探求数字孪生的根源与深入应用

赵敏

我们发现当初预见的未来正在变成现实。我们聚焦的现代工业系统是怎样的？未来智能工业系统会怎样？目前，主要表现在零部件级、设备级、生产系统这三个维度上。

从2017年至今，“Digital Twin”一词，因为若干知名外企的频繁使用带来的示范效应以及国内一些专家的介绍，在市场上广为流传，热度渐升。不少业界巨头、咨询公司、行业专家都开始重视“Digital Twin”，并在各种媒体上发表了一些对“Digital Twin”的解读文章。

显然，“Digital Twin”正受到业界越来越多的重视，基本共识是它是构建CPS（赛博物理系统）的基础，是软件定义的重要体现，也是复杂产品研制的必备手段。而“数字双胞胎”一词则是来自对“Digital Twin”一词的一种理解与翻译。

但如何准确地翻译这个词汇，成为了业界关注的焦点内容之一。往小处说，这是一个技术术语翻译的“信达雅”问题，往大处说，这是一个如何理解智能制造的实现机理之一的问题。

对“Digital Twin”术语的准确理解

首先，Digital Twin这个英文术语的重点和难点在于对“Twin”的理解。根据目前所看到的资料，Digital Twin一词由美国密歇根大学的Michael Grieves教授，于2002年在他所讲授的PLM（产品生命周期管理）课程上引入，并且于2014年在其所撰写的“Digital Twin： Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”白皮书中进行了详细的阐述。

如果查词典，英文Twin的意思有如下选项：

n.孪生儿之一，双胞胎之一；两个相像的人或物之一；孪晶；双人床

vt.使结成姊妹城市；使（两人或两事物）紧密结合；使偶合；使相连

adj.成对的；成双的；双重的；双联的

n.人名；（英）特温

英文Twins的意思则是“双生子、双胞胎（twin的复数）”的意思。

當然，英文的原意需要作为翻译为中文的参考，但是在翻译一个英文词汇时，对其所附加的前缀词、后缀词、应用场景、特殊用途、言外之意、拓展意思等，都应该加以统筹考虑。

由此可见，任何一个重要的英文术语，在翻译成为中文的时候，都需要慎重考虑。不仅要翻译出来其准确的原意，更要考证其形成和应用的场景，这样才算是一个比较负责任的翻译结果。

现在对DT（Digital Twin）的翻译结果有很多，这些中文术语在含义上高度类似但是互有细微差别，个别翻译甚至差异较大。笔者逐一列出进行分析解读。

数字镜像—几何镜像：在二维空间里，一个物体（或二维图形）在某平面镜中反射出来的虚像。镜像与原实物同样大小，但不尽相同。磁盘镜像：在数据管理中指保留数据完整特征的复制品。

如果将二者的意思结合起来，是可以大致说明DT内涵的，但是有一点值得注意：镜像是左右或上下相反的对应关系。而DT并不完全是镜像的意思。

数字映射—作为动词，映射一词既有照射的含义，也指“形成对应关系”的动作。作为名词，在数学上，映射指两个元素集之间具有元素相互“对应”的关系。

PTC中国区技术总监纪丰伟博士说：“我们翻译Digital Twin的时候，感觉和照镜子类似，但也考虑到不可能完全一样。DT是要把关键的行为和形态映射出来，所以用了映射。”取其“形成对应关系”的“行为和形态”的意思，这个翻译结果是可用的。

数字双胞胎—这是一个来自英文“Twins”的翻译结果。其实，无论是DT的创始人Michael Grieves教授，还是三大工业软件公司，都是使用了“Digital Twin”而不是“Digital Twins”。

从英文原意来看，似乎不应该把“Digital Twin”翻译成“数字双胞胎”。“双胞胎”是指同一母亲一胞所生的两个孩子，无论其相同或相像，都是指两个实体之间的对应关系。显然，DT并非是两个实体之间的比较，而是虚/实之间所具有的相像、相通与互动关系。

数字孪生体—意思表述正确，数字孪生体就是物理实体在数字虚体中的精确映射结果。反过来，也可以说物理实体是数字虚体的“物理孪生体”。数字孪生体的重点在于说明数字虚体这一方，而不是人们最关注的虚实映射关系。

数字双生—较少使用。孪生与双生，毕竟有所不同。双生就具化到只有“两个”了。而孪生，则语义上更宽泛，未必是两个（例如一个实体事物对应两个或更多的虚拟事物）。这样为以后的词义拓展留下了空间。

数字孪生—目前看来比较恰当的翻译结果。取Twin的“两个相像的人或物之一”以及“使耦合”的含义，本意就是在数字虚体空间中所构建的虚拟事物，与物理实体空间中的实体事物所对应的、在形态和举止上都相像的虚实精确映射关系。但需要指出的是，相像归相像，甚至虚拟事物看着就像真的实体事物一样，但是一实一虚，彼此在本质上不是一回事。这是理解该术语的关键点。

由此可见，数字孪生、数字映射、数字孪生体、数字双生这四个词翻译的意思相近，都是可以接受的翻译结果。数字孪生、数字孪生体和数字映射更为常用一些，而数字镜像稍微有一点逊色。数字双胞胎一词则在原意上偏差大了一些。

为了准确理解DT这个术语，在对DT的理解上延伸到了这个术语更为广泛的“知识场景”上。

任何一个术语，在一个明确的字面意思的背后，其实都有其潜在的、不易见的，甚至是只能意会不可言传的知识场景。

例如“创新”一词，不仅在定义上有20多个，人们对其的理解与解读，也是形形色色，千奇百怪。写一个术语容易，建立对该术语的共识（共同的知识场景）则很难。对DT的理解，也会大致如此。

关于Twin所具有的“两个相像的人或物之一”的译意，其实还有一些可以辅助理解的词汇，例如复制、克隆、赝品、山寨等。

如果使用“复制”这个词来对比Twin，显然有时序上的问题，Twin具有“同时生成”的意思，而复制是在看到一个物体并且了解了其各方面的特征数据后，以合法或非法的方式，重新制作了一个。像与不像，要看复制的“手艺”了，彼此并非双胞胎的关系。

如果使用“克隆”这个词来对比Twin，也会存在时序上的先后。尽管克隆是一种生物复制技术，可以通过母体干细胞而培育一个与母体一模一样的生物体。但彼此不可能是双胞胎的关系。

如果使用“山寨”和“赝品”来对比Twin，不仅有时序上的问题，还有法律上的著作权或专利权的问题。如前所述，在物理实体空间，如果复制一个物理实体，有做得像不像的“手艺”问题；在数字虚体空间，并无“手艺”限制，数字化的特性决定了人们可以随时随地、百分之百地复制一个数字虚拟事物（如三维设计模型、微信文章等），但是如果未经许可，则构成偷窃或抄袭。

另外一个必须考虑的问题，是物理实体和数字虚体的生命周期的问题。物理实体往往都是有年限的，有生命周期的，在本体上是可以消亡的。

因此，如果一定要使用实体化的“双胞胎”的概念，就难以避免出现这样的尴尬：如果双胞胎的实体之一死了，另一个也就活不了多久了，因为谁都知道一对双胞胎的寿命是差不多的。

而数字化的虚拟事物，则可能远远超越它所对应的、具有数字孪生关系的物理事物，在数字虚体中实现永生—因为一旦把数据写入数字虚体（例如把数据发布或泄露到互联网上），基本上就是无法删除、长久存在的，更何况被人类作为智力资产而精心维护的、所有的数字化虚拟事物（如数字化产品、数据管理等）。

数字孪生的基本含义

数字孪生（Digital Twin）尚无标准定义，其概念还在发展与演变中。但是其基本含义是清楚的，即数字孪生是指在整个生命周期中，通过软件定义，在数字虚体空间中所构建的虚拟事物的数字模型，形成了与物理实体空间中的现实事物所对应的在形、态、行为和质地上都相像的虚实精确映射关系。

根据沈阳飞机设计研究所王鴻庆等人撰写的《Digital Twin 数字孪生|工四100术语》文章介绍，数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度的仿真过程，在虚拟空间中完成对物理实体的映射，从而反映物理实体的全生命周期过程。

中国航空工业发展研究中心刘亚威在《空天防务观察》上发表的文章中曾介绍道，从本质上来看，数字孪生是一个对物理实体或流程的数字化镜像。

创建数字孪生的过程，集成了人工智能、机器学习和传感器数据，以建立一个可以实时更新的、现场感极强的“真实”模型，用来支撑物理产品生命周期各项活动的决策。

数字虚体与物理实体之间所对应的孪生关系，其实早就有之，只不过此前没有这样严格定义过。

平时大家所说的“比特（bit）与原子（atom）”“赛博与物理”“虚拟与现实”“数字样机与物理样机”“数字孪生体与物理孪生体”“数字端（C）与物理端（P）”“数字世界与物理世界”“数字空间与物理空间”等不同的对应词汇描述，实际上都是以不同的专业术语，或近似或准确地描述两种“体”之间的虚实映射关系。

从映射关系上看，一虚、一实两种“体”相互对应，数量不限。数字虚体是物理实体的“数字孪生体”，反之，物理实体也是数字虚体的“物理孪生体”。

从诞生顺序上看，物理实体在先，数字虚体在后。以工业视角来看，物理实体是第一次、第二次工业革命的产物，数字虚体是第三次工业革命的产物。而虚体对实体的描述、定义、放大与控制，以及二者的逐渐融合，正在促成新工业革命。

从重要性上看，没有实体，无法执行工业必需的物理过程；没有虚体，就没有赋能和赋智。虚实必须融合，二者均不可缺。

从创新性上看，虚实融合，相互放大价值，产生诸多创新。新技术、新模式、新业态皆有无限可能。

从技术实现上看，要把过去20多年计算机辅助技术（CAX）的所有成果汇总到一起，更重要的是，要把人类已经掌握的专业知识，以专业模型的方式，通过自动生成编程代码的方式加载到数字孪生体上。

例如苏州同元软控信息技术有限公司开发的综合设计与验证平台软件，在飞机早期论证与方案设计阶段，就可以建立整机级系统模型，以指导飞机快速方案论证和多种系统分析，在赛博空间中先把真实飞机的各种动作参数调至最优—

航电系统：舵面振荡/瞬态监控器建模仿真等；

燃油系统：飞机燃油计量阀建模仿真等；

电气系统：交流电动泵建模仿真等；

液压系统：液压能源系统建模仿真、液压外场温度测试系统等；

飞控系统：升降舵作动系统建模仿真、设备详细模型建模和参数辨识等；

起落架系统：起落架收放系统、刹车系统建模仿真、载荷敏感性分析等。

这种基于模型的多学科、多场景、多状态的数字化仿真手段对于复杂产品的研制是至关重要的，已经在实际产品的研发中证明了其所起到关键作用。如图1所示。

类似地，美空军和波音公司为F-15C型飞机创建了数字孪生体，不同工况条件、不同场景的模型都可以在数字孪生体上加载，每个阶段、每个环节都可以衍生出一个或多个不同的数字孪生体，从而对飞机进行全生命周期各项活动的仿真分析、评估和决策，让物理产品获得更好的可制造性、装配性、检测性和保障性。如图2所示。

在应用场景中理解非“双”、非“胎”

Digital Twin不是“胎”

在“胎”的词义上，它不仅表达了在外观、质地、形态、行为上都完全一样或非常相像的人或事物，其词义背后隐含的重点是“出于同源”，即同母同胎所生或同厂所产，是一种生物或物理层面的客观结果，如宾馆常见的双床房（Twin-bedroom）或建筑常见的双子楼（Twin towers）。

如果放到表示物理空间的实体事物与数字空间的虚体事物之间的“映射”场景下，那么彼此之间的本源和实质则完全不同，此时“Digital Twin”所言，并没有“完全一样”的意思，仅有彼此之间在形、态、行为上比较“相像”的意思。因此用“胎”表达就有所偏离。

Digital Twin不止于“双”

即使从“相像”来看，在所指上也并非限于“双”，因为“双”字会把更多的潜在应用场景限制住—彼此相像的虚实映射事物之间未必只有“一对一”的关系，其实还可能有以下虚实映射对应关系：

“多对一”—多个物理实体对应一个数字虚体的场景（例如同一类紧固件都对应一个三维CAD模型）；

“一对多”—一个物理实体对应多个数字虚体的场景（一台发动机在静止、刚启动、平稳运转、即将出故障等不同场景下，其所对应的数字虚体，在模型的表达和构建上是有很大不同的，需要用不同的模型加以描述）；

“多对多”—是更为一般化的设备工作场景（设计阶段因数字化“构型/配置”不同而产生的系列化物理设备所面临的多种工作场景）。

只有“相像”而无“相等”

在相像程度上，從“生物场景/物理场景”的“Twin”，引申到“数字化场景”的“Digital Twin”，其本意是强调在数字空间构建的数字虚体与物理空间的物理实体很相像。但是，相像归相像，无论彼此多么像，二者之间也不是“是”、“等于”或“相等”的关系，因为本非“同生”。一个数字虚体无论多么像一个物理实体，它也不是物理实体——这个客观事实必须界定清楚。

而且，“Digital Twin”描述的“相像”，通常都仅仅是在外观和宏观结构上“相像”，而在形、态、行为、质地和内涵等多方面的评价指标来看，其实差异极大，本质本源不同。“数字双胞胎”一词，较容易引导人们把二者完全等同起来，把“貌似一模一样”误认为“就是一模一样”甚至“相等”，从而导致认知上的错觉。

总而言之，“Digital Twin”一词在翻译和理解时，既不宜限定在“双”，也不宜理解为“胎”，该词借用“Twin”之意，所表达的是一种数字虚体与物理实体非常相像的虚实映射关系。

综上所述，数字孪生不是指数字虚体空间中的两个或多个一模一样的虚拟事物，那是数字拷贝或数字镜像。

数字孪生是指在数字虚体空间中所构建的虚拟事物，与物理实体空间中的实体事物所对应的、在形、态、行为和质地上都相像的虚实精确映射关系。

在彼此对应关系上，特例是“一对一”，常态是“多对多”。二者看似像“双胞胎”，但实际上并不是，仅限于非常相像，并非真的等同，因为一实一虚，彼此在本质和本源上都不是一回事。这是理解该术语的关键点。

“数字孪生”的深入研究与应用

数字孪生，并非今天才产生，已经走过了几十年的发展历程，只不过以前没有这样命名，而是走到了一定的发展阶段，人们意识到可以给这种技术起一个更确切的名字。

实际上，自从有了诸如CAD等数字化的“创作（authoring）”手段，就已经有了数字孪生的源头，有了CAE仿真手段，就让数字虚体和物理实体走得更近，有了系统仿真，可以让数字虚体更像物理实体，直至有了比较系统的数字样机技术。

发展到现在，人们发现在数字世界里做了这么多年的数字设计、仿真结果，越来越虚实对应，越来越虚实融合，越来越广泛应用，数字虚体越来越赋能于物理实体系统。

数字孪生≠CPS

很多人分不清楚数字孪生与CPS（赛博物理系统，也称信息物理系统），经常将二者搞混，误以为数字孪生就是CPS。

应该说，数字孪生是建设CPS的基础，是CPS发展的必经阶段。所谓建立数字孪生关系，就是以“软件定义”的方式，对物理实体（物理孪生体）建立了完全对应的数字虚体（数字孪生体），所创建的数字虚体经历了一个从其“形”、其“态”，逐渐向物理实体的“形、态”逼近的过程，直至看起来完全“相像”，如同同胞兄弟一般。在“相像”程度上，可以用不同级别的仿真度来衡量，如表1所示。

当数字虚体与物理实体在时空状态上都相像之后，距离CPS还有一步之遥，即控制。从物理实体一侧，是否能实现对数字虚体的控制（以P控C）？

反之，从数字虚体一侧，是否能实现对物理实体的控制（以C控P）？尤其是“以C控P”，是判断是否实现了CPS的核心要求。关于在CPS中“C”与“P”的控制，如表2所示。

实际上，三年前撰写《三体智能革命》一书时，笔者就给出了一个典型的CPS结构图，在图中明确以数字机器与物理机器相对应、虚实映射的方式，说明了数字孪生与CPS之间的关系。如图3所示。

数字虚体与物理实体在形与态的彼此相像属于“数字孪生”，以“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行”的智能方式实现了“以C控P”的精准控制才算是CPS。

数字孪生的范畴并非无限

笔者研究发现，数字孪生的范畴是有一定限度的。就目前的数字化技术手段而言，我们虽然经常说“数字化一切可以数字化的事物”，但是并非“一切都是可以数字化的”，也意味着并非“一切都是可以软件定义的”。因此，数字世界和物理世界之间尚无法做到一一对应、完全能够相互映射。

从物理侧（P）来看，未知的事物谈不上数字化，当然也不可能有数字孪生；已知但是无法定义、无法描述的事物不能数字化（如暗能量、弦等）；从数字/赛博侧（C）来看，神话、传说可以随意展现，动漫创意和想象中的事物也是如此，都可以通过数字虚体不受限制地表现出来，但是在物理空间找不到对应的物理实体。因此，在两“体”中都存在暂时无法延伸、映射到对方，可供建立孪生关系的内容。如图4所示。

弄清楚数字孪生的范畴、限制，我们才能有所为、有所不为，才能清晰地知道技术的边界在哪里，不把精力花在低效和缺乏实际意义之处。

数字孪生伴随产品终生

数字孪生是在产品的全生命周期中的每一个阶段都存在的普遍现象，大量的物理实体系统都有了数字虚体的“伴生”，这种现象在Schleicha和Anwer的文章中称作是“孪生化（Twinning）”。

而且，由于每个阶段与每个物理孪生体所对应的“数字孪生体”的模型不止一种（不同的算法、不同的逼真/抽象程度等），于是就出现了笔者在上一篇文章《再论数字孪生——似是而非“数字双胞胎”》中所说的“一对多”的现象。如图6所示。

有了越来越多的数字孪生体，人们可以做越来越多的事情，很多新技术、新模式、新业态也就此产生。在两个“体”之间，数据可以双向传输：当信息从物理孪生体传输到数字孪生体，数据往往来源于用传感器来观察物理孪生体（例如GE用大量传感器观察航空发动机运行情况）；反之，当信息从数字孪生体传输到物理孪生体，数据往往是出自科学原理、仿真和虚拟测试模型的计算，用于模拟、预测物理孪生体的某些特征和行为（例如用流体仿真技术计算汽车高速行驶的风阻）。

德国西门子是一家比较强调产品生命周期管理的企业，较早提出了数字孪生。他们给出了对一个物理产品及其数字孪生“在全产品生命周期进行更新和维护”的认识，特别是CPS中的数字孪生体中都包含了哪些内容。如图6所示。

PTC公司一直推动数字孪生，甚至以“数物融合”作为公司的新发展战略，在一个更大的工业互联网场景中描述了数字孪生的作用，企业的物理产品都通過云服务，在Thingworx中建立了一个或多个数字孪生体，用于制造、研发、销售、服务、财务等各个业务环节。

美国《航空周报》两年前就做出这样的预测：“到了2035年，当航空公司接收一架飞机的时候，将同时还验收另外一套数字模型。每个飞机尾号，都伴随着一套高度详细的数字模型。”每一特定架次的飞机都不再孤独。因为它将拥有一个忠诚的“影子”，终生相伴，永不消失，这就是数字孪生的本意。

数字孪生，不过是长期以来，人们用数字世界的数字虚体技术，来描述物理世界的物理实体的必然结果，完全遵从《三体智能革命》中的“三体智能模型”。

数字孪生这个术语和与之相关的技术，并非是突然产生的新生事物，而是几十年来CAX发展的必然结果，只不过在今天人们经过总结提高之后，加深了对它的认识，给出了新的认识和命名。

数字孪生，是CPS中的必备技术构成。要搞好智能制造、工业4.0、工业互联网等新工业发展战略，就必须研究和实施CPS。要做好CPS，就必须充分认识数字孪生。要认识数字孪生，就必须研究与数字孪生有关的所有问题，从起源、技术、应用、界限到命名。