數(shù)字孿生化水平五大等級(jí)L1-L5

無(wú)論是初期DARPA提出的數(shù)字孿生體，還是在美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出的機(jī)身數(shù)字孿生體，抑或2019年帕梅拉·科布倫在“工程前沿學(xué)術(shù)研討會(huì)”的演講中對(duì)數(shù)字孿生體的論述，都闡釋了一個(gè)基本事實(shí)：數(shù)字孿生體應(yīng)用都是基于對(duì)物理世界設(shè)備或產(chǎn)品的數(shù)字表達(dá)（Digital Representation）。由此可見(jiàn)，在數(shù)字空間給出物理世界的物體對(duì)應(yīng)的表達(dá)方法，成為數(shù)字孿生體工程的基礎(chǔ)工作。

部分行業(yè)人士把數(shù)字孿生體概念擴(kuò)大化，將一些簡(jiǎn)單的傳感器數(shù)據(jù)在信息系統(tǒng)中的表示，也簡(jiǎn)單地認(rèn)為是數(shù)字孿生體；還有一些專家把嵌入式系統(tǒng)或信息物理系統(tǒng)看成數(shù)字孿生體，并撰寫(xiě)了不少論文。事實(shí)上，這些工作并沒(méi)有數(shù)字孿生體概念的參與，不會(huì)提升或降低其價(jià)值。

既然數(shù)字孿生體是第四次工業(yè)革命的通用目的技術(shù)，那么它將應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，不能用某個(gè)特定場(chǎng)景的非標(biāo)準(zhǔn)化工程方法來(lái)展示，應(yīng)該考慮更廣泛的應(yīng)用要求，此時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)全新的概念就顯得很有必要。筆者提出數(shù)字孿生化（Digital Twinning）的說(shuō)法，以表示物理世界和數(shù)字空間不同目標(biāo)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，這種過(guò)程的衡量標(biāo)準(zhǔn)為“精度”，它們表現(xiàn)為從形似、仿真、神似（包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)）到難分真假，通過(guò)這樣的方式，體現(xiàn)了數(shù)字孿生化水平的高低。

數(shù)字孿生化的基礎(chǔ)是物理世界中物體的幾何模型，這是不容易改變的數(shù)據(jù)源，通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)的獲取，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該物體基本情況的數(shù)字表達(dá)。ISO 23247、IEEE P2806等與數(shù)字孿生體相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都采用了這樣的描述方法，并把數(shù)字表達(dá)作為數(shù)字孿生體工程的基本前提。

當(dāng)然，數(shù)字孿生化的精度各不相同，這既與應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求有關(guān)，還與投入代價(jià)有直接聯(lián)系。在機(jī)械加工，特別是精密加工領(lǐng)域，數(shù)字孿生化的要求非常高，例如航天軍工的設(shè)備加工經(jīng)常需要達(dá)到微米級(jí)別的精度要求，但對(duì)于城市管理來(lái)說(shuō)，其精度大部分不需要那么高，部分要求只需要達(dá)到厘米級(jí)別即可。

因此，數(shù)字孿生化的精度并不是越高越好，而是需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和投入能力兩者均衡確定。一些行業(yè)專家把航空航天領(lǐng)域的數(shù)字孿生化案例作為參考來(lái)啟發(fā)對(duì)數(shù)字孿生體的理解是可以的，但如果把它作為標(biāo)桿對(duì)象就有可能東施效顰了。

因此，數(shù)字孿生化把精度作為目標(biāo)，形成了不同層次的要求，這在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中體現(xiàn)出來(lái)的效果也有一定的差異。數(shù)字孿生化水平的五大等級(jí)情況如下，下面具體展開(kāi)介紹。

第一級(jí)

以建立幾何模型為目標(biāo)

數(shù)字孿生體工程以建立幾何模型為基礎(chǔ)，部分工程項(xiàng)目不建立幾何模型，因而通常無(wú)須把該項(xiàng)目稱為數(shù)字孿生體。幾何模型是任何物理世界設(shè)備或產(chǎn)品的第一個(gè)特征，通常在特定時(shí)間，該幾何模型是一個(gè)確定的狀態(tài)，因此，把它作為數(shù)字孿生化的首要目標(biāo)，比較容易實(shí)現(xiàn)。一些直接以幾何模型建設(shè)為目標(biāo)的項(xiàng)目，通常是為了實(shí)現(xiàn)“可視化”，它的好處通常有幾方面：一是為管理層提供了直觀可見(jiàn)的數(shù)據(jù)或場(chǎng)景，降低了管理的復(fù)雜度和難度；二是部分項(xiàng)目成果難以顯性化，為了讓上級(jí)部門(mén)、主管領(lǐng)導(dǎo)或客戶了解效果，把這些不可見(jiàn)的結(jié)果用可視化方式展現(xiàn)出來(lái)；三是為更復(fù)雜的系統(tǒng)確定單一數(shù)據(jù)源，其他系統(tǒng)可以基于該可見(jiàn)的信息源做進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。客觀來(lái)說(shuō)，以上三個(gè)方面的可視化都有價(jià)值，前兩個(gè)不是數(shù)字孿生體的核心目標(biāo)，第三個(gè)是數(shù)字孿生體工程的要求。通過(guò)幾何模型錨定單一數(shù)據(jù)源，分部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)和系統(tǒng)之系統(tǒng)等多個(gè)層次建立幾何模型，可以為各個(gè)參與方提供一個(gè)客觀的參照標(biāo)準(zhǔn)。

第二級(jí)

以仿真為目標(biāo)的數(shù)據(jù)描述

為了使數(shù)字空間與物理世界的設(shè)備或產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生化后的模型更有價(jià)值，通常需要對(duì)它的材料和物理特征進(jìn)行描述，以便數(shù)字線程傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以有更豐富的信息。這個(gè)階段完成的仿真工作，成為數(shù)字孿生化最具挑戰(zhàn)的工作之一，雖然有超級(jí)計(jì)算或云計(jì)算等仿真利器，但由于部分仿真涉及的計(jì)算量實(shí)在太過(guò)巨大，如果不采用降階模型技術(shù)等，仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的工程應(yīng)用。第二級(jí)數(shù)字孿生化對(duì)于高端制造可能是常態(tài)，但對(duì)于大量中低端行業(yè)或者建筑、城市、能源等領(lǐng)域，利用傳統(tǒng)仿真工具的成本往往太高，不具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，這意味著，數(shù)字孿生體在多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用需求，呼喚低成本的數(shù)據(jù)描述工具。

第三級(jí)

多尺度場(chǎng)景的數(shù)據(jù)融合

當(dāng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備和產(chǎn)品的仿真之后，數(shù)字孿生化即進(jìn)入了滿足多尺度場(chǎng)景的數(shù)據(jù)融合的需求階段，這個(gè)階段既需要考慮設(shè)備和產(chǎn)品的數(shù)據(jù)建模，還需要考慮場(chǎng)景或環(huán)境的建模，通過(guò)兩者的共同數(shù)字孿生化，才可以形成豐富的數(shù)字孿生系統(tǒng)。需要指出的是，設(shè)備和產(chǎn)品的建模和仿真有可能在設(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，或者事后需要重構(gòu)出原有的幾何模型和仿真特征，通常情況下，對(duì)環(huán)境的數(shù)字孿生化是進(jìn)一步建立物理世界和數(shù)字空間交互的關(guān)鍵。從技術(shù)的應(yīng)用來(lái)看，人工智能在實(shí)現(xiàn)兩者無(wú)縫數(shù)據(jù)融合方面至關(guān)重要，從國(guó)際上多家企業(yè)的實(shí)踐來(lái)看，解決多尺度場(chǎng)景的數(shù)據(jù)融合，對(duì)數(shù)字孿生體產(chǎn)業(yè)化非常重要，考慮到成本問(wèn)題，這也是數(shù)字孿生化的難點(diǎn)所在。

第四級(jí)

面向建造和運(yùn)行的動(dòng)態(tài)孿生

第三級(jí)數(shù)字孿生化水平滿足了靜態(tài)的神似，但還不具有時(shí)間軸上的孿生特征，只有實(shí)現(xiàn)了建造和運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)孿生，才可以稱之為第四級(jí)數(shù)字孿生化。這個(gè)階段的數(shù)字孿生化有較大的挑戰(zhàn)，涉及建造體系和管理體系的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，如果建造流程和管理流程無(wú)法與數(shù)字孿生化工作融合，相關(guān)數(shù)據(jù)難以貢獻(xiàn)，自然實(shí)現(xiàn)不了這個(gè)階段的動(dòng)態(tài)孿生。在一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景中，建造體系和管理體系與人關(guān)聯(lián)不大，或者可以通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)化替代人的角色，那么這個(gè)階段的動(dòng)態(tài)孿生就有可能實(shí)現(xiàn)了。

第五級(jí)

具有自適應(yīng)能力的自主孿生

如果數(shù)字孿生化發(fā)展到能夠根據(jù)各種環(huán)境變化自行實(shí)現(xiàn)第一級(jí)到第四級(jí)數(shù)字孿生化工作，那么它就達(dá)到了最高等級(jí)的自主孿生水平。這樣的目標(biāo)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化，需要建立在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的基礎(chǔ)上。毫無(wú)疑問(wèn)，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)科學(xué)等將在這個(gè)等級(jí)具有至關(guān)重要的作用，迄今為止，相關(guān)理論和技術(shù)尚未成熟，只有一些較簡(jiǎn)單的應(yīng)用出現(xiàn)。例如，NASA在空間制造體系中產(chǎn)生了一些概念，目前也只是在增材制造模式上有一些突破，但要真正達(dá)到那樣的水平，還需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的努力。數(shù)字孿生化技術(shù)是數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)部分，它的實(shí)現(xiàn)程度決定了數(shù)字孿生體的應(yīng)用效果，在不同的行業(yè)，數(shù)字孿生化水平具有不同的判定標(biāo)準(zhǔn)，以上只是就基本的概念和特征做了描述，后續(xù)還需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景做相應(yīng)的調(diào)整。從傳統(tǒng)學(xué)科或研究領(lǐng)域來(lái)看，數(shù)字孿生化的前三個(gè)等級(jí)屬于傳統(tǒng)的建模和仿真，動(dòng)態(tài)孿生和自主孿生對(duì)應(yīng)的第四級(jí)、第五級(jí)則需要?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和人工智能等新一代技術(shù)的參與，特別是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真，成為過(guò)去十年各位專家學(xué)者力求突破的地方，這也是數(shù)字孿生體的主要研究領(lǐng)域之一。

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