歷史的真相在細節(jié)中

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回想我剛參加工作時，趕上單位推廣二維CAD繪圖，組里的前輩教我繪制發(fā)動機零件圖。雖然只是二維CAD，已經(jīng)比在圖板上畫圖方便多了，很大程度上提高了設(shè)計和更改管理的效率。但我還不知足，看著AutoCAD的三維線框建模功能，我和那位前輩感嘆：要是什么時候能在CAD軟件里畫出真實三維的發(fā)動機，并且能讓發(fā)動機在軟件里轉(zhuǎn)起來就好了；要是還能帶著實實在在的材料質(zhì)量和控制功能地轉(zhuǎn)起來，那就可以模擬試車臺的試驗了。沒想到僅僅二十多年，這個與數(shù)字孿生體相關(guān)的建模和仿真的夢想已經(jīng)部分實現(xiàn)了。

和我個人的夢想相比，數(shù)字孿生體緣起、產(chǎn)生和發(fā)展的歷程則要腳踏實地、生動深刻得多。國內(nèi)通常以為，數(shù)字孿生體的概念最早是由Michael Grieves博士于2002年12月在密歇根大學召開的PLM會議上提出，但實際的真相并非如此，其中的細節(jié)也要豐富得多。Michael Grieves博士多年來從事PLM咨詢服務工作，曾在多所大學認職，現(xiàn)任佛羅里達理工學院先進制造首席科學家。Grieves博士先是在2002年10月制造工程協(xié)會管理論壇上展示了圖1的片子，但沒起名字；同年12月PLM會議上，Grieves博士為這張片子起名“PLM的概念化理想（Conceptual Ideal for PLM）”。2003年，這個模型被他用于密歇根大學的PLM課程；2005年，他將圖1的模型命名為鏡像空間模型（Mirrored Spaces Model）；2006年，改名為信息鏡像模型（Information Mirroring Model）；接下來，還有虛擬孿生和虛擬幽靈的叫法。終于，在2011年出版的《Virtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products throughProduct Lifecycle Management》一書中，Grieves博士引入了“數(shù)字孿生體（Digital Twin）”這一新名稱，只不過這個新名稱是出現(xiàn)在圖1（汽車換成了火箭）所在5.2節(jié)標題（信息鏡像模型）的尾注里。這個尾注有三句話，兩部分內(nèi)容，先是介紹了信息鏡像模型的出處，然后第三句是——John Vicker of NASA has a simpler and more evocative（令人回味、引發(fā)聯(lián)想）name: Digital Twin?？上н@個尾注最后這句在2017年的中譯本中沒有翻譯。不知是否是Grieves博士在2016年初修訂英文版（這個修訂的英文版市面上見不到）時去掉了，還是漏譯了？另外，2017年的中譯本新增了第15章虛擬智能，其中包括15.2 節(jié)“物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生模型”，五百余字，介紹了數(shù)字孿生體模型對物聯(lián)網(wǎng)不可或缺。

?圖1 數(shù)字孿生體術(shù)語名稱的前身——PLM的概念化理想

上面尾注中提到的John Vicker，是Grieves博士的客戶和合作伙伴，長期擔任NASA先進材料和制造領(lǐng)域首席技術(shù)專家，現(xiàn)任馬歇爾中心材料與工藝實驗室副主任和NASA國家先進制造中心主任。我們通過文獻發(fā)現(xiàn)，實際上早在2010年，John Vicker領(lǐng)導的NASA團隊就在其技術(shù)路線圖中提到了數(shù)字孿生體技術(shù)。緊接著2011年，美國空軍實驗室也提出了利用數(shù)字孿生體技術(shù)進行飛機結(jié)構(gòu)壽命預測。

雖然后來Grieves博士曾談到，具體的名字不重要，關(guān)鍵是概念和模型的內(nèi)容本身；但現(xiàn)在回首這段往事，我們會感嘆，為一個概念起個好名字，有多重要。也會感嘆，作為PLM咨詢顧問的Michael Grieves博士與行業(yè)專家John Vickers的完美配合；更會思考，為什么“數(shù)字孿生體（Digital Twin）”會來自NASA和空軍的工程實踐。

數(shù)字孿生體的思想或需求可以再往前追溯到美國的阿波羅登月工程。NASA為登月火箭、飛船和登月艙所建各種模擬器，可以說就是一種物理孿生體。1970年，這些模擬器和相應的仿真團隊在阿波羅13號飛船那場最成功的失敗和最偉大的救援中起到了至關(guān)重要的作用（如為回程的三位宇航員攢出新的二氧化碳過濾裝置，地面宇航員密集的返回測試和仿真等等）。五十年后的今天，NASA已經(jīng)開始使用數(shù)字孿生體制造下一代太空飛行器。明年是火星探測的大年，中國為火星探測在河北懷來興建的地外天體著陸綜合試驗場，也體現(xiàn)了數(shù)字孿生體的思想。

總結(jié)數(shù)字孿生體的發(fā)展歷程，可以分為四個階段：

(1) 1960-世紀之交，是數(shù)字孿生體的技術(shù)準備期，主要是指CAD/CAE建模仿真、系統(tǒng)工程等預先技術(shù)的準備。

(2) 2002-2010，是數(shù)字孿生體的概念產(chǎn)生期，指數(shù)字孿生體模型的出現(xiàn)和英文術(shù)語名稱的確定。這段時間，預先技術(shù)繼續(xù)成熟，出現(xiàn)了仿真驅(qū)動的設(shè)計、基于模型的系統(tǒng)工程等先進設(shè)計范式。

(3) 2010-2020是數(shù)字孿生體的預先應用期，主要指NASA、美軍方和GE等航空航天國防軍工機構(gòu)的領(lǐng)先應用；這段時間也是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器學習、區(qū)塊鏈等外圍使能技術(shù)的準備期。目前數(shù)字孿生體的定義不下20個，大部分IT廠商、工業(yè)巨頭和咨詢機構(gòu)都有自己的定義或與自身業(yè)務相關(guān)的數(shù)字孿生體解決方案。從今年開始，ISO、IEC、IEEE三大標準化組織開始著手數(shù)字孿生體相關(guān)標準化工作，明年會陸續(xù)有相關(guān)國際標準發(fā)布。

(4) 2020-未來，數(shù)字孿生體技術(shù)的深度開發(fā)和大規(guī)模擴展應用期。MarketsandMarkets于2018年4月發(fā)布預測：數(shù)字孿生體市場年化增長率將達到38%，到2023年，數(shù)字孿生體市場價值將達到156.6億美元。為什么會有這樣樂觀的預測？數(shù)字孿生體技術(shù)在即將到來的第四次工業(yè)革命中的地位和作用究竟如何？

未來的趨勢在共識

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先來看近幾年Gartner公司的技術(shù)趨勢預測。2017年，數(shù)字孿生體出現(xiàn)在新興技術(shù)成熟度曲線的上升段（圖2）；2018年，數(shù)字孿生體到達了曲線的頂點（圖3）。Gartner公司認為數(shù)字孿生體技術(shù)需要5-10年到達曲線的平臺期。2019年，數(shù)字孿生體未出現(xiàn)在曲線中，標志著它已不再是新興技術(shù)，而是進入主流技術(shù)行列。

?圖2 Gartner公司2017年新興技術(shù)成熟度曲線

圖3 Gartner公司2018年新興技術(shù)成熟度曲線

而且，數(shù)字孿生體技術(shù)從2017年到2019年，連續(xù)三年入選Gartner十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢（圖4）。Gartner公司將戰(zhàn)略技術(shù)趨勢定義為具有重大顛覆性潛力的趨勢，正在從新興狀態(tài)中發(fā)展壯大，有望產(chǎn)生更廣泛的影響及應用范圍，或者正在以巨大的波動性迅速增長，并預計能夠在未來五年內(nèi)達到臨界點。

?圖4 Gartner公司十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢2017-2019

更進一步， Gartner公司的2020年十大戰(zhàn)略技術(shù)中的第一項，超自動化（Hyperautomation，指通過多種機器學習、軟件和自動化工具的打包組合來完成工作）認為，在模型驅(qū)動的組織基礎(chǔ)上，實現(xiàn)組織的數(shù)字孿生體（Digital Twin of an Organization）是獲得超自動化全部收益的預先要求和前提。

再進一步，2019年7月，Gartner公司發(fā)布數(shù)字政府技術(shù)成熟度曲線（圖5），“政府的數(shù)字孿生體”赫然出現(xiàn)在曲線的起點。

圖5 Gartner公司2019數(shù)字政府技術(shù)成熟度曲線

咨詢機構(gòu)的這些數(shù)字和曲線告訴我們，數(shù)字孿生體絕對不是炒概念，而是實實在在的技術(shù)和生意。在真正理解未來的趨勢和確定當下的行動之前，我們需要思考一下，這一切是如何發(fā)生的？我們需要回到事情的本源，看看數(shù)字孿生體的初心和本質(zhì)究竟是什么？

NASA為阿波羅工程創(chuàng)建的各種模擬器和仿真團隊，是為了消除登月項目的不確定性；同樣，數(shù)字孿生體也是為了消除各種系統(tǒng)、特別是復雜系統(tǒng)的不確定性，只不過，數(shù)字孿生體是通過數(shù)字化和模型化，以更少的能量，以信息換能量的方式來消除不確定性?，F(xiàn)在，讓我們用現(xiàn)代TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)完備性法則（圖6）和技術(shù)系統(tǒng)進化趨勢（圖7）來重新審視這兩種孿生方式。我們發(fā)現(xiàn)，阿波羅工程的物理孿生模型只是單純應用了向雙系統(tǒng)躍遷趨勢，兩個孿生子系統(tǒng)之間需要外部資源（人工）介入；圖1的數(shù)字孿生體模型復合應用了流增強趨勢、增強物場相互作用趨勢和向超系統(tǒng)躍遷趨勢，以降低能耗，來提高系統(tǒng)理想度（即用盡可能少的資源實現(xiàn)盡可能多的有用功能）。

接下來的問題是，為什么要以信息換能量？為什么要降低能耗？為什么要提高系統(tǒng)理想度？或者問：半個世紀前NASA或美國為什么要登月？現(xiàn)在人類為什么要重啟探月、登月，還要去火星？所有這些問題的答案都是一個：為了人類文明的可持續(xù)發(fā)展。六千至八千年的人類文明進程是城市化、全球化和工業(yè)化依次展開、相互交織和疊加的歷史進程，人類文明的可持續(xù)發(fā)展是這三化的共同目標（圖8）。城市化是通過持續(xù)增加城市人口聚集程度和個體專業(yè)化分工（增加能量密度和信息溝通效率），來不斷提升以群體與環(huán)境互動為核心的人類生活水平。全球化是通過人員、物資、技術(shù)、資金、信息、市場等這些價值資源的跨（國家、族群、行業(yè)、組織）邊界的流動和全球配置，來不斷提升人類社會活動（經(jīng)濟政治文化等）的體系化水平。工業(yè)化是通過持續(xù)采用新技術(shù)和追求高效的專業(yè)化組織（增加能量利用總量和改進信息組織水平），來不斷提升以產(chǎn)品設(shè)計和制造活動為核心的物質(zhì)生產(chǎn)水平。物質(zhì)生產(chǎn)、能量利用和信息組織是人類文明進程中內(nèi)含的三條主線。人類文明進程的終極目標是不斷提升人類文明的理想度，走出地球走向宇宙。

圖6 現(xiàn)代TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)完備性法則

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圖7 現(xiàn)代TRIZ理論技術(shù)系統(tǒng)進化趨勢的應用

圖8 人類文明的可持續(xù)發(fā)展是城市化、全球化和工業(yè)化的共同目標

表1 歷次工業(yè)革命的技術(shù)系統(tǒng)分析

有了這個終極目標，我們可以通過回望人類歷史的歷次工業(yè)革命，來分析數(shù)字孿生體技術(shù)在即將到來的第四次工業(yè)革命中的地位和作用。表1中的部分項目借用了圖6的TRIZ理論技術(shù)系統(tǒng)完備性法則的模板，限于篇幅僅選取了工業(yè)化這一個視角，引入了技術(shù)經(jīng)濟學中的“通用目的技術(shù)”這一概念。通用目的技術(shù)（GPT）是一種單一的通用技術(shù)，在其整個生命周期中都具有以下公認的四個特征：(1) 最初有很大的改進余地，(2) 最終被廣泛使用，(3) 具有多種用途，(4) 并具有許多溢出效應。目前普遍認為，蒸汽機、電和內(nèi)燃機、計算機分別是頭三次工業(yè)革命的GPT；主流觀點也接受AI是第四次工業(yè)革命的GPT。雖然數(shù)字孿生體技術(shù)滿足GPT的四個充分必要條件，雖然我們有上述咨詢機構(gòu)給出的市場預測和技術(shù)預測，但在技術(shù)經(jīng)濟學領(lǐng)域還未正式認可數(shù)字孿生體技術(shù)是第四次工業(yè)革命的GPT，需要技術(shù)經(jīng)濟領(lǐng)域的專家或數(shù)字經(jīng)濟學家做專業(yè)的論證。我個人對相關(guān)技術(shù)、經(jīng)濟以及技術(shù)和經(jīng)濟的互動持審慎樂觀的態(tài)度，相信未來的趨勢在共識中。

當下的行動在系統(tǒng)中

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這里的“系統(tǒng)”是指系統(tǒng)思維和系統(tǒng)工程。首先是命名和術(shù)語定義。本文先討論命名問題，為什么我們要把Digital Twin的中文名稱定為“數(shù)字孿生體”？

“體”在中文中有多種涵義，其中包括：(1)事物的本身或全部，如物體、實體（object, entity）；(2) 事物的格局或規(guī)矩，如體制、體系（system, system of systems）。數(shù)字孿生體中的“體”字包含了上述兩種涵義。即數(shù)字孿生體，既可以指與現(xiàn)實空間中物理或邏輯實體或?qū)ο笙鄬Φ哪撤N數(shù)字化模型的實例，也可以指Digital Twin這一現(xiàn)象背后所包含的技術(shù)體系或?qū)W科（中文中的“體系”也是多義詞，可指系統(tǒng)system，如技術(shù)體系；也可指系統(tǒng)之系統(tǒng)system of systems，如體系工程。在這里取系統(tǒng)之意），也可以指數(shù)字孿生體這一技術(shù)系統(tǒng)在系統(tǒng)級（如產(chǎn)品、設(shè)備等）和體系級（如智能工廠、智慧城市、數(shù)字化作戰(zhàn)任務工程等）場景下的應用，還可以指作為通用目的技術(shù)引發(fā)的商業(yè)、經(jīng)濟和社會影響體系。

加上這個“體”字，一方面是借用了中文“體”字語義的模糊性來應對和減少Digital Twin譯成中文時在不同使用場景下的不確定性；另一方面，加上“體”字后，數(shù)字孿生體就是一個名詞，這樣為digital twinned和digital twinning的翻譯騰挪出了空間。

數(shù)字孿生體為跨層級、跨尺度的現(xiàn)實世界和虛擬世界建立了溝通的橋梁，是第四次工業(yè)革命的通用目的技術(shù)和核心技術(shù)體系之一，是支撐萬物互聯(lián)的綜合技術(shù)體系，是數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，是未來智能時代的信息基礎(chǔ)設(shè)施。接下來的十年，21世紀20年代，將成為“數(shù)字孿生體時代”。

現(xiàn)在離21世紀20年代的到來已經(jīng)以小時計了。這樣的時間點，既是制定年度計劃的好時候，也是考慮五年規(guī)劃、十年愿景的好時候，更是以宏大的歷史視角，回望人類歷次工業(yè)革命的工業(yè)化進程，展望第四次工業(yè)革命未來五十年、八十年的圖景及其帶給人類工業(yè)化、城市化和全球化的機遇和挑戰(zhàn)的恰當時機。沒有比“一只腳邁進第四次工業(yè)革命的門檻”這樣一幅畫面更具儀式感的想象了。當下，人們需要這樣的儀式感和敬畏心，不忘初心，牢記使命，以系統(tǒng)思維和系統(tǒng)工程的理論方法為指導，既關(guān)注長期，也關(guān)注當下，使得數(shù)字孿生體在21世紀20年代順利進入技術(shù)發(fā)展的平臺期，為數(shù)字經(jīng)濟賦能，為迎接第四次工業(yè)革命的到來夯實基礎(chǔ)。

關(guān)于安世亞太

安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進設(shè)計和增材制造經(jīng)驗，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進設(shè)計領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進設(shè)計和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進設(shè)計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。