陈根：从实体数据到虚拟空间，数字孪生的来路与进路
文/陈根
科技不仅是一个时代的标签，它所引导的产业变革更是在雕刻这个时代。
数字时代下，数字孪生作为最重要的数字技术之一在人类社会数字化的进程中具有不可替代的重要意义，也因此频繁出现在各大峰会论坛的演讲主题之中，备受行业内外的关注。
此前在纽约，微软首席执行官萨蒂亚·纳德拉就将数字孪生称为最大的科技趋势之一。而全球著名IT研究机构Gartner更是在2017年至2019年连续三年将数字孪生列为十大新兴技术之一。
随着数字孪生概念的成熟和技术的发展，从部件到整机，从产品到产线，从生产到服务，从静态到动态，一个数字孪生世界正在被不断构筑。当前，基于传感器、智能装备、工业软件、工业互联网、IoT、云计算和边缘计算的成熟和更广泛的商业实践积累，数字孪生也走到了一个新的时间节点。
数字孪生将实体的数据实时转移到虚拟空间，为实现数字化、智能化、网络化的产业模式提供了一个虚拟的底座，也承载着人类的野心，为人类的未来想象提供了一条愈发清晰的探索之路。
数字孪生的概念演进
数字孪生这一概念诞生在美国，2002年，密歇根大学教授迈克尔·格里夫斯在产品全生命周期管理课程上提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的概念：一个或一组特定装置的数字复制品，能够抽象表达真实装置并可以此为基础进行真实条件或模拟条件下的测试。其概念源于对装置的信息和数据进行更清晰地表达的期望，希望能够将所有的信息放在一起进行更高层次的分析。
而将这种理念付诸实践的则是早于理念提出的美国国家航天局（NASA）的阿波罗项目，在该项目中，NASA 需要制造两个完全一样的空间飞行器，留在地球上的飞行器被称为“孪生体”， 用来反映（或做镜像）正在执行任务的空间飞行器的状态。
时下，许多业界主流公司都对数字孪生给出了自己的理解和定义，但实际上，人们对于数字孪生的认识依然是一个不断演进的过程。
这从Gartner在过去三年对数字孪生的论述中，便可见一斑。2017年，Gartner对数字孪生的解释是：实物或系统的动态软件模型，在三到五年内，数十亿计的实物将通过数字孪生来表达。在Gartner2017年发布的新兴技术成熟度曲线中，数字孪生处于创新萌发期，距离成熟应用还有5-10年时间。
2018年，Gartner对数字孪生的解释是：数字孪生是现实世界实物或系统的数字化表达。随着物联网的广泛应用，数字孪生可以连接现实世界的对象，提供其状态信息，响应变化，改善运营并增加价值。
2019年，Gartner对数字孪生的解释变化为：数字孪生是现实生活中物体、流程或系统的数字镜像。大型系统，例如发电厂或城市也可以创建其数字孪生模型。
在数字孪生概念的成熟和完善过程中，数字孪生的应用主体也再不局限于基于物联网来洞察和提升产品的运行绩效，而是延伸到更广阔的领域，例如工厂的数字孪生、城市的数字孪生，甚至组织的数字孪生。
横向来看，在模型维度上，从模型需求与功能的角度，一类观点认为数字孪生是三维模型、是物理实体的复制，或是虚拟样机。在数据维度上，一些认识认为数据是数字孪生的核心驱动力，侧重了数字孪生在产品全生命周期数据管理、数据分析与挖掘、数据集成与融合等方面的价值。
在连接维度上，一类观点认为数字孪生是物联网平台或工业互联网平台，这些观点侧重从物理世界到虚拟世界的感知接入、可靠传输、智能服务。而对于服务来说，一类观点认为数字孪生是仿真，是虚拟验证，或是可视化。
尽管当前对数字孪生存在多种不同认识和理解，目前尚未形成统一共识的定义，但可以确定的是，物理实体、虚拟模型、数据、连接和服务是数字孪生的核心要素。
展开来说，数字孪生就是在一个设备或系统“物理实体”的基础上，创造一个数字版的“虚拟模型”。这个“虚拟模型”被创建在信息化平台上提供服务。值得一提的是，与电脑的设计图纸又不同，相比于设计图纸，数字孪生体最大的特点在于，它是对实体对象的动态仿真。也就是说，数字孪生体是会“动”的。
同时，数字孪生体“动”的依据，来自实体对象的物理设计模型、传感器反馈的“数据”，以及运行的历史数据。实体对象的实时状态，还有外界环境条件，都会“连接”到“孪生体”上。
从虚实映射到全生命周期管理
正是基于数字孪生的核心要素，加之社会需求的同频，使得数字孪生作为一种超越现实的概念，被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统，在后疫情时代热度不断攀升。
其中，虚实映射是数字孪生的基本特征，虚实映射通过对物理实体构建数字孪生模型，实现物理模型和数字孪生模型的双向映射。这对于改善对应的物理实体的性能和运行绩效无疑具有重要作用。
事实上，对于工业互联网、智能制造、智慧城市、智慧医疗等未来的智能领域来说，虚拟仿真是其必要的环节。而数字孪生虚实映射的基本特征，则为工业领制造、城市管理、医疗创新等领域由“重”转“轻”提供了良好路径。
以工业互联网为例，在现实世界，检修一台大型设备，需要考虑停工的损益、设备的复杂构造等问题，并安排人员进行实地的排查检测。显然，这是一个“重工程”。而通过数字孪生技术，检测人员只需对“数字孪生体”进行数据反馈，即可判断现实实体设备的情况，完成排查检修的目的。
其中，美国GE就借助数字孪生这一概念，提出物理机械和分析技术融合的实现途径，并将数字孪生应用到旗下航空发动机的引擎、涡轮，以及核磁共振设备的生产和制造过程中，让每一台设备都拥有了一个数字化的“双胞胎”，实现了运维过程的精准监测、故障诊断、性能预测和控制优化。
而在新冠肺炎疫情期间，闻名世界的雷神山医院便是利用了数字孪生技术进行建造。中南建筑设计院（CSADI）临危受命，设计了武汉第二座“小汤山医院”——雷神山医院，中南建筑设计院的建筑信息建模（BIM）团队为雷神山医院创造了一个数字化的“孪生兄弟”。
采用BIM技术建立雷神山医院的数字孪生模型，根据项目需求，利用BIM技术指导和验证设计，为设计建造提供了强有力的支撑。
近年的数字孪生城市的构建，更是引发城市智能化管理和服务的颠覆性创新。比如，中国河北的雄安新区就融合地下给水管、再生水管、热水管、电力通信缆线等12种市政管线的城市地下综合管廊数字孪生体让人惊艳；江西鹰潭“数字孪生城市”荣获巴塞罗那全球智慧城市大会全球智慧城市数字化转型奖。
此外，由于虚实映射是对实体对象的动态仿真，也就意味着数字孪生模型是一个“不断生长、不断丰富”的过程：在整个产品生命周期中，从产品的需求信息、功能信息、材料信息、使用环境信息、结构信息、装配信息、工艺信息、测试信息到维护信息，不断扩展，不断丰富，不断完善。
数字孪生模型越完整，就越能够逼近其对应的实体对象，从而对实体对象进行可视化、分析、优化。如果把产品全生命周期各类数字孪生模型比喻为散乱的珍珠，那么将这些珍珠串起来的链子，就是数字主线（Digital Thread）。数字主线不仅可以串起各个阶段的数字孪生模型，也包括产品全生命周期的信息，确保在发生变更时，各类产品信息的一致性。
在全生命周期领域，西门子借助数字孪生的管理工具——PLM（Product Lifecycle Management）产品生命周期管理软件将数字孪生的价值推广到多个行业，并在医药、汽车制造领域取得显著的效果。
以葛兰素史克疫苗研发及生产的实验室为例，通过“数字化双胞胎”的全面建设，使复杂的疫苗研发与生产过程，实现完全虚拟的全程“双胞胎”监控，企业的质量控制开支减少13%，它的返工和报废减少25%，合规监管费用也减少了70%。
从虚实映射到全生命周期管理，数字孪生展示了对于各个行业都的广泛应用场景。在2018年《计算机集成制造系统》“数字孪生及其应用探索”一文中，就归纳了包括航空航天、电力、汽车、石油天然气、健康医疗、船舶航运、城市管理、智慧农业、建筑建设、安全急救、环境保护在内的11个领域，45个细分类的应用。
这也使数字孪生成为数字化转型进程中炙手可热的焦点。Gartner和树根互联共同出版的行业白皮书《如何利用数字孪生帮助企业创造价值》中预测，到2021年，半数的大型工业企业将使用数字孪生，从而使这些企业的效率提高10%；到2024年，将有超过25%的全新数字孪生将作为新loT原生业务应用的绑定功能被采用。
数字孪生承载人类野心？
人类工业发展史就是实物制造的历史。过去的爱迪生试错法根据设计蓝图和生产工艺造出实物产品，反复实验、测试，来满足产品的功能和性能的要求。然而，计算机和软件的出现改变了这一切。
1980年，达索系统三维交互设计软件CATIA之父弗朗西斯·伯纳德（Francis Bernard）开创了曲面设计简单实体设计，通过操作光笔在计算机屏幕上用三维曲面和简单的实体表现形式，远超过去的表达形式，奠定了世界工业设计从二维到三维建模的转变。
随后，达索飞机公司使用简单的三维建模技术生产了飞机零件部件组件。1986-1990年间波音公司使用三维建模技术进行飞机装配验证，并形成大量初步规范来指导三维设计的使用。随着计算机性能的提高、集成电路的小型化、计算速度的提高， UNIX工作站出现，三维设计成本大幅降低。
数字化设计技术从早期的二维设计发展到三维建模，从三维线框造型进化到三维实体造型、特征造型，产生了诸如直接建模、同步建模、混合建模等技术，以及面向建筑与施工行业的BIM技术（建筑信息模型）。
而随着数字化技术的发展应用，人们在用数字孪生技术重建一个物件、一个系统、一个城市，甚至一个世界的同时，数字孪生也“充分”地暴露着人类的野心。
回顾过去20-30年制造业数字化的进程，数字孪生从过去飞机、汽车、船舶等高端复杂的制造业，制造这些产品的工业装备行业，发展到高科技电子行业的电子产品，日常生活消费行业的时装鞋帽、化妆品、家居家具、食品饮料消费产品。在基础设施行业中，数字孪生的应用也日益增加，包括铁路、公路、核电站、水电站、火电站、城市建筑乃至整个城市，以及矿山开采。
而今年年初，达索系统更是提出了数字化革命从原来物质世界中没有生命的“thing”扩展到有生命的“life”。从造物角度来讲，人体比机械要复杂太多。人体有37万亿个细胞，每一个细胞生命周期里又有4200万的蛋白质。人体数字化，即基于人体相关的多学科、多专业知识的系统化研究，并将这些知识全部注入人体的数字孪生体中。这有利于降低各种手术风险，提高成功率，改进药物研发，提高药物的效用。
数字孪生作为一种技术，终于从原子、器件应用扩展到细胞、心脏、人体，甚至于未来整个地球和宇宙都可以在虚拟赛博空间重建数字孪生世界。
当然，在数字孪生世界全面到来以前，人类首先要正确理解、正确应用数字孪生。数字孪生带来了工具革命、决策革命、组织革命，给人类社会改造自然创造了新的方法论，从一百多年前爱迪生的实验验证，演进到今天的模拟择优，这仅仅是一个开始，而任何方法论的实现，都离不开与之相适配的世界观。