数字孪生之父：数字孪生连接两个世界
价值中国：请介绍一下，2003年，您在何种背景下提出“数字孪生”的概念和方法的？
Michael Grieves：其实数字孪生可以追溯到更久以前。很幸运能够在 60 年代，我上高中的时候就开始学习编程，这在今天没什么大不了的，但当时很不寻常。我20岁出头的时候，是一个大型机系统的操作系统程序员。一位对公用事业感兴趣的销售人员找到了我，他想知道我们的生产线在哪里。
所以我想到，我们可以有一个虚拟的地理版本。可以在每一平方米的地方标明生产线的位置。但是，这样就有大约一百零五万字节的主内存需要处理。所以这是一个不可能的任务。事实上，我在 70 年代初，就参与了第一台超级计算机早期的操作系统。即便如此，我所拥有的能力也远远不够。但我想说，“如果我可以用数字形式来获得关于物理世界的信息，我们就可以做一些非常有趣的事情”。
本质上，我所有的想法，核心前提都是：信息是对资源耗费的一种权衡。我的意思是说，对于任何任务，我们都可以将其分为两个方面。一是，可以最有效利用的资源是什么？举个例子，如果我有自主性并且是独立的，我的妻子不会告诉你我会使用这些资源，那么一切都被浪费了，对于那些不能替代物理资源的信息。如果我做了一些没有成功或错误的事情，我需要做点什么，让它可以代替所有被浪费的时间。所以我一直有这样的想法，如果我能有很多信息，我就可以在我们的物理世界中，让做的事情更有效率。
我一开始在一家大型电脑公司工作，在 90 年代，我认为花大量时间在条例和账目上没有什么乐趣。所以我回去拿了博士学位，这样，我就可以花时间思考什么是信息，什么有好处，有什么价值以及我可以用它做什么。因此，当我在 2000 年获得博士学位时，我了解了当时通用汽车公司的产品周期管理理念。我认为，在整个产品生命周期中，一个基本前提：“从以功能为中心的视角，转变为以产品为中心的视角”，是一个非常好的创意。
那时，我已经在脑海中创建了数字孪生的模型。我一直认为有物理世界，虚拟或数字世界，拥有“两个世界”之间的连接。从物理世界中获取数据，然后将这些信息处理之后，再从虚拟世界发送过来，以便在物理世界中使用。那时我没有什么名气。我在 2002 年为制造工程学会做的第一次演讲，我简单地把它称为PLL的基本前提，我研究了整个过程。之后，我在 2006 年左右开始为美国航空航天局提供咨询，并在那里引入了这个想法，有一个的同事叫John Vickers，他与我一起工作了几十年，实际上创造了“数字孪生”这个词组。
在我的第一本书中，我称它为信息镜像模型，这个名字来自“可以在虚拟世界中镜像物理世界”的想法。但是John想出了一个更好的名字，叫做数字孪生，大约 2010 年的时候，在美国宇航局路线图中写下了它。但那还为时过早，因为在2015年仍然无法获得所需的计算机化数量，《经济学家》杂志上有一篇文章，讲到了这种从产品生命周期管理角度使用信息的想法。我认为早在 70 年代初，就可以在虚拟世界中，进入一个纯粹的物理世界。
而今天，它呈指数级增长（译注：INTEL创始人提出的摩尔定律）。我刚刚看到一项调查，显示了学术期刊条目的数量，它基本上呈指数增长。这是有道理的，因为根据莫里斯定律，计算机化也在呈指数增长。2018年，我做了一个研究，如果点击谷歌，在当今相当于有大约 100 万次点击。但在当时它大约有4600 万。也许我们可以用计算机虚拟地代表世界，但直到我们真正进入当今世界，我们拥有了计算机化、全面的数字化，这才成为可能。
对于一个简短的问题，这是一个很长的答案，但是能够提出这个模型然后被如此广泛地采用是一种有趣的旅程吧。
价值中国：数字孪生理论，来自"以功能为中心"向"以产品为中心"的视角转变，涉及产品生命周期所有阶段。请您谈谈自首次推出以来，数字孪生理论的主要演进阶段。
Michael Grieves：为什么数字孪生是产品生命周期管理的潜在承诺呢？这个想法是不是过时了？我们拥有这些不同的功能领域，工程、设计、制造、销售等等，他们都有自己的信息和信心的迭代。
结果发现，它其实是高度碎片化的。制造商面临的一个常见问题是，工程师设计出他们认为很棒的产品，他们把它放到很多制造业上，但是制造人员不知道他们将如何使工程师设计的产品成为现实。所以产品会被阻碍发展，回到最初，直到找到可以建造的东西。比如，单一管理和数字孪生之类的产品背后的想法是，如果我们都可以拥有关于它的信息，共享它并填充和使用有关产品的相同信息，我们将有能力去生产开发。首先，在我们创建产品时不要来回切换，它可以让我们更高效地拥有更好的产品，因为工程、制造和支持，都将在同一个信息基础上工作。
事实上，数字孪生的第一次引入是关于微笑服务的。因为当时的想法是，如果我能够获得有关产品的信息，而不必在物理世界上接近它，我就可以将产品服务做得更好。例如，我在世界各地都有直升机，我有一个需要更换的特定燃油泵。但我不知道所有直升机里都有什么，我必须派一名机械师到每个直升机那里，打开它，找出它的燃油泵。然后只有那些需要更换的才真正进行更换。如果我拥有所有这些直升机的数字孪生，我可以通过它，来知道哪些直升机需要更换泵，并且派机械师去更换需要的直升机中的泵。研究表明，随机搜索所有内容与获取信息来执行此操作，两种不同的方式之间的成本存在两个数量级的差异。
所以，如果我有信息并能够找到只需要的那些信息，而不是必须检查它的每个版本才能够找到需要的内容。后者的成本大约是前者成本的 1000 倍。
最近，我做了一个演示。在一个 1000 块的矩阵中，某处有一个金块。如果我没有任何信息，假设我每移动一个方块需要花费一美元，找到金块，我的成本大约是 50 万美元。如果我有一条信息，比如 x 轴或者y 轴，成本会降到 500 美元。如果可以的话，我同时拥有 x 轴和 y轴两条信息，成本将会降至 1 美元。
所以，你可以看到，即使只是这个简单的例子，在使用信息来替代资源耗费方面，也存在巨大的差异（优势），这就是数字孪生想法真正的所在。如果我可以将工作从物理世界转移到虚拟世界，我可以节省大量时间。自古以来，我们就一直被困在物理世界中。现在我们有机会将这项工作转移到虚拟世界中。而且，正如我所说，权衡信息，不是为了资源，而是为了不浪费资源。我们需要做物理任务，因为我们生活在物理世界中。
价值中国：在追求卓越制造过程中，虚拟工厂复制的关键构件是什么？
Michael Grieves：第一件事，是我们的方式，去所有建模和仿真的那种工厂所有工作。这有助于解决问题并提高工厂的效率。当我们实际建造工厂时，会进行建模模拟，之后将模型收起来，永远不再使用它。但是，如果我们有能力掌握工厂的当前状态，就可以在模拟中驱动该模型。从本质上讲，我们可以在每天零点时刻重新模拟工厂，看看在我们所处的条件下会发生什么。所以我添加了我可以进行模拟的工厂模型。
第二件事，是这个工程要求我们的工厂配备必要的仪器。所以在数字孪生出现之前这真的是不可行的。即使在今天，工厂、机器在报告其状态的能力方面也各不相同。所以我认为这会随着时间的推移而发展。
但是如果可以合并这两件事，我们就可以做这样的事情。第一点，工厂成立是有原因的，他们的办公室可以俯瞰工厂车间，以便他们可以看到发生了什么。任何拥有正确权限的任何人，都可以看到工厂中发生的事情，而无需在物理世界上接近它。第二点，我可以模拟说这个机器人有一个小故障，它会在接下来的 3 小时内出现问题，所以我需要出去解决这个问题。智能制造的整个想法，来自我相信每个人都听说过的工业 4.0 。有趣的是，工业 4.0 只是在刚开始时提及到，使用这些信息，是为了减少在工厂车间出现问题和能够修复它之间的时间。
再进一步来说，我想要做的，是预测会出现的问题，并在问题发生之前出去解决它。我们开始看到智能工厂、仪表，然后能够使用我们的虚拟工厂，可以做更高效的工作。我还想再强调一下，精准预测部分真的很关键。
我有能力展望未来并且说，因为数字孪生，我预测到会遇到特殊的问题，所以能够在特定问题发生之前修复它。
价值中国：请简要介绍一下您的数字孪生实现模型的框架思想。
Michael Grieves：这个框架是由我和美国宇航局(NASA)的John Vickers完成的。这里的想法是，经典系统能够按顺序进行。你设计产品，然后你想出如何去制造产品，如果很幸运你是支持人员，请弄清楚你将如何支持该产品。因为没有信息，这是我们定义的顺序流程，这个模型的目的是，将把产品生命周期带来的所有人都包括在设计中。但是，我想通过各个领域快速迭代我的设计。
我举个例子，我提到的工程设计。制造业可以建造东西，希望参与进来，因此，制造部门会立即查看工程设计，然后说，那是可行的，之后进行支持。所以，产品质量的前提不是设计得有多好，它不会以用户期望的方式为用户执行。支持能力在我的产品中很重要，该产品如何改革才能让用户非常开心。事实上，我真正喜欢做的是永远不会失败的产品。我希望能够在实际问题发生之前，发现产品的问题并修复它们，这种看起来像软件开发的 Scrum 模型。
生活在物理世界中，我认为我们可以做得更好，而不是按顺序进行。两者不同的地方，在于集成这些功能，并能够让它们一起工作以生产出有效的产品。
我在美国宇航局的同事，第一次在《经济学家》文章中提到，我真正喜欢做的是“虚拟设计产品，虚拟测试产品，虚拟制造产品，虚拟支持产品”。只有当我(虚拟地)做到了，我才想出去找来昂贵的材料来实际制造产品。
因此，对于数字孪生来说，理想的情况是，能够借用虚拟世界，来承担你通常在物理世界中的所有错误，这些错误非常非常昂贵，有时甚至是负担不起的。犯了一个错误，虚拟世界不会让我付出任何代价。举个例子，我使用了一种裂纹碰撞测试汽车。我们只能负担一定数量实体汽车的碰撞测试，因为这是非常昂贵的测试。我可以用很少的成本对虚拟车辆进行一整天的碰撞测试。
所以很多时候，产品制造商看重的问题是什么，是通常导致我想到问题的出发点。我可以做更多的虚拟测试，并按照他们的步伐运行这些产品。我认为，我不仅可以创造更好的产品，而且可以制造它们，然后为用户工作，而且这一切都是高效的。
价值中国：物联网 （IoT） 在从物理世界收集数据方面发挥着重要作用，数字孪生既是数据的存储库，也是将数据置于情境中的环境。因此有研究称，“数字孪生简化了物联网”。 您能否赞同这种论点？这背后的底层思维是什么？
Michael Grieves：让我把它分成两部分。一是在拥有实体产品之前，我想在虚拟世界中尽可能多地做一些事情。如果我没有实体产品，通过建模和模拟产品，能够进行测试，这就让我在现实世界中判断可以正确。然而，一旦我有了实体产品，关键方面之一就是我需要从现实世界中收集数据，因为拥有一个我不知道它是如何工作的产品没有任何好处。
当我第一次开发这个概念时，产品报告信息的能力并不是很好。那时没有仪器。现在拥有的智能机器，可以向我发送有关产品在世界上实际做什么的全部信息。所以，我的最后一章是几年前出版的，我花了很多时间来思考，在物理世界中我需要什么样的数据、可以在什么样的信息上发挥作用？以便能够感知物理世界正在做什么，然后将其输入到我的虚拟世界中。你可以查看一些数据流，也许会做一些相关性分析，但数字孪生，确实可以将所有这些整合在一起，并为你提供一个虚拟表示，该数据流和整个产品将作为一个整体。
事实上，我真正想做的不仅仅是这样。例如，在工厂车间，不是只有一台机器，或者是独立查看每台机器，而是将其作为一个工厂收集起来，以便可以说这台机器刚刚向我展示了异常情况。那么，这将如何影响未来的机器？我能做什么呢？举个例子，对于制造业来说，有一种叫做容忍堆叠的东西。就容差而言，假设容差在中位数附近，容差也有加或减。如果只有正公差，就会有所谓的公差叠加，这意味着最终零件不会装配在一起。如果你有能力知道特定事物的测量值是什么，并且它们都向正方向移动，那么你可以稍后指示机器向负方向移动，以防止公差叠加。这只是一个小例子。但我真的认为，如果没有数字孪生，我可能只会给你少许有用的信息。而数字孪生从了解机器本身的整体角度，将这一切整合在一起。你希望所有不同的机器能够走到一起，这样我就可以得出关于整个系统的结论。如果我真的要改善系统性能，不需要做很多，很简单地查看系统的一个组件就可以看到整个系统。
价值中国：比喻很重要！您的数字孪生是“减轻复杂系统中不可预测的、不良的紧急行为”的绝妙隐喻； 类似地，在《埃森哲 2021 年技术愿景报告》中，基于数字孪生的“镜像世界”模拟被命名为 “五个最关键技术趋势”之一：“它将让企业在无风险的数字环境中自由探索新想法，并提出无限的假设问题”。 请您谈谈数字孪生的三大优势？
Michael Grieves：首先，在2006 年，实际上我将其称为信息镜像模型，是数字孪生模型的一半。所以我一直认为这是一种与现实世界的联接。我完全不反对使用镜子来描述它。我认为20 年代，数字化的三大方面，第一个是能够生成信息、替代物理资源的能力。再次回到我开发产品时的例子，相比物理世界，我更希望能够在虚拟世界中犯错误，因为它比用物理材料要快得多，而且便宜得多。
事实上，如果没有数字孪生，某些行业将无法生存，他们负担不起。举个例子，建造一座核电站，你真的负担不起建造核能试验工厂的费用，简直太贵了。假如你犯了错误，如果不制定另一个能够修复它的计划，几乎不可能进行更改。如果能在虚拟空间中做到这一点，它会使核电站更加可行。
所以，有些行业如果不能做到这一点，这个行业就会消失。这就是，用信息代替浪费的物理资源的想法，我认为这是一个关键的潜在事物。我不认为我在谈论信息，我几乎一生都在谈论它。但没有人真正了解它的价值。如果我有一个简单的东西，我不会为它创建一个信息系统。但是对于我们这些在这个行业赚到钱的人来说，事实证明，对于可重复的情况，信息的成本远低于浪费资源的成本。我给出我的大概想法，我认为在很多情况下它是两个数量级。所以这是第一个替代物理资源的方法。
第二个方面，即拥有多个基础空间的能力，可以在其中实际做事。回到我的核电站示例，我提到了这样一个事实，即虚拟空间可以有多个小虚拟空间。在现实空间，我们被困在我们得到的一个空间中，但是回到我的核电站的例子，我可以建造不同的核电站并将它们放在不同的虚拟空间中做实验。我可以拥有相同的核电站，并针对这个东西的性能极限进行不同的实验。我可以融化其中的一些，而且不需要我付出任何代价。在物理世界中，我没有切尔诺贝利，没有三英里岛，我有一个失败的模拟，但它没有让我付出任何代价。所以，拥有多个空间，是我可以做的实际在元宇宙的事情。
第三件事是，我不认为人们拍电影是为了现在拥有一台时间机器。我不受今天时钟的每一个滴答声的限制，如果我想看看是否发生了什么事情，我必须等待时钟滴答作响的时间，以确定是否发生了。如果没有，我就浪费了所有的时间。而有了数字孪生，我可以及时地前后移动“时间”，假设我的物理世界是正确的，并且能够找出过去发生的事情或者预测未来。
我提出的其中一件，我认为会发生的事，是我称之为前端运行模拟。那就是将来每个系统都会在其中运行，模拟每次为零时会发生的事情。因此，这些模拟将会继续运行，从产品中获取实际信息。也就是说，如果这种情况继续下去，在 1 小时内有 50% 的概率会失败，有 80% 的概率在 4 小时内出现故障，有 100% 的概率在 8 小时内出现故障。假设现在有一个水晶球，如果你愿意的话，可以让我们预测未来会发生什么。根据我们掌握的信息，将会需要大量的计算能力，但更多的是现实，如果不被接受，不论计算能力有多强大，等 18 个月后，你就拥有了我们现在的两倍。
我的预测是，到 2030 年，我们会在芯片上完成550 亿次转换，这将拥有巨大的计算能力。这个数字整合大约是 7 万亿次。这三件事代替了物理资源的浪费，拥有多个虚拟空间而不是一个真实空间。而且，我认为拥有一台时光机。这就是数字孪生给我们带来的三件最重要的事情。
价值中国：经过近20年的实践和观察，您能否重新总结一下数字孪生的主要优势？同时，在当今技术发展水平下，数字孪生面临的主要挑战是什么？
Michael Grieves：我是领先于我的时代的。我花了一段时间才让计算机功能，实现了我在 2000 年代初提出的建议。现在我们开始看到一些非凡的能力和模拟。当我在 2000 年代初与汽车公司合作时，需要一台超级计算机来进行碰撞测试。今天，如果你有一台真正装备精良的笔记本电脑，基本上可以把这些事情搞定。
现在开始看到，我所说的一些我们能够做的事情的实现。我希望继续挑战下去，我们仍然相当分散，还需要在基础前提中结合在一起的解决方案。我们不一定需要确定的标准，但我们需要有信心，我们所做的模型和模拟，反映了现实世界中实际发生的情况。在这方面如果弄错了，模拟将没有任何用处。
获得正确的物理学并能够建模和模拟，这是关键，我认为我们在这方面做得很好。然后能够集成多领域的功能，这很重要。因此，我需要让它们都在一个特定的系统中工作，而不是像提取差价与结构性事物那样。我认为一个大的问题或者说挑战，将是文化问题。我们生活在物理世界中，很多人只知道这个。所以这种相信虚拟世界的想法是有问题的，尤其是在测试领域。在测试中，物理测试是测试人员根深蒂固的东西，他们会说，我要接受虚拟测试是有问题的。
所以我认为在文化上，我们现在遇到了一些问题。还有一些其他的事情正在发生。一是，新一代的人是在虚拟世界中长大的，所以他们不会容忍，让他们必须做什么，为什么要这样做，因为他们明知可以多用途地处理相同的信息。我认为我们的高管也有一些惯性问题，我的一些高管人员还没有在那个时代长大，他们担心这些东西真的有效吗？
有一种我称之为退休的东西。离退休还有几年的人说，我不会冒险，万一那些东西不起作用，我离退休已经太近了。
所以我认为，我们对技术进步中的绝对满意是个大问题。我们必须克服文化问题才能真正采用其中的一些东西。另一件事是，在许多组织中，信息就是权力。因此，对于某些人来说，共享信息将是困难的。所以必须确保，我们真的可以成为孤岛组织。人们正在囤积信息，因为这是他们的权力来源。这也是一个文化问题。所以回到我的前提，我认为文化挑战比技术挑战更大。
价值中国：“元宇宙”被定义为虚拟世界和现实世界的全面联接。与物联网和AR/VR（增强现实/虚拟现实）一样，数字孪生也是元宇宙的最重要基础技术。 您如何预测元宇宙近期的发展趋势？ 请您描述一下，数字孪生在元宇宙中的三个战略角色。
Michael Grieves：非常有趣数字孪生涵盖了元宇宙其中的一些内容。我确实读过《雪崩》。实际上做的事情，是因为可以构建想要的任何东西并更改参数。比如可以飞翔之类的。但这里的实际能力是我们必须反映物理世界。我们必须有我们的物理学，否则，这只是一种幻想。比如，我可以在虚拟世界中设计飞毯，但我永远无法在物理世界中建造其中一件东西。所以我们不得不有点担心这样一个事实，即人们对虚拟世界如此着迷、以至于他们忘记了，你实际上必须在某个时间点去现实中建造这个东西。
因此，两个世界之间的联系，比简单地拥有一个我可以做任何事情的虚拟世界要困难得多。我们需要且必须反映我们的物理世界。我认为虚拟现实将成为产品开发的关键。我有一个例子，不久前我知道一架飞机正在开发中，并且设计已经完成。他们把它放在一个风洞里，并让维修人员看着它，之后准备放在航空母舰上，这是一个虚拟现实的情景。但是之后人们发现，无法将软管入口连接到飞机上的位置。
在过去，他们会建造那架飞机，会在飞机上有那个入口。如果能够想出一种方法来为那架飞机加油或改装或其他任何东西，那将是一个非常大的问题。在那个时候，简单地改变设计以便能够做到这一点是一件非常简单的事情。所以成本，我谈的两个数量级，说的是数千万而不是数亿美元，这本来就是个问题。所以能够拥有虚拟世界，连接到物理世界，并能够使用虚拟现实来测试假设，我认为是关键。这是最重要的第一件事。
第二件事是，我认为物理世界和虚拟世界是不同的世界。但现实是，我们要用增强现实来覆盖虚拟世界和物理世界。能够查看他们的动力涡轮机，而不仅仅是查看涡轮机本身，以查看涡轮机叶片旋转的速度，流量是多少，实时查看该涡轮机的热图，这将是获得更多数据的绝佳机会，而不必说，我们需要关闭涡轮机，我需要检查它。
假设我们已经对其进行了检测，我们将拥有这些信息，以便能够更好地维护它。这已经成为现实，不仅可以让我们这样做，而且可以让技术人员一步一步地进行。该如何解决在物理产品的顶部拆除虚拟产品？技术人员所要做的就是在物理世界中模仿虚拟世界中发生的事情，以取得成功，而不是反复试验，然后说，我大概应该把那个螺丝钉掉，或者我该怎么做？再者，它是信息取代浪费的资源。
第三件事是我们将拥有大量的计算能力，以及在虚拟世界中运行模拟的能力，基于正在发生的事情。目前来说，零时模型将让我能够在选项中进行选择，判断这个选项会成功，或者这个选项很可能不成功。所以这个前端运行模拟的想法，是每次为零时，运行一个可以预测未来的令人兴奋的想法。我可以改变计算能力的参数并运行它的多个版本，再次回到多个空间，运行多个版本，然后选择最大成功的概率。
让我再次回到核心假设，我的虚拟世界反映了现实世界中实际发生的事情。“当我运行虚拟模拟时，如果我在物理世界中也进行模拟，它会得到相同的结果。这是一个非常重要的过程”。每天我们都越来越能够理解正在发生的事情，增材制造，这是我们能够真正取代的唯一方法。增材制造将是未来非常有信心发展的工艺技术。
(采访/撰文 李疆疆 )
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