隨著新一代通信技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代IT和OT技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，作為以上技術(shù)集大成者的數(shù)字孿生技術(shù)，正代表著數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級的實(shí)現(xiàn)途徑，在工業(yè)、城市、軍事等眾多領(lǐng)域得到了迅速廣泛地應(yīng)用，且發(fā)展方興未艾。

由于數(shù)字孿生涉及到的技術(shù)內(nèi)涵、業(yè)務(wù)邏輯、應(yīng)用體系等方面相對繁復(fù)，能否快速地對這一領(lǐng)域有一個(gè)全面且體系的認(rèn)知，本文試圖就此做一嘗試。

首先從一個(gè)簡單問題開始：到底什么是數(shù)字孿生？

數(shù)字孿生是什么？這里先給出一個(gè)最簡單的描述：數(shù)字孿生是體系級的虛實(shí)映射。

圖示 數(shù)字孿生的基本定義

先看一下虛實(shí)之間到底在映射什么？在這里物理世界作為基礎(chǔ)和前提條件，首先就需要有一個(gè)針對這個(gè)物理世界的業(yè)務(wù)目標(biāo)，基于業(yè)務(wù)目標(biāo)來構(gòu)建數(shù)字孿生體，這是數(shù)字孿生存在的價(jià)值基礎(chǔ)。

例如，我們要對一臺(tái)裝備的運(yùn)行過程狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并依據(jù)它的健康狀態(tài)預(yù)測進(jìn)行維保及生產(chǎn)排程，那我們就需要建立一個(gè)基于該裝備PHM（故障預(yù)測和健康管理）模型的數(shù)字孿生體及應(yīng)用。也就是說，基于要預(yù)測該裝備的健康狀態(tài)這個(gè)業(yè)務(wù)目標(biāo)，我們需要建立該裝備的數(shù)字孿生世界，并在數(shù)字世界中構(gòu)建對應(yīng)業(yè)務(wù)目標(biāo)的模型和模型組合，通過該裝備物理實(shí)體和孿生世界的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)模型的融合與演進(jìn)來描述、指導(dǎo)、預(yù)測甚至是控制裝備物理實(shí)體，這就是數(shù)字孿生的本質(zhì)。

對上例做個(gè)總結(jié)：數(shù)字孿生體是物理實(shí)體的虛擬映射，不僅能夠?qū)崟r(shí)反映其各種真實(shí)狀態(tài)，而且能夠有效預(yù)測其未來趨勢。同時(shí)，數(shù)字孿生體也能生成反饋控制信號(hào)，對真實(shí)物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)控制和持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)指導(dǎo)。數(shù)字孿生是綜合運(yùn)用智能感知、計(jì)算、數(shù)據(jù)建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對物理空間進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測和決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬空間的交互映射。

這其中，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)、模型是核心、軟件實(shí)現(xiàn)是載體。數(shù)字孿生是體系級思維的體現(xiàn)，實(shí)體產(chǎn)品在物理空間中產(chǎn)生互相作用，虛擬產(chǎn)品在虛擬空間中表現(xiàn)為模型的動(dòng)態(tài)融合和互動(dòng)共智演化。

數(shù)字孿生技術(shù)最早是在1969年被NASA應(yīng)用于阿波羅計(jì)劃中，用于構(gòu)建航天飛行器的孿生體，反映航天器在軌工作狀態(tài)，輔助緊急事件的處置。美國國防部高級研究計(jì)劃局DARPA于2009年首次提出數(shù)字孿生體（ Digital twin）概念，之后美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和NASA迅速成為數(shù)字孿生體的擁躉。AFRL在2012年啟動(dòng)了“機(jī)身數(shù)字孿生體”工程驗(yàn)證項(xiàng)目，NASA則在未來技術(shù)規(guī)劃中提出要在2027年實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體。

我們可以用孿生體成熟度、孿生體時(shí)間和孿生體空間來觀察、評價(jià)數(shù)字孿生體發(fā)展及應(yīng)用水平，構(gòu)建數(shù)字孿生體三維發(fā)展范式矩陣，如下圖所示。在成熟度維度，安世亞太率先提出了數(shù)字孿生體“數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺、共智”五級成熟度進(jìn)化模型。

圖示 數(shù)字孿生體的三維發(fā)展范式

承接著第一章的論述，通過下圖我們再進(jìn)一步深入底層邏輯，一步步拆解看透數(shù)字孿生(體)。

圖示 安世亞太數(shù)字孿生體的概念定義與體系構(gòu)成

如上所述，數(shù)字孿生體是基于一個(gè)物理實(shí)體建立一個(gè)孿生體對象，二者依業(yè)務(wù)目標(biāo)起始驅(qū)動(dòng)和價(jià)值實(shí)現(xiàn)，即上圖中所描述的用途：針對業(yè)務(wù)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)字孿生體的構(gòu)建。構(gòu)建的數(shù)字孿生體包含基礎(chǔ)和擴(kuò)展兩個(gè)層面。

結(jié)合上圖左下角的三維坐標(biāo)系能夠看到：不同類別的業(yè)務(wù)對象在不同的業(yè)務(wù)場景活動(dòng)中、基于時(shí)間維度的發(fā)展演化，整個(gè)過程中通過對應(yīng)業(yè)務(wù)目標(biāo)的不同模型和模型組的融合與演進(jìn)來進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，這就是數(shù)字孿生體的本質(zhì)基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)是針對用戶的業(yè)務(wù)目標(biāo)在數(shù)字世界中進(jìn)行綜合建模并給出對實(shí)體世界的描述、預(yù)測乃至控制，而面對在數(shù)字世界推演出來的孿生結(jié)果需要針對用戶進(jìn)行顯性化和知識(shí)化的封裝與呈現(xiàn)，讓數(shù)字孿生體的用戶能夠理解和可以復(fù)用。舉一個(gè)相關(guān)例子便于理解：雖然用戶不一定能理解為什么啤酒與尿布就近放置能夠增加超市銷量，但并不妨礙把它當(dāng)做一條知識(shí)作為超市理貨規(guī)范而推廣復(fù)用。

第一章我們提出了數(shù)字孿生是體系級的虛實(shí)映射，至于為什么是體系闡述到這里可以說清了。在圖中(孿生)對象的維度可以看到，實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字孿生體的對象有不同的類型和層次，如實(shí)體、功能、行為模式等等。例如當(dāng)對象的應(yīng)用深度從零件到部件到組件直至整機(jī)，這已經(jīng)到達(dá)系統(tǒng)級了——可用MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程）來描述和解決相關(guān)問題。然而實(shí)際的應(yīng)用需求并不會(huì)止步于此：基于多臺(tái)整機(jī)構(gòu)成的整個(gè)生產(chǎn)線，由多條生產(chǎn)線及包括人機(jī)料法環(huán)測(5M1E)環(huán)境構(gòu)成的整個(gè)工廠，甚至城市、戰(zhàn)場等等，這已經(jīng)遠(yuǎn)不是系統(tǒng)工程所能夠描述和解決的場景了，因而我們需要進(jìn)入更高一級的應(yīng)用范疇，即體系工程（系統(tǒng)的系統(tǒng)SoS）。

因而與此對應(yīng)的，數(shù)字孿生體也必須是對一個(gè)體系(SoS)的映射，我們可依應(yīng)用的技術(shù)和對應(yīng)的成熟度從三個(gè)層次對數(shù)字孿生體進(jìn)行表征，如上圖：

• 基礎(chǔ)級是實(shí)體快照：在數(shù)字孿生體中映射實(shí)體對象的系統(tǒng)構(gòu)成和行為狀態(tài)，技術(shù)支撐以系統(tǒng)建模為主，實(shí)現(xiàn)的成熟度為1-2級即數(shù)化和互動(dòng)。

  
  

• 當(dāng)業(yè)務(wù)目標(biāo)需要數(shù)字孿生體擴(kuò)展到精確性程度予以支撐，在此層次要進(jìn)行較精確的機(jī)理建模和仿真，成熟度等級3即先知。

  
  

• 對應(yīng)業(yè)務(wù)目標(biāo)更高的要求，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)建模以及整體的系統(tǒng)仿真，并對結(jié)果進(jìn)行知識(shí)的體系化與封裝，支持用戶體系從知識(shí)向智慧的進(jìn)化。對應(yīng)的成熟度4-5級即先覺到共智。

數(shù)字孿生體的***層次匯總了不同的技術(shù)體系、各類建模手段，以數(shù)字孿生體的各層次構(gòu)型對應(yīng)著其應(yīng)用成熟度從第一級到第五級的進(jìn)化，因而可以說，數(shù)字孿生是一個(gè)綜合技術(shù)集成體。

第二章論述了數(shù)字孿生是對體系工程應(yīng)用的映射，這章對體系工程的背景及與系統(tǒng)工程的關(guān)系略作闡述。

90年代的海灣戰(zhàn)爭拉開了現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的序幕，也讓美軍認(rèn)識(shí)到聯(lián)合作戰(zhàn)對于提升作戰(zhàn)能力的重要性。裝備的研制過程通常使用系統(tǒng)工程方法來組織和管理，美國國防部在組織聯(lián)合作戰(zhàn)裝備研制過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法已無法滿足，需要用一種新的概念來描述聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)，這就是體系（System of Systems，SoS），而體系研制的工程過程也應(yīng)該有相應(yīng)的工程方法與之對應(yīng)。

所以美國國防部在一些學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合多個(gè)聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，于2004年推出了體系的工程指南（Systems Engineering Guide for Systems of Systems，SoSE），作為美軍聯(lián)合作戰(zhàn)體系開發(fā)和裝備研制過程的工程指導(dǎo)。

該體系工程指南提出了傳統(tǒng)系統(tǒng)工程之外的7個(gè)核心要素和過程。隨后體系工程在美國陸軍作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、空軍作戰(zhàn)重心（AOC）武器系統(tǒng)、彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)（BMDS）、空軍分布式通用地面系統(tǒng)（DCGS）、國防部情報(bào)信息系統(tǒng)（DoDIIS）、未來作戰(zhàn)系統(tǒng)（FCS）、軍事衛(wèi)星通信（MILSATCOM）、海軍一體化火控-防空（NIFC-CA）系統(tǒng)、太空雷達(dá)系統(tǒng)（SR IPO）、戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)等聯(lián)合作戰(zhàn)項(xiàng)目中開展了大量的應(yīng)用與驗(yàn)證。

圖示 體系工程過程與系統(tǒng)工程過程的關(guān)系

與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程理論相比，體系工程在分析和解決不同種類的、獨(dú)立的、大型的復(fù)雜系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)與相互操作問題時(shí)更具有針對性。體系工程是對系統(tǒng)工程的延伸和拓展，它更加關(guān)注于將能力需求轉(zhuǎn)化為體系解決方案，最終轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

通過上述圖中，我們可以看出體系工程以解決體系的構(gòu)建與演化問題為目標(biāo)，其研究對象是體系，區(qū)別于系統(tǒng)工程所針對的簡單系統(tǒng)對象，在過程原理上兩者間存在本質(zhì)的差異。體系工程過程存在需求分析循環(huán)、設(shè)計(jì)分析循環(huán)與設(shè)計(jì)驗(yàn)證循環(huán)，除此之外，還存在對體系環(huán)境與邊界能力的分析。體系環(huán)境與邊界能力分析同需求分析循環(huán)、設(shè)計(jì)分析循環(huán)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證循環(huán)并行進(jìn)行，體系工程4個(gè)方面的過程分析通過體系分析與控制活動(dòng)進(jìn)行平衡，通過平衡找到體系設(shè)計(jì)的合適的方案。

圖示 安世亞太的數(shù)字孿生業(yè)務(wù)架構(gòu)

基于上述分析，到這里可以得出本文的主題：“數(shù)字孿生是基于模型的體系工程MBSoSE”，并基于此進(jìn)一步提出了我們的數(shù)字孿生業(yè)務(wù)架構(gòu)，包括如下四個(gè)維度：

1）首先是基于業(yè)務(wù)場景化的定義，即必須是業(yè)務(wù)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生；

2）然后通過不同的模型和模型組構(gòu)建對應(yīng)業(yè)務(wù)目標(biāo)的數(shù)字孿生體；

3）接著經(jīng)由與實(shí)體世界的數(shù)據(jù)傳輸通過多輪數(shù)字孿生體模型的融合與演進(jìn)，對實(shí)體世界進(jìn)行描述、預(yù)測甚至控制，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)；

4）最后把數(shù)字孿生體動(dòng)態(tài)融合演化和預(yù)測的孿生結(jié)果封裝成用戶能夠接受和可以復(fù)用的知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)智慧表達(dá)并形成一個(gè)完整的數(shù)字孿生業(yè)務(wù)閉環(huán)。

在此業(yè)務(wù)架構(gòu)中，其實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)還包含了兩次降維和一次升維過程，而這也是傳統(tǒng)的信息化和時(shí)下的數(shù)字化本質(zhì)差別之一。

1）最初是基于用戶的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)來描述業(yè)務(wù)場景和形成數(shù)字孿生體的，但由于用戶的業(yè)務(wù)目標(biāo)是復(fù)雜的，所以我們需要先把復(fù)雜的業(yè)務(wù)目標(biāo)通過模型和模型的組合來形成數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)從業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)到模型驅(qū)動(dòng)的第一次降維；第二次是將模型驅(qū)動(dòng)降維成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，通過實(shí)際的數(shù)據(jù)用仿真推演給出用戶業(yè)務(wù)目標(biāo)的分析結(jié)果。于用戶而言，紛繁復(fù)雜的數(shù)字孿生的業(yè)務(wù)、技術(shù)、架構(gòu)等等難題全部包含在黑盒里，通過兩次降維過程，僅僅依據(jù)業(yè)務(wù)目標(biāo)和實(shí)際數(shù)據(jù)，就可以達(dá)成業(yè)務(wù)價(jià)值，這是降維的化繁為簡。

2）一次升維過程指的是通過兩次降維過程獲得的數(shù)字孿生體的分析結(jié)果，以用戶所能接受和理解、可以復(fù)用的知識(shí)體系，通過知識(shí)結(jié)構(gòu)化的融合與表達(dá)，形成智慧的應(yīng)用，這是升維的聚水成涓。

3）最終通過這兩次降維和一次升維過程，經(jīng)由數(shù)字孿生過程實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的完整閉環(huán)，展示了數(shù)字化的價(jià)值邏輯。

通過下圖所示的工業(yè)體系場景，再來梳理一遍數(shù)字孿生的業(yè)務(wù)架構(gòu)，同時(shí)也體會(huì)一下數(shù)字孿生是基于模型的體系工程。

圖示 數(shù)字孿生體構(gòu)建過程示例

從上圖中我們可以看到，該場景包含了從組件到系統(tǒng)、到體系，不同對象并對應(yīng)著不同的業(yè)務(wù)目標(biāo)——也就是業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)，數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)從業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)降維到不同的模型來支撐，也就是模型驅(qū)動(dòng)。進(jìn)而到再往下降維到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，就可以通過收集和獲取到的不同數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)組合，驅(qū)動(dòng)模型的實(shí)例化，并通過模型實(shí)例化預(yù)測出結(jié)果，來實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)目標(biāo)。所以通過綜合建模和廣義仿真，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到模型，從模型到業(yè)務(wù)價(jià)值，完整的數(shù)字孿生體構(gòu)建就是一個(gè)體系工程的實(shí)現(xiàn)。

至此我們通過一步步推導(dǎo)，提出了數(shù)字孿生是基于模型的體系工程MBSoSE的核心概念，而其實(shí)質(zhì)就是通過綜合建模和廣義仿真構(gòu)建數(shù)字孿生體，來實(shí)現(xiàn)用戶的業(yè)務(wù)目標(biāo)與價(jià)值。

圖示 安世亞太的數(shù)字孿生產(chǎn)品架構(gòu)

基于對上述數(shù)字孿生業(yè)務(wù)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，我們進(jìn)一步給出安世亞太從業(yè)務(wù)視角透視的數(shù)字孿生產(chǎn)品整體架構(gòu)，從下到上共分為四層：

1）第一層是數(shù)據(jù)源，包含了數(shù)字孿生體構(gòu)建所需要的IT和OT數(shù)據(jù)；

2）第二層是統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)工具將所有的數(shù)據(jù)源匯聚起來進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)治理和大數(shù)據(jù)處理；

3）第三層是產(chǎn)品架構(gòu)的核心層，主要包括兩個(gè)核心的數(shù)字孿生產(chǎn)品平臺(tái)：

4）最上層是各類業(yè)務(wù)平臺(tái)，通過產(chǎn)品核心層的綜合建模和廣義仿真給出的最終運(yùn)行結(jié)果，采取知識(shí)化的封裝形式傳遞至各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)的智慧化應(yīng)用。

在第一章節(jié)提出的數(shù)字孿生體三維發(fā)展范式矩陣中，以工業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用為例做些簡要分析。

圖示 數(shù)字孿生體在工業(yè)領(lǐng)域基于時(shí)間維度的應(yīng)用發(fā)展?

上圖所示的是孿生體時(shí)間維度的展開，以民用飛機(jī)的應(yīng)用為例，我們可以看出數(shù)字孿生的應(yīng)用，從最前端的設(shè)計(jì)研發(fā)至生產(chǎn)制造、測試驗(yàn)證，直到最后的報(bào)廢回收，覆蓋了產(chǎn)品的全生命周期過程。

在每個(gè)過程階段，可以看到數(shù)字孿生體應(yīng)用在該過程階段的業(yè)務(wù)目標(biāo)是什么？需要構(gòu)建什么樣的孿生體模型來支撐？需要匯聚什么樣的數(shù)據(jù)，才能最終得到該過程階段業(yè)務(wù)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。同時(shí)我們也可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段整個(gè)產(chǎn)品全生命周期各過程階段的數(shù)字孿生都有了逐步的應(yīng)用，并且會(huì)越來越多，未來會(huì)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，從而整體提升產(chǎn)品的研制水平。

再以上圖為例，進(jìn)行孿生體空間維度的展開。從飛機(jī)的部件，到不同整機(jī)的系統(tǒng)，再到航空公司層級的體系，不同層次對象的數(shù)字孿生體對應(yīng)不同的業(yè)務(wù)目標(biāo)，比如部件故障預(yù)測、裝備的OEE，航空公司降低運(yùn)維成本等；從最右側(cè)的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)往左側(cè)降維到了模型驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而降維至數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，用不同的數(shù)據(jù)來支撐實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)目標(biāo)。

而孿生體成熟度維度含在了時(shí)間、空間兩維應(yīng)用中了，因?yàn)椴煌瑯I(yè)務(wù)對象的不同業(yè)務(wù)目標(biāo)是對應(yīng)著不同的數(shù)字孿生體成熟度等級。

在工業(yè)領(lǐng)域的體系化應(yīng)用和工業(yè)客戶所關(guān)注的業(yè)務(wù)目標(biāo)中，還可以有一個(gè)不同的關(guān)注維度，即工業(yè)場景常提到的人機(jī)料法環(huán)測（5M1E）。雖然5M1E的應(yīng)用場景在三維發(fā)展范式矩陣中基本能夠被覆蓋，但面對工業(yè)用戶從5M1E這六個(gè)維度入手的業(yè)務(wù)目標(biāo)更能體現(xiàn)工業(yè)企業(yè)運(yùn)營和產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)需求，也更容易瞄準(zhǔn)數(shù)字孿生體在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，因而如下圖所示，我們也列舉出了針對場景的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)。

圖示 數(shù)字孿生體覆蓋5M1E的體系化應(yīng)用

綜上所述，數(shù)字孿生作為基于模型的體系工程，將持續(xù)動(dòng)態(tài)改進(jìn)物理世界和數(shù)字空間的交互與融合，在眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的潛力，其應(yīng)用與價(jià)值的展現(xiàn)才剛剛開始、方興未艾。安世亞太將會(huì)持續(xù)優(yōu)化數(shù)字孿生業(yè)務(wù)、產(chǎn)品和技術(shù)體系架構(gòu)，構(gòu)建合作伙伴生態(tài)，并在工業(yè)制造、智慧城市和國防領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級過程中貢獻(xiàn)自己的力量。