★首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司周芳，肖激楊

1 前言

隨著(zhù)5G、大數據、云計算、區塊鏈、VR、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，近期，數字孿生、元宇宙等概念逐漸火熱。2021年，工業(yè)4.0研究院院長(cháng)胡權教授在他的著(zhù)作《數字孿生體：第四次工業(yè)革命的通用目的技術(shù)》里，詳細系統地闡述了數字孿生體的概念和發(fā)展，也提到了它與系統仿真、信息物理系統等的區別。本文借鑒胡教授提到的部分內容，展開(kāi)陳述，并加入作者自身的理解和詮釋。

2 數字孿生體的概念和價(jià)值體現

2009年，美國國防部研究計劃局（DAPRA）首先提出了數字孿生體的概念，用來(lái)描述以物理世界和數字空間對應方式的工程體系。隨后，美國空軍研究實(shí)驗室通過(guò)機身數字孿生體項目驗證了概念可行性，行業(yè)企業(yè)迅速進(jìn)入該領(lǐng)域。

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

數字孿生是個(gè)普遍適應的理論技術(shù)體系，可以在眾多領(lǐng)域應用，在產(chǎn)品設計、產(chǎn)品制造、醫學(xué)分析、工程建設等領(lǐng)域應用較多。在國內應用最深入的是工程建設領(lǐng)域，關(guān)注度最高、研究最熱的是智能制造領(lǐng)域。

數字孿生體的主要價(jià)值體現在：

（1）低成本試錯，在虛擬空間上對物理世界的行為進(jìn)行模擬驗證，修改參數即可以多次重復模擬，相比

現實(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，能夠將IoT實(shí)時(shí)數據、大數據分析和仿真模擬充分結合，預測未來(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 數字孿生體的實(shí)現方式

數字孿生體的實(shí)現可以分為五個(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。

（2）數據可視化：對物體實(shí)體的各項業(yè)務(wù)和數據進(jìn)行采集和虛擬重現。

（3）仿真預測：基于模型和數據，在虛擬映射中進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并與物理實(shí)體比對，優(yōu)化算法和模型，從簡(jiǎn)單到復雜，逐步建立自學(xué)習系統。

（4）輔助決策：通過(guò)分析預測結果，給出決策建議，輔助人進(jìn)行輔助決策。

（5）自主決策：系統能夠正確預測和處理所有狀況，具備自主決策能力，可實(shí)現完全無(wú)人化托管。

數字孿生是一系列技術(shù)的集成融合創(chuàng )新應用，包括人機交互技術(shù)、建模分析技術(shù)、數據集成技術(shù)、感知控制技術(shù)等。其中人機交互技術(shù)，包括HMI、Web端的可視化，以及AR、VR等虛擬現實(shí)技術(shù)。

4 與其他相近概念的比較

4.1 數據可視化不是數字孿生

國內一些廠(chǎng)商提供的方案，僅僅是在完成三維建模的基礎上，做了UI設計、動(dòng)效設計等界面上的美化，接入了部分外部數據，予以實(shí)時(shí)的多種型式的展示，這并不是完整的數字孿生方案，僅僅是實(shí)現了數據可視化。完整的數字孿生方案，應該繼續深入，開(kāi)發(fā)出模擬現實(shí)運行的算法和模型，進(jìn)行仿真、預測和決策。

當然，這涉及到深層次的業(yè)務(wù)知識，需要城市管理、工廠(chǎng)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，再抽象到數學(xué)和物理等知識，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，真正的數字孿生，筆者認為應該是“業(yè)務(wù)主導”，而不是“IT主導”，數字孿生體的開(kāi)發(fā)人員，應該比一般的業(yè)務(wù)人員更懂業(yè)務(wù)，否則開(kāi)發(fā)的系統只能是虛有其表。

4.2 系統仿真不是數字孿生

系統仿真（system simulation）就是根據系統分析的目的，在分析系統各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎上，建立能描述系統結構或行為過(guò)程的，且具有一定邏輯關(guān)系或數量關(guān)系的仿真模型，據此進(jìn)行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。

系統仿真，通常是仿真運行前設計好模型算法，給定初始數據，由系統模擬運行，根據運行結果再對系統優(yōu)化。部分系統仿真供應商也提出了數字孿生的概念，不可否認，系統仿真有朝著(zhù)數字孿生發(fā)展的潛力，但是傳統意義上的系統仿真與數字孿生有著(zhù)明顯區別：第一，它不是實(shí)時(shí)數據驅動(dòng)，修改測試方案需要人工修改參數后下發(fā)。第二，最終輸出結果不參與系統控制，只是用于輔助設計人員和調試人員的工作。

廣義上，可以把系統仿真看成數字孿生的一個(gè)子集。

4.3 信息物理系統不是數字孿生

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

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

廣義上，可以把信息物理系統看成數字孿生的一個(gè)延伸。

4.4 元宇宙不是數字孿生

元宇宙（Metaverse），最初是1992年由美國尼爾·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(zhù)Facebook公司更名為Meta，市場(chǎng)逐漸火爆，甚至出現泡沫化。

元宇宙也會(huì )用到數字孿生技術(shù)，將現實(shí)世界鏡像到虛擬世界。但是，元宇宙與現實(shí)世界的緊密聯(lián)系主要體現在經(jīng)濟、社交等方面，更注重個(gè)人身份的認同、朋友圈以及沉浸式體驗，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設備，未來(lái)還可能有腦機接口。這些都是與數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，數字孿生體針對不同的應用，都是單獨的個(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、參觀(guān)的概念，不涉及到更深層次的分析、預測和決策。

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。

數字孿生體，根據城市、工廠(chǎng)等不同應用場(chǎng)景，目的和要求不同，對三維模型的精度要求也不同，可以形似，也可以高精度。另外，它需要外部數據動(dòng)態(tài)驅動(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)干預現實(shí)。

系統仿真，由于要考慮數學(xué)、物理等諸多理論，來(lái)進(jìn)行模擬仿真計算，對三維建模的精度，以及與現實(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、初始數據和算法模型等，仿真期間不需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的外部數據輸入，結果通常用于輔助人來(lái)決策和優(yōu)化設計、參數等，不需要輸出控制。

信息物理系統，與數字孿生體類(lèi)似，模型精度以及與現實(shí)世界的相似性，根據應用場(chǎng)景變化。但是它強調通信和控制的實(shí)時(shí)性，也要實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)，所以對實(shí)時(shí)交互要求極高。

元宇宙，雖然也使用數字孿生技術(shù)，對現實(shí)世界進(jìn)行三維建模，但是它更注重社會(huì )性，對視覺(jué)體驗和內容交互要求高，對模型精度要求并不高。再加上元宇宙允許人們在虛擬世界中進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng )作和設計，隨著(zhù)發(fā)展，與現實(shí)世界的差異會(huì )越來(lái)越大。所以，元宇宙與現實(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

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

圖2 包含關(guān)系比較

5 結論

數字孿生、系統仿真、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(zhù)明顯的區

別。如表1所示。

表1 數字孿生、數字仿真、信息物理、元宇宙對比

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

數字孿生體是一項融合了建模、數據處理、網(wǎng)絡(luò )、業(yè)務(wù)、數學(xué)、物理等多專(zhuān)業(yè)的復雜系統，目前世界上沒(méi)有成熟的完整案例（至少對外公開(kāi)的沒(méi)有）。胡權教授認為，特斯拉公司可能已經(jīng)掌握了數字孿生體的模板，但是未對外公開(kāi)。

當然，技術(shù)在不斷發(fā)展，向各行業(yè)滲透，也不能斷言數字孿生、數字仿真、信息物理、元宇宙之間不會(huì )相互融合。比如系統仿真可能會(huì )發(fā)展并逐步融合到數字孿生體，數字孿生體也可能會(huì )借鑒一些信息物理系統的實(shí)時(shí)性數據交互技術(shù)。而未來(lái)，如果元宇宙得以實(shí)現，并吞噬一切，數字孿生體、信息物理系統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，高級工程師，學(xué)士，現就職于首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，主要研究方向為電氣自動(dòng)化、智能制造、精益管理等。

肖激楊 （1969-），男，湖南永州人，高級工程師，學(xué)士，現就職于首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，主要研究方向為電氣自動(dòng)化、智能制造、項目管理等。

參考文獻：

[1]胡權.數字孿生體：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