導(dǎo)讀：數(shù)字孿生到底是什么，能做什么，邊界在哪里，它和建模仿真是什么關(guān)系等等問題令很多人困惑。本文嘗試對其中的一些疑惑進(jìn)行粗淺的分析。

關(guān)于數(shù)字孿生的冷思考及其背后的建模和仿真技術(shù)

近年來，數(shù)字孿生（DigitalTwin）一詞迅速躥紅，成為一個炙手可熱的概念。但隨著工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對數(shù)字孿生的不斷解讀，其含義卻越發(fā)撲朔迷離，和其他一些相關(guān)概念的界限也越來越模糊。數(shù)字孿生到底是什么，能做什么，邊界在哪里，它和建模仿真是什么關(guān)系等等問題令很多人困惑。本文嘗試對其中的一些疑惑進(jìn)行粗淺的分析。

1、Digital Twin 到底指什么？

由于Digital Twin的中文翻譯莫衷一是(這個問題稍后會提到)，暫時使用DT代表Digital Twin。

在信息領(lǐng)域，一個概念有多種解釋已是司空見慣的事情。不過大多概念雖然在開始出現(xiàn)時含義模糊，定義不明，但經(jīng)過一段時間討論和沉淀之后，會逐漸形成一致的看法，比如云計算。而DT很有意思，它一開始的時候，含義還比較明確，但隨著研究的深入，定義和內(nèi)涵卻越來越模糊。另外，很多概念，雖然有多種不同的定義和解釋，但大致的區(qū)別都在于要么看問題的角度和側(cè)重點不同，要么解釋的詳細(xì)程度不同，要么文字表述方式不同，而概念本身所指向的事物主體卻是確定的。像DT這樣，不同的定義指向不同的主體，卻不多見。

DT一詞，業(yè)界一般認(rèn)為，是由密西根大學(xué)Michael Grieves教授于2002年針對產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)提出的一個概念，當(dāng)初并不叫Digital Twin，而是叫鏡像空間模型(Mirrored Space Model, MSM)，后來NASA的John Vickers將其命名為Digital Twin[1]。其模型的屬性是很清楚的，盡管當(dāng)時沒有引起太多關(guān)注，卻也沒有什么歧義，DT就是一個數(shù)字化的模型。

但隨著NASA將其引入《NASA空間技術(shù)路線圖》，DT的含義發(fā)生了重要的變化。NASA給出的解釋是這樣的：DT是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程[2]。

DT的主體變成了仿真。

還是這個報告，又很明確地指出，NASA的Digital Twin就是“基于仿真的系統(tǒng)工程”（Simulation-Based Systems Engineering）。

DT的主體又變成了系統(tǒng)工程。

NASA對DT的這些解讀大概是引起后續(xù)DT的定義和內(nèi)涵含糊不清的根源。我們不妨列舉一些有代表性的定義。

(1) DT是物理設(shè)備的一個實時的數(shù)字副本[3]。

(2) DT是有生命或無生命的物理實體的數(shù)字副本。通過連接物理和虛擬世界，數(shù)據(jù)可以無縫傳輸，從而使得虛擬實體與物理實體同時存在[4]。

(3) DT是對人工構(gòu)建的或自然環(huán)境中的資產(chǎn)、流程或系統(tǒng)的數(shù)字表示[5]。

(4) DT是資產(chǎn)和過程的軟件表示，用于理解，預(yù)測和優(yōu)化性能以改善業(yè)務(wù)[6]。

(5) DT是實際產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測對應(yīng)物的性能特點[7]。

(6) DT是在云平臺上運行的真實機器的耦合模型，并使用來自數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析算法以及其他可用物理知識的集成化知識對健康狀況進(jìn)行仿真[8]。

(7) DT是物理對象或系統(tǒng)在其整個生命周期中的動態(tài)虛擬表示，使用實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)理解，學(xué)習(xí)和推理[9]。

(8) DT使用物理系統(tǒng)的數(shù)字副本執(zhí)行實時優(yōu)化[10]。

(9) DT是現(xiàn)實世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁[11]。

圖1是上面各種定義中所提到的和DT有關(guān)的各個部分。包括①物理對象、②數(shù)據(jù)、③模型、④仿真和⑤仿真結(jié)果。

圖1 與DT相關(guān)的各個部分

這些定義分別將DT指向圖1中的不同部分。

第一類：定義(1)~(5)將DT定義為數(shù)字副本、數(shù)字表示、軟件表示或虛擬表示，指向③，即DT是一個隨物理對象實時更新的模型，因為不管是數(shù)字副本、數(shù)字表示還是軟件表示或虛擬表示，都屬于模型的范疇。

第二類：定義(6)~(8)將DT指向③和④，即DT是模型加仿真。

第三類：定義(9)將DT指向②和⑤，即DT是連接物理對象和模型之間的橋梁。

那么，作為一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)術(shù)語，哪一個更合理呢？不妨來分析一下。

第二類將建模和仿真合起來定義成一個新的概念，一方面沒有必要，另一方面也不合理。因為模型和仿真雖然密切相關(guān)，但確是兩件事情。模型是對事物的描述，而仿真則是基于模型的各種活動，就像兩個數(shù)的量綱不同，是不能直接相加成為一個數(shù)的。

第三類聽起來很有煽動性，但卻最不合理。如果將來自物理對象的數(shù)據(jù)或是仿真反饋的數(shù)據(jù)稱為“橋梁”到無可厚非，但這兩類數(shù)據(jù)都不能稱為物理對象的Twin。

因此，相對而言還是第一類定義最為合理，即DT就是物理對象的一個數(shù)字化模型。只不過這個模型可以實時接收來自物理對象的數(shù)據(jù)，從而可以不斷演化以保持與物理對象的一致。當(dāng)然并不是說之前的模型不具備演化特性，只不過之前模型的演化并沒有強調(diào)實時性。

在關(guān)于DT的理解中，還有一個問題令人困擾，即一個DT是否應(yīng)該包含物理對象，即圖1中的①？這也使得很多人對于DT與信息物理系統(tǒng)的關(guān)系感到困惑。

造成這個問題的根源也來自NASA和美國空軍研究辦公室的相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]，它們認(rèn)為DT的概念由三個不同的部分組成：物理產(chǎn)品，數(shù)字/虛擬產(chǎn)品以及兩個產(chǎn)品之間的連接。即圖1中的①②③甚至⑤。

但顯然這樣的解釋存在邏輯上的問題。如果DT里面包含物理系統(tǒng)，那么這個Twin就沒有了參照物。因為Twin一定是和另一個人（或物體）相對而言的。當(dāng)然如果將①和③合起來稱為Twins，即雙胞胎，倒還說得過去，但不能叫Digital Twins，因為其中一個是digital，另一個是physical。所以在DT概念里還是應(yīng)該把物理對象和數(shù)字模型這兩部分區(qū)分開來。

按照前面的分析，若將DT定義為物理對象的一個數(shù)字化模型，那么DT和信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System)之間的關(guān)系就很容易理清了，即數(shù)字模型、基于數(shù)字模型的各種活動（仿真）、物理對象以及數(shù)字模型和物理對象之間的連接（數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果）形成一個信息物理系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 DT和信息物理系統(tǒng)之間的關(guān)系

另外，還有一個可能引起歧義的問題，即DT中是否應(yīng)該包含從物理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，即圖1中的②？本人認(rèn)為，DT概念中不需要也不宜包含這類數(shù)據(jù)，因為這里的模型是根據(jù)這些數(shù)據(jù)實時演化的，所以數(shù)據(jù)的信息將在模型中得到體現(xiàn)。而且關(guān)于數(shù)據(jù)還有一個專門的技術(shù)，即Digital Thread技術(shù)，它可以用來處理和Digital Twin有關(guān)的數(shù)據(jù)問題。

再來看一下關(guān)于DT的中文翻譯問題。目前雖然數(shù)字孿生一詞用的較為普遍，但數(shù)字雙胞胎或數(shù)字化雙胞胎等稱謂仍然經(jīng)常被使用。

DT最早翻譯為數(shù)字化雙胞胎或數(shù)字雙胞胎。后來經(jīng)專家考證，改為數(shù)字孿生。大概的意思是說，雙胞胎是指兩個人，即雙胞胎兄弟或雙胞胎姐妹，對應(yīng)的英文單詞應(yīng)該是Twins，Twin則是指雙胞胎中的一個，所以應(yīng)該叫孿生。其實孿生這個詞在中文里也少見單獨使用，多數(shù)情況下和兄弟、姐妹連用，如孿生兄弟、孿生姐妹等。不過單從詞義的準(zhǔn)確性上講，用數(shù)字孿生對應(yīng)Digital Twin，確實比數(shù)字雙胞胎更合理些。

聯(lián)想前面提到的關(guān)于DT概念的各種解釋，將DT譯為數(shù)字孿生，也就意味著，默認(rèn)了DT是指模型這一事實，并且不包含物理系統(tǒng)。因為孿生指的是雙胞胎中的一個，顯然不包含所對應(yīng)的物理系統(tǒng)本身。如果既包含模型部分又包含物理部分，那叫數(shù)字（化）雙胞胎應(yīng)該更合適些，雖然也不算嚴(yán)謹(jǐn)，因為正如前面所說，物理系統(tǒng)不是數(shù)字的。

在中文文獻(xiàn)中，對DT還有一種解讀，即將其解釋為一種建模的過程和方法，也稱為數(shù)字孿生技術(shù)，而利用這一技術(shù)所構(gòu)建的模型稱為數(shù)字孿生模型，或數(shù)字孿生體。這樣的解釋顯然和DT的基本含義無法對應(yīng)。

對DT概念認(rèn)識上的模糊不清，也是導(dǎo)致中文翻譯一直不能統(tǒng)一的一個重要原因。

綜上所述，筆者認(rèn)為，將DT翻譯為數(shù)字孿生更符合其本來的含義。對于數(shù)字孿生可以這樣理解：

數(shù)字孿生是物理對象的數(shù)字模型，該模型可以通過接收來自物理對象的數(shù)據(jù)而實時演化，從而與物理對象在全生命周期保持一致?；跀?shù)字孿生可進(jìn)行分析、預(yù)測、診斷、訓(xùn)練等（即仿真），并將仿真結(jié)果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進(jìn)行優(yōu)化和決策。物理對象、數(shù)字孿生以及基于數(shù)字孿生的仿真及反饋一起構(gòu)成一個信息物理系統(tǒng)(cyberphysical systems)。面向數(shù)字孿生全生命周期（構(gòu)建、演化、評估、管理、使用）的技術(shù)稱為數(shù)字孿生技術(shù)(DigitalTwin Technology)。

2、數(shù)字孿生背后的建模和仿真技術(shù)

作為學(xué)術(shù)研究，我們需要采用一個合理的且沒有歧義的概念，而不必糾結(jié)于NASA對于DT的解釋。但對于NASA所提到的NASA Digital Twin的真實目的卻不能忽視。事實上很多人對于DT的熱情和研究動機就來自于NASA Digital Twin為制造業(yè)的未來帶來的無限憧憬。

雖然我們對NASA關(guān)于DT概念的解釋并不認(rèn)同，但換個角度想一想，NASA其實并沒有將DT當(dāng)作一個嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)術(shù)語來進(jìn)行定義。其真正想表達(dá)的意思，是強調(diào)仿真的價值，即NASA飛行器研制需要遵循“基于仿真的系統(tǒng)工程”這一理念。

仿真技術(shù)幾乎是伴隨著計算機技術(shù)的誕生而產(chǎn)生的，自上世紀(jì)五十年代至今，已經(jīng)經(jīng)歷了六十多年的發(fā)展。由于仿真是以建立模型為基礎(chǔ)的，所以為了突出建模的重要性，建模和仿真常常一起出現(xiàn)，即Modeling & Simulation，?？s寫為M&S。

從下面的這段文字可以看出美國對建模和仿真的認(rèn)識所達(dá)到的高度。這段文字摘錄自美國國會于2007年7月16日通過的487號決議[14]。

美利堅合眾國是一個偉大而繁榮的國家，而建模和仿真極大地促進(jìn)了這一偉大和繁榮。

在美國，建模和仿真是計算機科學(xué)和數(shù)學(xué)的獨特應(yīng)用，它基于模型或仿真的有效性、正確性和可重復(fù)性，以及成千上萬的美國人在建模和仿真事業(yè)中開發(fā)這些模型的能力。

政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的建模和仿真領(lǐng)域的成員為美國的整體福利做出了突出的貢獻(xiàn)，下面的例子可以部分體現(xiàn)建模和仿真為美國做出的貢獻(xiàn)，盡管這些貢獻(xiàn)不勝枚舉：

(1)曼哈頓計劃期間，通過最早復(fù)現(xiàn)核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程的仿真，拓展了對核裂變的理解，最終促成了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束；

(2)作為“庫存管理計劃”的基本要素，使美國總統(tǒng)能夠在不進(jìn)行真實核試驗的情況下，確保核武器庫存十年以上的安全性和可靠性，并展示了國家對核不擴散的承諾。

僅從上面兩項貢獻(xiàn)，便可看出建模和仿真的巨大威力。而在這個決議中，這樣的案例共羅列了11條。在該決議中還明確提出，建模和仿真是“國家核心技術(shù)(National Critical Technology)”。

下面的內(nèi)容更加震撼。

1965年頒布的《高等教育法》是美國歷史上第一部高等教育立法，它通過擴展聯(lián)邦政府在高等教育財政領(lǐng)域的角色，使聯(lián)邦政府介入美國高等教育的發(fā)展，為美國高等教育普及化奠定了基礎(chǔ)。該法在美國高等教育改革中具有里程碑的意義[15]。

而2018年12月修訂生效的新版高等教育法，專門將建模和仿真作為一項重要的內(nèi)容（20 U.S. Code § 1161v - Modeling andsimulation）列入其中[16]，并使用大量篇幅說明政府和社會應(yīng)如何推動建模和仿真技術(shù)在大學(xué)教育中的普及。在整個法案中，還沒有見到任何其他的一項技術(shù)能夠享受如此高的待遇，即使近年來熱火朝天的人工智能技術(shù)，都沒有出現(xiàn)。

從這兩個文件可以看出，建模和仿真技術(shù)的基礎(chǔ)性和長遠(yuǎn)價值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其所在的技術(shù)領(lǐng)域范疇，將對國家利益和國家安全產(chǎn)生重大影響。

而在制造業(yè)，建模和仿真也一直發(fā)揮著不可替代的作用。2000年，由美國DARPA、商務(wù)部、能源部、NSF聯(lián)合發(fā)布了一項國家級制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究及推廣計劃“集成制造技術(shù)路線圖(IntegratedManufacturing Technology Roadmapping,IMTR)”。IMTR提出了未來制造業(yè)面臨的6個“重大挑戰(zhàn)”，即成為精良、高效的企業(yè)，提高響應(yīng)客戶的企業(yè)，成為全面互聯(lián)的企業(yè)，保持環(huán)境可持續(xù)性，進(jìn)行知識管理，善于應(yīng)用新技術(shù)。不難看出，這六大挑戰(zhàn)放到今天也仍然成立。IMTR進(jìn)而提出了迎接這6大挑戰(zhàn)的4類技術(shù)對策，即面向制造的信息系統(tǒng)，建模和仿真技術(shù)，制造工藝與裝備，企業(yè)集成。由此可見建模和仿真技術(shù)對于制造業(yè)的重要性。

而在此報告發(fā)布之前的1997年，美國國防部對武器采辦進(jìn)行改革，最重要的改革就是提出“基于仿真的采辦”(Simulation Based Acquisition, SBA)，即將建模和仿真應(yīng)用于武器從需求分析到最終報廢的全生命周期過程。而洛克希德馬丁公司的F35則是第一個全面引進(jìn)SBA概念而研制的產(chǎn)品。2017年11月，有報道稱，洛克希德馬丁公司將數(shù)字孿生列為未來國防和航天工業(yè)六大頂尖技術(shù)之首。洛馬的數(shù)字孿生背后其實是SBA，即基于仿真的采辦，這與NASA的基于仿真的系統(tǒng)工程如出一轍。

建模和仿真技術(shù)六十多年前誕生于美國，而且一直都在為美國的國家利益發(fā)揮著不可估量的作用，但美國人從來不把建模和仿真拿出來炒作。其中的原因值得我們深思。

3、對數(shù)字孿生不宜過度演繹，需保持清醒的頭腦

數(shù)字孿生（digital twin）這個詞之所以能夠走紅，很大程度上得益于這個詞本身的傳播特性，它形象，上口，通俗易懂，即使行外人也能從字面上明白個大概，而且還能引發(fā)無限的想象。對于科普或商業(yè)推廣，確實是個好詞。但作為一個學(xué)術(shù)術(shù)語，它卻缺乏應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)性，至少到目前為止仍然如此。當(dāng)前有兩種傾向值得關(guān)注，一是在概念上把數(shù)字孿生的內(nèi)涵不斷放大，賦予越來越多的內(nèi)容，致使與其他概念交叉甚至重疊；二是在應(yīng)用上將傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用貼上數(shù)字孿生的標(biāo)簽。這兩種傾向?qū)?shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展都沒有好處。

正如前面說講，數(shù)字孿生背后是建模和仿真技術(shù)。數(shù)字孿生最誘人的地方，是數(shù)字模型和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，而這種結(jié)合的最終目的是為了將模型打磨得更加接近真實系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為建模提供了一種新的強有力的手段，而且在對復(fù)雜系統(tǒng)機理缺乏足夠認(rèn)識的情況下，還可基于所采集的數(shù)據(jù)利用人工智能技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行建模。這是對建模技術(shù)的發(fā)展和補充。而基于模型的分析、預(yù)測、訓(xùn)練等活動，本來就是仿真要做的事。所以數(shù)字孿生本質(zhì)上是新一代信息技術(shù)在建模和仿真中的應(yīng)用。

經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，建模和仿真已經(jīng)形成了一個相當(dāng)完善和系統(tǒng)的技術(shù)體系。事實上，在仿真領(lǐng)域，利用動態(tài)實時數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和仿真的方法和技術(shù)已經(jīng)研究多年，如動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真(Dynamic Data Driven Simulations, DDDS)，嵌入式仿真，硬件在回路的仿真等。當(dāng)然，數(shù)字孿生作為仿真技術(shù)的重要內(nèi)容，通過與新一代信息技術(shù)的融合，將進(jìn)一步促進(jìn)建模和仿真技術(shù)的發(fā)展。

另外，建模和仿真技術(shù)體系中很多可以直接用于數(shù)字孿生的研究和應(yīng)用，包括理論、方法、標(biāo)準(zhǔn)、工具和平臺，而沒有必要在數(shù)字孿生的名義下重復(fù)開發(fā)。這也是NASA雖然提出2027年實現(xiàn)Digital Twin的目標(biāo)，但后續(xù)并沒有就Digital Twin本身再建立新的技術(shù)體系的原因。因為所需要的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、工具和平臺等，在其建模和仿真技術(shù)體系里大多都已經(jīng)存在了。換個標(biāo)簽，再搞一套類似的東西，既浪費資源，又浪費時間。

數(shù)字孿生的火爆，名字起的好固然很重要，但更重要的還是得益于西門子、GE等行業(yè)大鱷們的推波助瀾。清醒的業(yè)內(nèi)人士都清楚，數(shù)字孿生相關(guān)的核心技術(shù)大多掌握在外國人手中，如傳感技術(shù)、CAD技術(shù)、CAE技術(shù)、PLM技術(shù)、VR/AR技術(shù)等。西門子, Predix,達(dá)索、PTC, SAP, Ansys等企業(yè)之所以大肆渲染數(shù)字孿生的迷人前景和應(yīng)用價值，是因為他們確實掌握著數(shù)字孿生所必須的核心技術(shù)，而伴隨著數(shù)字孿生熱度的提升，真正熱賣的都是這些企業(yè)的產(chǎn)品。工業(yè)界對新概念的熱衷，都有其自身的目的，行內(nèi)人都心知肚明。

然而，上面提到的這些核心技術(shù)和產(chǎn)品恰恰是我國目前最缺乏的。但有意思的是，在國內(nèi)，對數(shù)字孿生的研究卻常常避重就輕，關(guān)注的多是些外圍的、非核心的東西，而且對其概念的熱情遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于提出這一概念的美國以及其他工業(yè)發(fā)達(dá)國家。我們大多數(shù)時間熱衷于概念的炒作，說的多、做的少，做虛事兒多，做實事兒少。其實尚且不知，我們一輪一輪的吶喊，都是在為他人助威。

對于嚴(yán)重缺乏核心技術(shù)支撐的我們，在熱詞不斷涌現(xiàn)的今天，應(yīng)該保持清醒的頭腦。埋頭研發(fā)卡脖子的關(guān)鍵技術(shù)才是硬道理。否則，我們既浪費了資源，又浪費了時間，最終失去的是發(fā)展的大好機遇和戰(zhàn)略主動權(quán)。

審核編輯 ：李倩