工系統就是物理系統的數字孿生這樣的結論。需要強調的是，王飛躍是將平行系統（數字孿生）作為解決複雜系統問題的方法論而提出來的。

05

結束語

如果我們把Michael Grieves稱為數字孿生第一人，基於同樣的理由，那麼是不是也可以把王飛躍稱為數字孿生第一人？他們二位是不是都是未首先使用數字孿生這一表述而提出數字孿生思想的第一人？

在科學技術發展史上這種故事並不少見！提出了思想，而又沒有用一個簡潔、易於理解、涵義豐富的概念來表述，造成遺憾終身，也只能怪自己運氣不好罷了！

如果您願意，或許還可以找到比它們二位更早地提出數字孿生想法的人士，因為，從理論上講，自第一臺電子計算機誕生之日起，就存在著無數誕生數字孿生的機會（原因見本系列文章的第三篇）。

NASA在上世紀60年代開始的極具顯示度的登月工程中成功踐行了數字孿生思想，順其自然地提出了數字孿生這一概念，所以將NASA作為數字孿生第一人，似乎更有說服力！

下一篇文章，將回顧各大工業軟體巨頭的數字孿生。

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