數(shù)字孿生體是描述物理世界和數(shù)字空間的定義管理體系，它即是一種技術(shù)，也是一種新范式。自2010年宣布問(wèn)世至今，受到了廣泛的關(guān)注。工業(yè)4.0研究所2015年啟動(dòng)對(duì)數(shù)字孿生體的科學(xué)研究，至今獲得了豐厚的成效。
以往五年期內(nèi)，工業(yè)4.0研究所陸續(xù)完成了《數(shù)字孿生體發(fā)展史》、《數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)》、《數(shù)字孿生體演進(jìn)》和《數(shù)字孿生體標(biāo)準(zhǔn)》等主題科學(xué)研究，建立了系統(tǒng)軟件的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并明確提出了著名的三大派系（仿真派、連接派和數(shù)據(jù)派）判定。
在這個(gè)基礎(chǔ)上，工業(yè)4.0研究所進(jìn)一步設(shè)計(jì)了數(shù)字孿生體三大基礎(chǔ)策略，即根據(jù)模擬仿真的數(shù)字工程項(xiàng)目、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等策略。
文中緊緊圍繞三大基本策略，剖析數(shù)字孿生體發(fā)展的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，便于數(shù)字孿生體同盟的公司依據(jù)自身需要推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。
一、基于模擬仿真的數(shù)字工程項(xiàng)目策略
2003年1月，NSF組織了來(lái)源于密歇根大學(xué)、加州理工學(xué)院、伯克利、斯坦福大學(xué)、IBM等機(jī)構(gòu)，編寫(xiě)了名為《通過(guò)信息基礎(chǔ)設(shè)施變革科學(xué)和工程》的報(bào)告。
NSF接著在2003年、2004年組織了進(jìn)一步的討論，最后在2006年5月，公布了《基于仿真的工程科學(xué)：通過(guò)仿真變革工程科學(xué)》。
工業(yè)4.0研究所《數(shù)字孿生體發(fā)展史》課題研究顯示，NSF在2006年公布的匯報(bào)，顯示美國(guó)推動(dòng)新工程項(xiàng)目課程的信心，這為2010年NASA和國(guó)防部明確提出數(shù)字孿生體定義管理體系確立了科學(xué)研究基礎(chǔ)。
因?yàn)?/span>NASA和美國(guó)國(guó)防部明確提出數(shù)字孿生體相距時(shí)間較為短，大家覺(jué)得他們相互明確提出了數(shù)字孿生體定義管理體系。盡管其他專家學(xué)者宣稱最開(kāi)始提出該定義，但沒(méi)有一切書(shū)面形式直接證據(jù)，或是壓根沒(méi)有明確提出“數(shù)字孿生體”這一語(yǔ)匯，大多數(shù)是其它叫法，比如，MichaelGrieves提出的鏡像空間實(shí)體模型。
接著，美國(guó)國(guó)防部對(duì)數(shù)字孿生體表現(xiàn)了超乎尋常的好感，不但激勵(lì)各種經(jīng)銷商再次做有關(guān)工程項(xiàng)目認(rèn)證和科學(xué)研究，并且融合到數(shù)字工程項(xiàng)目發(fā)展戰(zhàn)略，開(kāi)始設(shè)計(jì)“數(shù)字孿生體范式”。
2012年，分別來(lái)源于NASA和USAF的E.H.Glaessgen和D.S.Stargel報(bào)名參加“第53屆構(gòu)造、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和原材料交流會(huì)”，做了“數(shù)字孿生體范式”的講話，強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生體受NSF提出SBES的影響。
實(shí)際上，基于模擬仿真的數(shù)字工程項(xiàng)目開(kāi)始變成復(fù)雜系統(tǒng)基本建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)配置，并慢慢用數(shù)字孿生體展開(kāi)描述。
航天航空、轎車和石油化工設(shè)備等高使用價(jià)值行業(yè)有很大項(xiàng)目投資沖動(dòng)運(yùn)用新技術(shù)應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)跟他們的要求匹配度高，這種公司一般早就運(yùn)用了CAx，轉(zhuǎn)為數(shù)字孿生體就變成名正言順的事情。
運(yùn)用基于模擬仿真的數(shù)字工程項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品和生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)上形成較好效果，一般反映為商品數(shù)據(jù)庫(kù)管理或商品生命期管理方法，經(jīng)銷商為了得到 大量收益，通常會(huì)推薦其模擬仿真作用。
工業(yè)領(lǐng)域的模擬仿真作用牽涉到基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)，比如物理、有機(jī)化學(xué)或分子生物學(xué)等，這給公司帶來(lái)極大的成本，除非是公司產(chǎn)品盈利非常高，一般沒(méi)有必要選用基于模擬仿真的數(shù)字工程項(xiàng)目策略，他們還有物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)策略和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略能夠運(yùn)用。
二、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)策略
2011年左右，世界各個(gè)國(guó)家陸續(xù)推動(dòng)了我國(guó)智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，德國(guó)發(fā)布工業(yè)4.0，美國(guó)設(shè)計(jì)智能制造方案，日本明確提出智能機(jī)器人改革等，中國(guó)那時(shí)候主打兩化融合。德國(guó)工業(yè)4.0以信息物理系統(tǒng)為關(guān)鍵技術(shù)，美國(guó)智能制造主要緊緊圍繞數(shù)字生產(chǎn)制造來(lái)推動(dòng)，日本加強(qiáng)自動(dòng)化技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)，中國(guó)明確提出了兩化融合測(cè)評(píng)體系。
此外，美國(guó)通用電氣期待運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)更新改造工業(yè)念頭衍化出去的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，它在2014年創(chuàng)立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，這個(gè)機(jī)構(gòu)顯而易見(jiàn)歸屬于民間行為，不代表美國(guó)政府部門(mén)，美國(guó)商務(wù)部下屬NIST推動(dòng)的智能制造才具備象征性。
美國(guó)通用電氣的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定義管理體系來(lái)源于物聯(lián)網(wǎng)，而物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)時(shí)早已形成了10多年，美國(guó)通用電氣判斷物聯(lián)網(wǎng)能夠?yàn)閿?shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展出示技術(shù)性支撐，將建立生產(chǎn)制造方式和運(yùn)營(yíng)模式的轉(zhuǎn)變。
2015年，美國(guó)幾個(gè)著名咨詢管理公司發(fā)覺(jué)美國(guó)通用電氣選用數(shù)字孿生體來(lái)搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)管理體系，便于跟工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)管理體系結(jié)合起來(lái)，因此競(jìng)相公布預(yù)測(cè)分析報(bào)告，把數(shù)字孿生體稱作未來(lái)的技術(shù)。比如，Gartner、IDC等IT咨詢管理公司公布了好幾份報(bào)告，直接促進(jìn)了數(shù)字孿生體浪潮。
美國(guó)IT咨詢公司跟IT公司之間的相互配合十分默契，當(dāng)Gartner和IDC等咨詢管理公司公布匯報(bào)時(shí)，IBM、Oracle、微軟和Ansys等IT公司對(duì)外公布，“我們也有數(shù)字孿生體解決方法了”。
因?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)跟我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”定義貼近，跟我國(guó)加工制造業(yè)大國(guó)影響力匹配度高，我國(guó)追蹤兩年后，快速引入該定義，并依據(jù)中國(guó)的國(guó)情做了很多科學(xué)研究，建立了我國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理體系。2016年，信通院公布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.0》，公布互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)信息和安全性三大功能管理體系。
伴隨著很多公司干預(yù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用，云服務(wù)方式相對(duì)比較完善，對(duì)應(yīng)回來(lái)就變成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，因而，“服務(wù)平臺(tái)”逐漸變成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理體系構(gòu)架中的一種關(guān)鍵元素，逐漸取代了不適合落地的“數(shù)據(jù)信息”功能管理體系，最后變成《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)2.0》，2020年4月23日，信通院公布了該匯報(bào)。在匯報(bào)中，數(shù)字孿生體變成了數(shù)據(jù)信息功能完成的“重要支撐點(diǎn)”。
到此，數(shù)字孿生體連接派的思想體系已經(jīng)成形，選用該管理體系構(gòu)架的公司一般挑選“物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)策略”，把物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)放進(jìn)價(jià)值創(chuàng)造關(guān)鍵影響力。必須強(qiáng)調(diào)的是，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)策略對(duì)是不是選用模擬仿真沒(méi)有規(guī)定，這需要公司依據(jù)本身狀況挑選，實(shí)際上，絕大多數(shù)公司并不需要模擬仿真級(jí)別的數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)，他們大多數(shù)需要有一個(gè)漂亮的幾何模型就可以了。
三、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略
數(shù)字孿生體做為物理世界和數(shù)字空間結(jié)合的工程項(xiàng)目定義和管理體系，具備極強(qiáng)的實(shí)用性，工業(yè)4.0研究所于2016年率先稱作"通用目的技術(shù)"，并論述：除了在加工制造業(yè)具備使用價(jià)值，數(shù)字孿生體在電力能源、工程建筑、大城市、農(nóng)牧業(yè)和國(guó)防安全等領(lǐng)域具備無(wú)法想象的使用價(jià)值。
以生產(chǎn)加工為核心內(nèi)容的工業(yè)，基于物理、有機(jī)化學(xué)、分子生物學(xué)等多課程建模仿真是前提條件，它是數(shù)字孿生體形成之初的關(guān)鍵需求，之后伴隨著物聯(lián)網(wǎng)感知建立數(shù)字化，更改了價(jià)值創(chuàng)造點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，可完成遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)可視化和一定的預(yù)測(cè)剖析，成為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)方式。
針對(duì)非加工制造業(yè)的電力能源、工程建筑、大城市、農(nóng)牧業(yè)等領(lǐng)域，模擬仿真并不是剛性需求，或是由于成本費(fèi)太高而變成不必要的功能，這種應(yīng)用領(lǐng)域的根本需求是運(yùn)用數(shù)字孿生體，創(chuàng)建一套“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的數(shù)字工程項(xiàng)目。這跟傳統(tǒng)式的消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)不一樣，制造行業(yè)權(quán)威專家一般用“工業(yè)數(shù)據(jù)信息”來(lái)敘述。
20世紀(jì)80年代興起了“工業(yè)數(shù)據(jù)信息”改革，它是工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展新形態(tài)。美國(guó)商務(wù)部下屬NIST生物學(xué)家SharonJ.Kemmerer在1999年公布的《STEP：偉大體驗(yàn)》，詳細(xì)說(shuō)明了那時(shí)候建立的工業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)演變故事。
創(chuàng)作者在書(shū)里專門(mén)辟出一個(gè)章節(jié)目錄剖析了“數(shù)據(jù)信息共享”和“數(shù)據(jù)傳輸”之間的區(qū)別。她覺(jué)得STEP和ISO10303很好的解決了數(shù)據(jù)傳輸難題，由于其目的便是為了確保各類產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)體模型之間能夠完成導(dǎo)入導(dǎo)出。
美國(guó)商務(wù)部覺(jué)得，它是工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的困擾，因而花銷了很多資源來(lái)推動(dòng)該工作。比照那時(shí)候處在美日貿(mào)易戰(zhàn)之爭(zhēng)中的日本加工制造業(yè)，它已經(jīng)“好高騖遠(yuǎn)”推動(dòng)“智能制造系統(tǒng)軟件”。
時(shí)任NIST生物學(xué)家Kemmerer報(bào)名參加了日本進(jìn)行的IMS產(chǎn)品研發(fā)方案，她顯然心照不宣，連數(shù)據(jù)傳輸也沒(méi)有做到，搞智能制造系統(tǒng)軟件不具有可行性分析。客觀事實(shí)也證明了這一結(jié)果，2010年，日本撤出親自建立的IMS同盟，宣布日本數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展之失敗。
美國(guó)循規(guī)蹈矩，遵照科學(xué)研究規(guī)律性，安安穩(wěn)穩(wěn)推動(dòng)工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，把重點(diǎn)放到數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題解決上，協(xié)同需求大戶波音公司（波音767和777）和美國(guó)國(guó)防部（洛克馬丁F-22戰(zhàn)機(jī)），解決他們推動(dòng)數(shù)字工程項(xiàng)目中碰到的數(shù)據(jù)傳輸難題。NIST坦誠(chéng)，STEP方案只解決了數(shù)據(jù)傳輸難題，數(shù)據(jù)共享難題還無(wú)法解決。
據(jù)工業(yè)4.0研究所最新跟進(jìn)，現(xiàn)階段NIST開(kāi)設(shè)“數(shù)據(jù)和電子信息科學(xué)辦公室”，正在處理物理學(xué)、分子生物學(xué)、有機(jī)化學(xué)和材料科學(xué)中的數(shù)據(jù)分析科學(xué)挑戰(zhàn)，這跟互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)所說(shuō)的互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)分析科學(xué)有天壤之別。
選用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略的公司，遵從的剖析架構(gòu)不同，價(jià)值創(chuàng)造方法自然也不同，就像NIST所說(shuō)，在工業(yè)及其他領(lǐng)域，人工智能和互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)改變了傳統(tǒng)式工程項(xiàng)目科學(xué)工作方式。
四、結(jié)語(yǔ)
基于模擬仿真的數(shù)字化工程項(xiàng)目、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三大基礎(chǔ)策略各有其用，公司不用為了某些時(shí)髦隨便改變自己的核心策略，因?yàn)椴煌I(lǐng)域會(huì)對(duì)數(shù)字孿生體關(guān)鍵技術(shù)和解決方法提出要求。具備創(chuàng)新意識(shí)的創(chuàng)業(yè)者，敢于突破邏輯思維限制，順應(yīng)時(shí)代需要，成為中國(guó)數(shù)字孿生自主創(chuàng)新的突破性力量。