探讨：数字孪生与智能制造相关概念的关系

王爱民

北京理工大学

数字孪生是近几年得到重视的一个概念，尤其是与之前智能制造、CPS等相比，人们感觉数字孪生是更加落地或可以作为抓手的一个概念。一般对于概念来说是在研究过程当中，为了精炼准确说明某些事情，我们凝练出一个可能从来没有出现的概念。但对于数字孪生来说，我认为其更多的是一种提纲挈领的模式或机制的描述，一方面是面向实际的应用需求而衍生出这种总结性名词，另外一个方面是对既往一些做法的再次凝练和提升，或者可以认为是源于实践并追求高于实践吧。

对于数字孪生概念来说，我们追求的其实和应该是他的内涵。虽然从字面来说，“数字”、“孪生”是偏向于与物理实体相对应的“虚体”的含义，但既然涉及到“孪生”一定是有其物理实体对照物的，并且一定是与物理实体对照物具有关系的一种综合概念。比如我们从物理资源角度来说，利用资源管理壳等表达和互操作方式，实现与实际世界相对应的物理实体的孪生体特点等。当然，我们仍然可以尝试追求给出一个严格的定义，但我认为我们更应该追求的应该是他的本质内涵。笔者认为：数字孪生是基于物理实体和数字虚体之间的近真实孪生映射基础上的涵盖状态感知、实时采集、分析推理、精准执行的闭环控制关系，其中基于的建模与仿真的分析推理是当前数字孪生体所关注的重点。

本文将重点从数字孪生概念的4点判断、数字孪生的核心是基于工艺和管理知识的决策、数字孪生是软件定义制造实现的支撑，以及数字孪生与智能制造相关概念的关系等方面进行阐述，主要目的是对当前关于数字孪生认知与实践中的可商榷话题进行分析和总结。

一、数字孪生概念内涵的4点判断

（1）数字孪生是强调实时性的CPS

赛博物理系统（CPS）作为智能制造的核心模式，体现了动态感知、实时分析、自主决策、精准执行的闭环过程，支持了装备／系统的自适应、自组织的智能化发展理念。数字孪生是CPS的具体体现，重点是突出虚实融合下的数据处理、仿真分析、虚拟验证及运行决策等。其中的核心在于，对于业务对象而言，所谓的分析推理其实也是基于模型的，而这个模型是基于状态感知和实时采集基础所建立的，这个模型能够支持分析推理，虽然这种分析推理可能只是某个方面的，但也是对对象的某种数字孪生或者某种程度上的数字孪生。因此从这个角度而言，数字孪生其实是CPS的某个子集。数字孪生因为特意强调了“孪生”，不可避免的具有一定的实时性特点，而传统的CPS从理念角度是涵盖了实时和非实时两种情况的。

（2）可视化不等于数字孪生

数字孪生与可视化展示是“皮”与“毛”的关系。数组孪生一定是在某个方面反映物理实体的，这是毋庸置疑的。但这某个方面只是物理实体的某些特性，而未必是全部的特性，有些方面可能并不需要建立可视化展示。

比如我们通过APS来对车间的运行状态进行表达，并在此基础上给出进一步持续的资源优化配置方案，这个背后当然是有模型的，但这个模型未必是可以展示的。

比如对于复杂电子产品的研制，一般分为电讯总体和结构总体。对于复杂电子产品来说，电讯总体显然是更重要的，实际当中也是这个样子的。但是电讯总体更多的表达的是这个复杂电子产品内部的信号输入输出之间的关联关系，更多的是一种逻辑上的表达。笔者见过的一些单位就是通过MATLAB或者说利用商业化仿真软件的一些模型来进行表达。而结构总体才是真正的可见物理实体表达，是这个复杂电子产品各个组成部分可见的物理实体之间的关联关系。从最终的结局来说，我们这两个方面应该是都需要的，实际操作过程当中，这两个方面的一体化集成也是我们追求的目标。但现有复杂性和技术条件制约，分成两个部分来分别开展这方面的工作，是更为实用的一种做法。

数字孪生更多的强调内在关系而不是外部展示，同时，数字孪生在技术限制下，也可能只是对物理实体进行某个侧面的分析。

（3）三维模型不是数字孪生的必备

一般而言目前很多说数字孪生的都是基于三维的产品或产线模型，其实本不必如此的。只要这个模型能够有效地表达并支持进行产品或产线某方面分析的特性，我们就可以认为这就是一种数字孪生。比如，建立数学模型，并通过MATLAB进行数字化程序表达，这个能够求解的程序，我认为就是一种数字孪生；比如对于APS，属于基于车间当前状态的某种决策模型，虽然可以通过形式化的数学方式进行表达，但其更多的还是由某种软件系统表达的，通过这个程序系统或内在的分析模型，可以进行产线的产能评估、瓶颈分析、外协／分批决策等，我认为这也是一种数字孪生。但这些模型与传统所说的图形三维是没有关系的。是否支持决策是数字孪生的根本，其他的都是外在。其实从这个角度进一步思考，比如MES我就认为是一种大号的CPS，并非CPS一定是面向设备或单元的，这应该就是所谓的系统级CPS的本质含义了吧。

（4）数字孪生不是凭空来的

虽然数字孪生的概念很热，但数字孪生并不是凭空来的天赐之物。就如同工业界的很多好的理念，比如单元化、精益生产等，都是根据实际总结出来的一样。关于数字孪生乃至CPS，其实在概念没出来之前已经有很多实践了。人类有三种实践，物理实验只是其中一种，另外两个的理论推导和计算机模拟，其实都是现实实物的抽象，从这个角度而言，其实都算孪生，只是不都是数字化而已。但一般而言，计算机模拟在内涵上很大程度上也是由理论分析模型支持才能实现的。