数字孪生概念浅析

□ 刘文广

中车工业研究院有限公司 北京 100070

1 分析背景

数字孪生是一种数字化理念和技术手段,通过在虚拟的数字空间实时构建物理对象的数字化表示,并基于数据治理、整合与分析以形成智能决策,可以有效指导物理对象的优化。近年关于数字孪生的研究方兴未艾,在各领域逐渐体现出了巨大的潜力,已成为当前世界各国学术界和工业界关注的热点。关于数字孪生的基本思想,目前主流观点是由Michael Grieves博士于2002在密歇根大学为产品生命周期管理中心成立而向工业界发表演讲中提出[1]。之后,多家组织对数字孪生的定义进行了研究探讨,如美国美国空军研究实验室和美国国家航空航天局、德国西门子公司、美国通用电气公司、美国国际商业机器公司、美国ANSYS公司等。文献[2]也提出了自己的理解。数字孪生还没有形成一致的定义,并且现有的数字孪生概念界定还比较宽泛,偏理论化和学术化。为了更好地开展数字孪生的应用,笔者对数字孪生进行概念浅析。

2 数字孪生相关名词辨析

数字孪生相关名词主要包括数字孪生、数字镜像、数字映射、数字双胞胎、数字孪生体、数字孪生技术、数字孪生体技术等,这些名词基本上都是由英文digital twin翻译而来,其中数字孪生和数字孪生体使用较多。另外,英文中有专门的digital twin technology,从内容来看,有digital twin和digital twin technology两者混用的情况,即把digital twin当作digital twin technology来解读。国内文献也常有这种情况,即将数字孪生技术简称为数字孪生。

按中文的理解方式,数字孪生体应该仅指与物理对象对应的数字体,数字孪生技术则是利用数字孪生进行优化、决策的综合技术。为避免逻辑混乱,在本文中数字孪生体仅指与物理对象存在映射关系的数字虚拟体。

3 数字孪生内涵

笔者认为,数字孪生的内涵是统筹。统筹学研究如何在实现整体目标的全过程中施行统筹管理的有关理论、模型、方法和手段。通过对整体目标的分析,选择适当的模型来描述整体的各部分之间、各部分与整体之间,以及它们与外部之间的关系和相应的评审指标体系,然后综合成一个整体模型,用以进行分析并求出全局的最优决策,以及与之协调的各部分的目标和决策[3]。华罗庚先生在《统筹方法》一文中就曾经以泡茶为例讲解过统筹方法。文中提到要泡茶,当时的情况是开水没有,水壶要洗,茶壶、茶杯要洗,火已生了,茶叶也有了,怎么办?为了在最短的时间内喝到茶,就需要统筹全局,提前安排好各项工作的顺序。泡茶流程如图1所示。

▲图1 泡茶流程

统筹方法的实用范围极广泛,华罗庚先生在文中指出,在企业管理和基本建设中,以及关系复杂的科研项目的组织与管理中,都可以应用统筹。关于泡茶的统筹过程,叙述比较简单,这是因为涉及因素少,很容易就可以想出可能的方案,并且能够一眼看出哪一种方案好,用人的大脑便可借助统筹方法寻出最优方案。但是对于复杂的事情,仅仅依靠人脑来统筹就不行了。对于工业领域来说,要实现设计高效、制造成本低、运营成本低、维护成本低的目的,就更加需要统筹全局,此时要考虑的因素就非常多。以轨道交通装备企业运营为例,包括供、产、销、维四个环节,运营流程如图2所示。四个环节之间的关系错综复杂,而且其中每一个环节又有众多的影响因素,此时要达到整体最优的效果,只用大脑去统筹就不现实了,算力和存储能力都不够。现代信息技术已高度发达,可以让电脑代替人脑进行统筹,由此需要将所要考虑的各种因素,包括状态、属性、行为数字化,在数字环境中建立对应的数字模型,然后使高性能的电脑进行总体统筹规划,并以此指导实际工作。

▲图2 轨道交通装备企业运营流程

在数字环境中建立的物理对象的数字模型及后续的基于模型进行统筹便是数字孪生,其中的数学模型便是数字孪生体。因此可以说,数字孪生是便于对复杂工作进行统筹,在信息技术发展到一定程度后的产物,这也可以从数字孪生的起源得到印证。

数字孪生概念在制造领域的使用最早可追溯到美国国家航空航天局的阿波罗项目[4]。1970年4月13日,阿波罗13号宇宙飞船在奔月的途中突然遭遇服务舱氧气罐爆炸的险情,后来在地面控制人员和宇航员通力配合之下才得以成功返回地面,这背后的关键是美国国家航空航天局在地面有一套完整的、高水准的模拟系统,如图3所示。这一系统用于培训宇航员和任务控制人员所用到的全部任务操作及多种故障场景的处理。在模拟操作中,唯一真实的是乘员、座舱和任务控制台,其它都是由计算机、相关计算公式及经验丰富的技术人员创造出来的。任务控制人员和宇航员们在综合考虑飞船受损、可用电力、剩余氧气、饮用水等因素后,与登月舱制造厂商协同工作,制订着陆方案。然后安排后备宇航员在模拟器上进行操作演练,以验证方案的可行性。最后宇航员们按演练形成的操作指令清单执行,最终安全返航。

▲图3 阿波罗模拟系统

美国国家航空航天局利用模拟器制订着陆方案虽然比华罗庚先生所讲的泡茶例子要复杂很多,但是本质都是综合考虑各种因素选出最优方案,并对各项工作进行组织与管理,也就是统筹的过程。阿波罗13号宇宙飞船事故救援的实践,可以视为美国国家航空航天局提出数字孪生概念的一个工程实践背景,西门子工程师则称阿波罗13号宇宙飞船为第一次数字孪生。在此基础上,经过不断的发展,形成了美国航空航天局的数字孪生定义,并于2010年在太空技术路线图中首次引入数字孪生的表述。从美国航空航天局形成数字孪生概念的背景历程来看,数字孪生的内涵本质也是统筹。

综上分析,不难得出数字孪生内涵为统筹的结论。数字孪生借助于数字孪生体的手段在虚拟环境下模拟不同的场景并选出最优方案,并对各物理实体进行改进、调整,从而减少直接在物理实体上试错的成本,提升工作效率,实现全局的最优,这也正是统筹的基本理念和目的。

数字孪生一词虽然只是近二三十年才出现,但其内涵可以说古已有之,理解了统筹,基本也就理解了数字孪生的内涵。

笔者基于统筹的理念对数字孪生做出如下定义:为实现整体最优,借助于数字手段,对所拥有各种物理对象进行实时虚拟映射,以建立对应的数字虚拟体,并基于此进行动态统筹规划,以此指导物理对象的优化组织。

统筹是适用于所有工作的,因此数字孪生也可以用于各行各业。可以说一切皆可进行数字孪生,只要有足够的性价比。数字孪生的概念起源于制造业,应用最多的也是制造业。目前,数字孪生已开始应用于智慧城市、智慧交通、智慧农业等行业,并逐渐显现出巨大的应用价值。

4 数字孪生基本特征

通过理解数字孪生的内涵,可以总结出数字孪生的基本特征。

(1) 双向映射。数字孪生要求在数字空间构建物理对象的数字化表示,现实世界中的物理对象和数字空间中的数字孪生体能够实现双向映射,数字孪生应反映物理实体的状态变化。同时,在虚拟空间中对数字孪生体的优化决策也可以指导物理实体进行调整。如果只是把模型提取出来进行建模分析,那只是仿真而不是数字孪生。此处还要注意,物理对象和数字孪生体是相像的关系,而不是要完全相同。数字孪生体只要能够反映所关注的指标即可,否则就可能会陷入过度可视化的误区。

(2) 实时同步。数字孪生体与实体对象之间的映射要有一定实时性,否则无法根据实物的最新情况进行优化决策,数字孪生便失去意义。比如自动驾驶技术,在车辆行驶中,车载电脑根据各种传感器所获取的信息建立车辆、路况等实体的数字孪生体,然后结合自动驾驶经验计算后续的动作,并且数字孪生体也要能够实时反映物理对象的真实的情况,如路滑导致转弯不足,或其它物体闯入路面,以便不断及时修正车辆的速度和方向。

当然,实时是相对的,有些场景需要精确及时,有些场景则不需要,这些都可以根据实际业务场景进行判定。并且实时性与成本相关,两者需要兼顾。

(3) 全生命周期。所谓全生命周期,指使用数字孪生要考虑一定的周期,在一定周期内实现优化决策的目标。比如对于制造型企业,数字孪生可以贯穿产品设计、开发、制造、服务、维护、报废回收的整个周期,不局限于帮助企业把产品更好地造出来,还包括帮助用户更好地使用产品。

全生命周期本意是通盘考虑、整体统筹,这样才能实现全局最优。当然,在全生命周期中实现数字孪生是一个终极目标,并非要一步实现,数字孪生的实现本身也是一个长期、渐进过程。

5 可视化误区

数字孪生的背后是数据和算法,为了便于直观查看、交互,借助于可视化技术,对目标对象的属性、状态、行为等进行形象化展示。这本只是数字孪生的前端,但是目前有些企业将主要精力放在了这里,将设备做成三维图形或对三维仿真数据进行展示,就号称实现了数字孪生。过于追求外在形似,甚至做成三维动画并用大屏方式展示,这能给参观者炫酷的观感,但对实际业务却没有促进作用。可视化属于人机界面的范畴,将可视化作为数字孪生是一个误区,这过分关注了数字孪生的表象和形式,而忽视内涵与本质。其实,可视化只是为了使非专业人员能够形象化认识,当数据足够丰富、算法足够强大后,决策操作不需要人工干预,甚至不需要前端展示。而如果没有数字孪生数据和算法的支持,没有物理实体和数字孪生体之间的双向实时映射,数字孪生应有的价值也就无法体现。

数字孪生流程如图4所示,可分为建模、感知、分析、决策四个环节。面对纷繁复杂的物理对象,提炼其内在本质,以构建数字孪生体模型。面对全流程的多源异构数据,进行实时感知及治理。之后还要进行高效、精准分析,根据分析结果进行智能决策,以指导实际工作。以上整个流程背后的核心在于数据和计算,而非前端炫酷的可视化。

▲图4 数字孪生流程

可视化可以有不同的形式,可复杂,也可简单。复杂指在保持几何与结构高度仿真的情况下进行描述,简单指能表达所关心的参数即可,忽略对几何与结构的表达。可视化的程度要根据业务需要而定,不可以过度关注外在形似。例如,对于一列高铁车辆,在研发阶段为了进行系统仿真,可以使用零部件详细表达进行可视化,而在车辆运营阶段为了车辆调度,用几根线条简要表达整车的位置即可,此时大可不必对车辆的三维结构进行详细展示。数字虚拟体高铁调度如图5所示。再比如前面提到的泡茶的例子,只需要把相关的信息抽象出数学模型就可以,如果将水壶、茶壶、茶杯、茶叶这些实物的三维模型建立出来,然后还以动画形式把整个流程展示出来,那么就陷入了过度可视化的误区。

▲图5 数字虚拟体高铁调度

6 结束语

笔者通过对数字孪生内涵的剖析,阐述数字孪生的本质是为了实现整体的统筹。企业应该聚焦自身业务,重点建立更好的业务逻辑和策略,通过数字孪生实现更优经营目标。对于工业领域来说,应从实处做起,长期不断积累,不要幻想一蹴而就,更不要幻想通过数字孪生、智能制造等手段就可以实现弯道超车。另外,数字孪生的本意是通过数字虚拟技术减少实体试错成本,因为在物理世界中的错误往往比较昂贵,有时甚至是负担不起的。虽说一切皆可数字孪生,但数字孪生却不是适合所有的业务和场景。对于有些场景来说,建模的成本可能高于使用物理实体进行试错的成本,此时则不适合使用数字孪生。