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★首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司周芳，肖激楊

1 前言

隨著5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、VR、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，近期，數(shù)字孿生、元宇宙等概念逐漸火熱。2021年，工業(yè)4.0研究院院長(zhǎng)胡權(quán)教授在他的著作《數(shù)字孿生體：第四次工業(yè)革命的通用目的技術(shù)》里，詳細(xì)系統(tǒng)地闡述了數(shù)字孿生體的概念和發(fā)展，也提到了它與系統(tǒng)仿真、信息物理系統(tǒng)等的區(qū)別。本文借鑒胡教授提到的部分內(nèi)容，展開(kāi)陳述，并加入作者自身的理解和詮釋。

2 數(shù)字孿生體的概念和價(jià)值體現(xiàn)

2009年，美國(guó)國(guó)防部研究計(jì)劃局（DAPRA）首先提出了數(shù)字孿生體的概念，用來(lái)描述以物理世界和數(shù)字空間對(duì)應(yīng)方式的工程體系。隨后，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室通過(guò)機(jī)身數(shù)字孿生體項(xiàng)目驗(yàn)證了概念可行性，行業(yè)企業(yè)迅速進(jìn)入該領(lǐng)域。

按照胡權(quán)教授的定義：數(shù)字孿生體是物理世界和數(shù)字空間交互的概念體系，它是一種通用目的和技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

數(shù)字孿生是個(gè)普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，可以在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用較多。在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最深入的是工程建設(shè)領(lǐng)域，關(guān)注度最高、研究最熱的是智能制造領(lǐng)域。

數(shù)字孿生體的主要價(jià)值體現(xiàn)在：

（1）低成本試錯(cuò)，在虛擬空間上對(duì)物理世界的行為進(jìn)行模擬驗(yàn)證，修改參數(shù)即可以多次重復(fù)模擬，相比

現(xiàn)實(shí)世界，大大降低了模擬的投入成本和破壞性損失。

（2）智能化決策，能夠?qū)oT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)分析和仿真模擬充分結(jié)合，預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生的各種意外突發(fā)情況，進(jìn)而作出最佳決策。

3 數(shù)字孿生體的實(shí)現(xiàn)方式

數(shù)字孿生體的實(shí)現(xiàn)可以分為五個(gè)階段：

（1）三維建模：即將物理實(shí)體通過(guò)建模軟件，在虛擬世界呈現(xiàn)。

（2）數(shù)據(jù)可視化：對(duì)物體實(shí)體的各項(xiàng)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和虛擬重現(xiàn)。

（3）仿真預(yù)測(cè)：基于模型和數(shù)據(jù)，在虛擬映射中進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并與物理實(shí)體比對(duì)，優(yōu)化算法和模型，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步建立自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

（4）輔助決策：通過(guò)分析預(yù)測(cè)結(jié)果，給出決策建議，輔助人進(jìn)行輔助決策。

（5）自主決策：系統(tǒng)能夠正確預(yù)測(cè)和處理所有狀況，具備自主決策能力，可實(shí)現(xiàn)完全無(wú)人化托管。

數(shù)字孿生是一系列技術(shù)的集成融合創(chuàng)新應(yīng)用，包括人機(jī)交互技術(shù)、建模分析技術(shù)、數(shù)據(jù)集成技術(shù)、感知控制技術(shù)等。其中人機(jī)交互技術(shù)，包括HMI、Web端的可視化，以及AR、VR等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

4 與其他相近概念的比較

4.1 數(shù)據(jù)可視化不是數(shù)字孿生

國(guó)內(nèi)一些廠商提供的方案，僅僅是在完成三維建模的基礎(chǔ)上，做了UI設(shè)計(jì)、動(dòng)效設(shè)計(jì)等界面上的美化，接入了部分外部數(shù)據(jù)，予以實(shí)時(shí)的多種型式的展示，這并不是完整的數(shù)字孿生方案，僅僅是實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化。完整的數(shù)字孿生方案，應(yīng)該繼續(xù)深入，開(kāi)發(fā)出模擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)行的算法和模型，進(jìn)行仿真、預(yù)測(cè)和決策。

當(dāng)然，這涉及到深層次的業(yè)務(wù)知識(shí)，需要城市管理、工廠等相關(guān)部門(mén)資深的技術(shù)人員提供背后的流程和邏輯，再抽象到數(shù)學(xué)和物理等知識(shí)，開(kāi)發(fā)出算法模型。這些都需要業(yè)務(wù)部門(mén)的支持，同時(shí)，開(kāi)放這些信息給IT人員，可能也涉及到業(yè)務(wù)保密方面的限制。

所以，真正的數(shù)字孿生，筆者認(rèn)為應(yīng)該是“業(yè)務(wù)主導(dǎo)”，而不是“IT主導(dǎo)”，數(shù)字孿生體的開(kāi)發(fā)人員，應(yīng)該比一般的業(yè)務(wù)人員更懂業(yè)務(wù)，否則開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)只能是虛有其表。

4.2 系統(tǒng)仿真不是數(shù)字孿生

系統(tǒng)仿真（system simulation）就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過(guò)程的，且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿真模型，據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。

系統(tǒng)仿真，通常是仿真運(yùn)行前設(shè)計(jì)好模型算法，給定初始數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)模擬運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果再對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化。部分系統(tǒng)仿真供應(yīng)商也提出了數(shù)字孿生的概念，不可否認(rèn)，系統(tǒng)仿真有朝著數(shù)字孿生發(fā)展的潛力，但是傳統(tǒng)意義上的系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生有著明顯區(qū)別：第一，它不是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，修改測(cè)試方案需要人工修改參數(shù)后下發(fā)。第二，最終輸出結(jié)果不參與系統(tǒng)控制，只是用于輔助設(shè)計(jì)人員和調(diào)試人員的工作。

廣義上，可以把系統(tǒng)仿真看成數(shù)字孿生的一個(gè)子集。

4.3 信息物理系統(tǒng)不是數(shù)字孿生

信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)、通信、控制技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。

信息物理系統(tǒng)，似乎與數(shù)字孿生體高度相似，但是從它的特點(diǎn)來(lái)看，有兩個(gè)主要區(qū)別：一是它的實(shí)時(shí)性，它強(qiáng)調(diào)對(duì)現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)高精度控制，而數(shù)字孿生體，可以說(shuō)在實(shí)施自主決策以前，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界幾乎不做干預(yù)。二是信息物理系統(tǒng)的高效和高精度，要求它必須是嵌入式系統(tǒng)，而數(shù)字孿生體是開(kāi)放的平臺(tái)。

廣義上，可以把信息物理系統(tǒng)看成數(shù)字孿生的一個(gè)延伸。

4.4 元宇宙不是數(shù)字孿生

元宇宙（Metaverse），最初是1992年由美國(guó)尼爾·斯蒂芬森在其科幻小說(shuō)《雪崩》里提出的概念。2021年被定義為元宇宙元年，各大IT公司紛紛布局，尤其是隨著Facebook公司更名為Meta，市場(chǎng)逐漸火爆，甚至出現(xiàn)泡沫化。

元宇宙也會(huì)用到數(shù)字孿生技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界鏡像到虛擬世界。但是，元宇宙與現(xiàn)實(shí)世界的緊密聯(lián)系主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)、社交等方面，更注重個(gè)人身份的認(rèn)同、朋友圈以及沉浸式體驗(yàn)，允許個(gè)人在虛擬世界里進(jìn)行創(chuàng)作發(fā)揮。所以，元宇宙的終端主要是VR設(shè)備，未來(lái)還可能有腦機(jī)接口。這些都是與數(shù)字孿生體的差異所在。相比而言，元宇宙更傾向于民用，與個(gè)人生活、辦公、娛樂(lè)等密切相關(guān)。

另外，數(shù)字孿生體針對(duì)不同的應(yīng)用，都是單獨(dú)的個(gè)體，互不關(guān)聯(lián)。而元宇宙，似乎要囊括一切。最近，工業(yè)元宇宙的概念被提出，目前看來(lái)，這也只是一種沉浸式體驗(yàn)、參觀的概念，不涉及到更深層次的分析、預(yù)測(cè)和決策。

4.5 與真實(shí)世界的緊密關(guān)系比較

從與真實(shí)世界的相似度以及交互程度，來(lái)進(jìn)行比較，如圖1所示。

數(shù)字孿生體，根據(jù)城市、工廠等不同應(yīng)用場(chǎng)景，目的和要求不同，對(duì)三維模型的精度要求也不同，可以形似，也可以高精度。另外，它需要外部數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，有一定的實(shí)時(shí)性要求。最終發(fā)展成熟以后，會(huì)實(shí)施自主決策，來(lái)干預(yù)現(xiàn)實(shí)。

系統(tǒng)仿真，由于要考慮數(shù)學(xué)、物理等諸多理論，來(lái)進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，對(duì)三維建模的精度，以及與現(xiàn)實(shí)實(shí)體的相似性，要求極高。另外，仿真通常是一次性輸入環(huán)境參數(shù)、初始數(shù)據(jù)和算法模型等，仿真期間不需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的外部數(shù)據(jù)輸入，結(jié)果通常用于輔助人來(lái)決策和優(yōu)化設(shè)計(jì)、參數(shù)等，不需要輸出控制。

信息物理系統(tǒng)，與數(shù)字孿生體類(lèi)似，模型精度以及與現(xiàn)實(shí)世界的相似性，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景變化。但是它強(qiáng)調(diào)通信和控制的實(shí)時(shí)性，也要實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，所以對(duì)實(shí)時(shí)交互要求極高。

元宇宙，雖然也使用數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行三維建模，但是它更注重社會(huì)性，對(duì)視覺(jué)體驗(yàn)和內(nèi)容交互要求高，對(duì)模型精度要求并不高。再加上元宇宙允許人們?cè)谔摂M世界中進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作和設(shè)計(jì)，隨著發(fā)展，與現(xiàn)實(shí)世界的差異會(huì)越來(lái)越大。所以，元宇宙與現(xiàn)實(shí)世界有聯(lián)系，但可以說(shuō)是另外一個(gè)平行世界。

圖1 與真實(shí)世界的緊密關(guān)系比較

4.6 包含關(guān)系比較

數(shù)字孿生、數(shù)字仿真、信息物理、元宇宙都會(huì)用到三維建模技術(shù)，人機(jī)交互技術(shù)，以及數(shù)據(jù)算法等。所以它們之間會(huì)有交集，廣義來(lái)看，系統(tǒng)仿真可以包含在數(shù)字孿生的范疇里，信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生體相似度較高，而元宇宙與其他三者，交集相對(duì)較少。如圖2所示。

圖2 包含關(guān)系比較

5 結(jié)論

數(shù)字孿生、系統(tǒng)仿真、信息物理、元宇宙等不同

概念，雖然在技術(shù)上有相同之處，但是都有著明顯的區(qū)

別。如表1所示。

表1 數(shù)字孿生、數(shù)字仿真、信息物理、元宇宙對(duì)比

*表中所指的建模精度的高低，并不是單指視覺(jué)效果，而是綜合從數(shù)學(xué)、物理等特性上的考慮。比如考慮建筑結(jié)構(gòu)承重、碰撞和受力分析等。

數(shù)字孿生體是一項(xiàng)融合了建模、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、數(shù)學(xué)、物理等多專(zhuān)業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)，目前世界上沒(méi)有成熟的完整案例（至少對(duì)外公開(kāi)的沒(méi)有）。胡權(quán)教授認(rèn)為，特斯拉公司可能已經(jīng)掌握了數(shù)字孿生體的模板，但是未對(duì)外公開(kāi)。

當(dāng)然，技術(shù)在不斷發(fā)展，向各行業(yè)滲透，也不能斷言數(shù)字孿生、數(shù)字仿真、信息物理、元宇宙之間不會(huì)相互融合。比如系統(tǒng)仿真可能會(huì)發(fā)展并逐步融合到數(shù)字孿生體，數(shù)字孿生體也可能會(huì)借鑒一些信息物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)交互技術(shù)。而未來(lái)，如果元宇宙得以實(shí)現(xiàn)，并吞噬一切，數(shù)字孿生體、信息物理系統(tǒng)未必不可能演變成為它的一個(gè)“游戲副本”。

作者簡(jiǎn)介：

周芳 （1985-），男，湖南懷化人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化、智能制造、精益管理等。

肖激楊 （1969-），男，湖南永州人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化、智能制造、項(xiàng)目管理等。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡權(quán).數(shù)字孿生體：第四次工業(yè)革命的通用目的技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社,2021.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年9月刊