數字孿生概念淺析

□ 劉文廣

中車工業研究院有限公司 北京 100070

1 分析背景

數字孿生是一種數字化理念和技術手段,通過在虛擬的數字空間實時構建物理對象的數字化表示,并基于數據治理、整合與分析以形成智能決策,可以有效指導物理對象的優化。近年關于數字孿生的研究方興未艾,在各領域逐漸體現出了巨大的潛力,已成為當前世界各國學術界和工業界關注的熱點。關于數字孿生的基本思想,目前主流觀點是由Michael Grieves博士于2002在密歇根大學為產品生命周期管理中心成立而向工業界發表演講中提出[1]。之后,多家組織對數字孿生的定義進行了研究探討,如美國美國空軍研究實驗室和美國國家航空航天局、德國西門子公司、美國通用電氣公司、美國國際商業機器公司、美國ANSYS公司等。文獻[2]也提出了自己的理解。數字孿生還沒有形成一致的定義,并且現有的數字孿生概念界定還比較寬泛,偏理論化和學術化。為了更好地開展數字孿生的應用,筆者對數字孿生進行概念淺析。

2 數字孿生相關名詞辨析

數字孿生相關名詞主要包括數字孿生、數字鏡像、數字映射、數字雙胞胎、數字孿生體、數字孿生技術、數字孿生體技術等,這些名詞基本上都是由英文digital twin翻譯而來,其中數字孿生和數字孿生體使用較多。另外,英文中有專門的digital twin technology,從內容來看,有digital twin和digital twin technology兩者混用的情況,即把digital twin當作digital twin technology來解讀。國內文獻也常有這種情況,即將數字孿生技術簡稱為數字孿生。

按中文的理解方式,數字孿生體應該僅指與物理對象對應的數字體,數字孿生技術則是利用數字孿生進行優化、決策的綜合技術。為避免邏輯混亂,在本文中數字孿生體僅指與物理對象存在映射關系的數字虛擬體。

3 數字孿生內涵

筆者認為,數字孿生的內涵是統籌。統籌學研究如何在實現整體目標的全過程中施行統籌管理的有關理論、模型、方法和手段。通過對整體目標的分析,選擇適當的模型來描述整體的各部分之間、各部分與整體之間,以及它們與外部之間的關系和相應的評審指標體系,然后綜合成一個整體模型,用以進行分析并求出全局的最優決策,以及與之協調的各部分的目標和決策[3]。華羅庚先生在《統籌方法》一文中就曾經以泡茶為例講解過統籌方法。文中提到要泡茶,當時的情況是開水沒有,水壺要洗,茶壺、茶杯要洗,火已生了,茶葉也有了,怎么辦?為了在最短的時間內喝到茶,就需要統籌全局,提前安排好各項工作的順序。泡茶流程如圖1所示。

▲圖1 泡茶流程

統籌方法的實用范圍極廣泛,華羅庚先生在文中指出,在企業管理和基本建設中,以及關系復雜的科研項目的組織與管理中,都可以應用統籌。關于泡茶的統籌過程,敘述比較簡單,這是因為涉及因素少,很容易就可以想出可能的方案,并且能夠一眼看出哪一種方案好,用人的大腦便可借助統籌方法尋出最優方案。但是對于復雜的事情,僅僅依靠人腦來統籌就不行了。對于工業領域來說,要實現設計高效、制造成本低、運營成本低、維護成本低的目的,就更加需要統籌全局,此時要考慮的因素就非常多。以軌道交通裝備企業運營為例,包括供、產、銷、維四個環節,運營流程如圖2所示。四個環節之間的關系錯綜復雜,而且其中每一個環節又有眾多的影響因素,此時要達到整體最優的效果,只用大腦去統籌就不現實了,算力和存儲能力都不夠。現代信息技術已高度發達,可以讓電腦代替人腦進行統籌,由此需要將所要考慮的各種因素,包括狀態、屬性、行為數字化,在數字環境中建立對應的數字模型,然后使高性能的電腦進行總體統籌規劃,并以此指導實際工作。

▲圖2 軌道交通裝備企業運營流程

在數字環境中建立的物理對象的數字模型及后續的基于模型進行統籌便是數字孿生,其中的數學模型便是數字孿生體。因此可以說,數字孿生是便于對復雜工作進行統籌,在信息技術發展到一定程度后的產物,這也可以從數字孿生的起源得到印證。

數字孿生概念在制造領域的使用最早可追溯到美國國家航空航天局的阿波羅項目[4]。1970年4月13日,阿波羅13號宇宙飛船在奔月的途中突然遭遇服務艙氧氣罐爆炸的險情,后來在地面控制人員和宇航員通力配合之下才得以成功返回地面,這背后的關鍵是美國國家航空航天局在地面有一套完整的、高水準的模擬系統,如圖3所示。這一系統用于培訓宇航員和任務控制人員所用到的全部任務操作及多種故障場景的處理。在模擬操作中,唯一真實的是乘員、座艙和任務控制臺,其它都是由計算機、相關計算公式及經驗豐富的技術人員創造出來的。任務控制人員和宇航員們在綜合考慮飛船受損、可用電力、剩余氧氣、飲用水等因素后,與登月艙制造廠商協同工作,制訂著陸方案。然后安排后備宇航員在模擬器上進行操作演練,以驗證方案的可行性。最后宇航員們按演練形成的操作指令清單執行,最終安全返航。

▲圖3 阿波羅模擬系統

美國國家航空航天局利用模擬器制訂著陸方案雖然比華羅庚先生所講的泡茶例子要復雜很多,但是本質都是綜合考慮各種因素選出最優方案,并對各項工作進行組織與管理,也就是統籌的過程。阿波羅13號宇宙飛船事故救援的實踐,可以視為美國國家航空航天局提出數字孿生概念的一個工程實踐背景,西門子工程師則稱阿波羅13號宇宙飛船為第一次數字孿生。在此基礎上,經過不斷的發展,形成了美國航空航天局的數字孿生定義,并于2010年在太空技術路線圖中首次引入數字孿生的表述。從美國航空航天局形成數字孿生概念的背景歷程來看,數字孿生的內涵本質也是統籌。

綜上分析,不難得出數字孿生內涵為統籌的結論。數字孿生借助于數字孿生體的手段在虛擬環境下模擬不同的場景并選出最優方案,并對各物理實體進行改進、調整,從而減少直接在物理實體上試錯的成本,提升工作效率,實現全局的最優,這也正是統籌的基本理念和目的。

數字孿生一詞雖然只是近二三十年才出現,但其內涵可以說古已有之,理解了統籌,基本也就理解了數字孿生的內涵。

筆者基于統籌的理念對數字孿生做出如下定義:為實現整體最優,借助于數字手段,對所擁有各種物理對象進行實時虛擬映射,以建立對應的數字虛擬體,并基于此進行動態統籌規劃,以此指導物理對象的優化組織。

統籌是適用于所有工作的,因此數字孿生也可以用于各行各業。可以說一切皆可進行數字孿生,只要有足夠的性價比。數字孿生的概念起源于制造業,應用最多的也是制造業。目前,數字孿生已開始應用于智慧城市、智慧交通、智慧農業等行業,并逐漸顯現出巨大的應用價值。

4 數字孿生基本特征

通過理解數字孿生的內涵,可以總結出數字孿生的基本特征。

(1) 雙向映射。數字孿生要求在數字空間構建物理對象的數字化表示,現實世界中的物理對象和數字空間中的數字孿生體能夠實現雙向映射,數字孿生應反映物理實體的狀態變化。同時,在虛擬空間中對數字孿生體的優化決策也可以指導物理實體進行調整。如果只是把模型提取出來進行建模分析,那只是仿真而不是數字孿生。此處還要注意,物理對象和數字孿生體是相像的關系,而不是要完全相同。數字孿生體只要能夠反映所關注的指標即可,否則就可能會陷入過度可視化的誤區。

(2) 實時同步。數字孿生體與實體對象之間的映射要有一定實時性,否則無法根據實物的最新情況進行優化決策,數字孿生便失去意義。比如自動駕駛技術,在車輛行駛中,車載電腦根據各種傳感器所獲取的信息建立車輛、路況等實體的數字孿生體,然后結合自動駕駛經驗計算后續的動作,并且數字孿生體也要能夠實時反映物理對象的真實的情況,如路滑導致轉彎不足,或其它物體闖入路面,以便不斷及時修正車輛的速度和方向。

當然,實時是相對的,有些場景需要精確及時,有些場景則不需要,這些都可以根據實際業務場景進行判定。并且實時性與成本相關,兩者需要兼顧。

(3) 全生命周期。所謂全生命周期,指使用數字孿生要考慮一定的周期,在一定周期內實現優化決策的目標。比如對于制造型企業,數字孿生可以貫穿產品設計、開發、制造、服務、維護、報廢回收的整個周期,不局限于幫助企業把產品更好地造出來,還包括幫助用戶更好地使用產品。

全生命周期本意是通盤考慮、整體統籌,這樣才能實現全局最優。當然,在全生命周期中實現數字孿生是一個終極目標,并非要一步實現,數字孿生的實現本身也是一個長期、漸進過程。

5 可視化誤區

數字孿生的背后是數據和算法,為了便于直觀查看、交互,借助于可視化技術,對目標對象的屬性、狀態、行為等進行形象化展示。這本只是數字孿生的前端,但是目前有些企業將主要精力放在了這里,將設備做成三維圖形或對三維仿真數據進行展示,就號稱實現了數字孿生。過于追求外在形似,甚至做成三維動畫并用大屏方式展示,這能給參觀者炫酷的觀感,但對實際業務卻沒有促進作用。可視化屬于人機界面的范疇,將可視化作為數字孿生是一個誤區,這過分關注了數字孿生的表象和形式,而忽視內涵與本質。其實,可視化只是為了使非專業人員能夠形象化認識,當數據足夠豐富、算法足夠強大后,決策操作不需要人工干預,甚至不需要前端展示。而如果沒有數字孿生數據和算法的支持,沒有物理實體和數字孿生體之間的雙向實時映射,數字孿生應有的價值也就無法體現。

數字孿生流程如圖4所示,可分為建模、感知、分析、決策四個環節。面對紛繁復雜的物理對象,提煉其內在本質,以構建數字孿生體模型。面對全流程的多源異構數據,進行實時感知及治理。之后還要進行高效、精準分析,根據分析結果進行智能決策,以指導實際工作。以上整個流程背后的核心在于數據和計算,而非前端炫酷的可視化。

▲圖4 數字孿生流程

可視化可以有不同的形式,可復雜,也可簡單。復雜指在保持幾何與結構高度仿真的情況下進行描述,簡單指能表達所關心的參數即可,忽略對幾何與結構的表達。可視化的程度要根據業務需要而定,不可以過度關注外在形似。例如,對于一列高鐵車輛,在研發階段為了進行系統仿真,可以使用零部件詳細表達進行可視化,而在車輛運營階段為了車輛調度,用幾根線條簡要表達整車的位置即可,此時大可不必對車輛的三維結構進行詳細展示。數字虛擬體高鐵調度如圖5所示。再比如前面提到的泡茶的例子,只需要把相關的信息抽象出數學模型就可以,如果將水壺、茶壺、茶杯、茶葉這些實物的三維模型建立出來,然后還以動畫形式把整個流程展示出來,那么就陷入了過度可視化的誤區。

▲圖5 數字虛擬體高鐵調度

6 結束語

筆者通過對數字孿生內涵的剖析,闡述數字孿生的本質是為了實現整體的統籌。企業應該聚焦自身業務,重點建立更好的業務邏輯和策略,通過數字孿生實現更優經營目標。對于工業領域來說,應從實處做起,長期不斷積累,不要幻想一蹴而就,更不要幻想通過數字孿生、智能制造等手段就可以實現彎道超車。另外,數字孿生的本意是通過數字虛擬技術減少實體試錯成本,因為在物理世界中的錯誤往往比較昂貴,有時甚至是負擔不起的。雖說一切皆可數字孿生,但數字孿生卻不是適合所有的業務和場景。對于有些場景來說,建模的成本可能高于使用物理實體進行試錯的成本,此時則不適合使用數字孿生。