【数字孪生】赵敏：1、数字孪生之我见，2、再谈：似是而非“数字双胞胎”，3、三谈：更深入的研究与应用

2018 年 8 月 30 日 产业智能官

智能制造：数字孪生之我见

数字孪生（Digital Twin），简称DT，自从概念诞生以来，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。笔者希望能借助此文，将个人思考的一些心得分享给读者。

一、数字孪生的起源

数字孪生到底是怎么发展出来的？尚无人给出详细的梳理。根据笔者30多年的制造业信息化经验和长期的观察与思考，大致认为数字孪生与计算机辅助（CAX）软件尤其是仿真软件的发展关系十分密切（详见笔者文章“数字虚体：推动软件定义世界”）。

在工业界，人们用软件来模仿和增强人的行为方式，例如，绘图软件最早模仿的就是人在纸面上作画的行为。发展到人机交互技术比较成熟的阶段后，人们开始用CAD软件模仿产品的结构与外观，CAE软件模仿产品在各种物理场情况下的力学性能，CAM软件模仿零部件和夹具在加工过程中的刀轨情况，CAPP软件模仿工艺过程，CAT软件模仿产品的测量/测试过程，等等。

在信息界，最早的模仿是模拟人脑的思考模式。冯•诺依曼的体系结构是把运算、存储与控制分开来进行，而人的大脑结构是运算、存储和控制一体化的，因此软件界人士不得不花费较多的时间和精力，用知识上更优化的算法和硬件上更快的芯片，来克服这种体系上的先天不足。这种对人脑思维的模拟导致了信息界人工智能学科分支的诞生。近些年新出现的神经突触芯片已经开始突破硬件结构限制问题。

软件仿真的结果，最初是在数字虚体空间产生一些并没有与物理实体空间中的实体事物建立任何信息关联、但是画得比较像的二维图形，继而是经过精心渲染的、“长得非常像”某些实体事物的三维图形。

近些年，当人们提出了希望数字虚体空间中的虚拟事物与物理实体空间中的实体事物之间具有可以联接通道、可以相互传输数据和指令的交互关系之后，数字孪生的概念就成形了。伴随着软件定义机器概念的落地，数字孪生作为智能制造中的一个基本要素，逐渐走进了人们的视野。

二、“Digital Twin”原文出处

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2003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 Excellencethrough Virtual Factory Replication”白皮书中进行了详细的阐述。

美国国防部、PTC公司、西门子公司、达索公司等都在2014年接受了“Digital Twin”这个术语，并开始在市场宣传中使用。需要指出的是，他们都是使用的“Digital Twin”，而不是“Digital Twins”。

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。

当然，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。

三、DT翻译结果的讨论

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。如果实在翻译不出来原文，就应该采用音译的方式暂时替代。现在翻译得比较失败的例子是“CPS（信息物理系统）”这个术语，因为CPS中的Cyber（赛博）并不是信息的意思，所以“信息物理系统”是一个不准确的翻译结果。笔者希望在DT的翻译上不要再重复CPS的翻译水平。

现在对DT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——意思基本正确，数字孪生体就是物理实体在数字虚体中的精确映射结果。但如多一个“体”字，一是在翻译上略显不精简，二是有可能把人们最关注的虚实映射关系引导到了这个数字孪生体上，容易弱化虚实对应的关系。

数字双生——基本意思类同“数字孪生”，较少使用。但是孪生与双生，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，数字孪生、数字映射、数字孪生体、数字双生这四个翻译意思相近，都是可以接受的翻译结果。数字孪生和数字映射更为常用一些。数字镜像稍微有一点逊色。数字双胞胎则在原意上偏差大了一些。

四、对DT术语的延伸理解

为了准确理解DT这个术语，笔者与很多专家做过研讨，并经过了近一年的思考，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，也有时序上的先后。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来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。

另外一个必须要考虑的问题，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，可以在本体上消亡的，因此，如果一定要使用实体化的“双胞胎”的概念，就难以避免这样的尴尬，双胞胎实体之一死了，另一个也就活不了多久了，因为谁都知道一对双胞胎彼此的寿命是差不多的。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、管理数据等）。

虚拟事物与实体事物之间的数字孪生关系如图1所示。

图1 数字孪生示意图

从图1可以清晰看出，“数”对“物”（虚体事物与实体事物）是数字孪生关系，“物”对“物”是物理复制或山寨关系，而“数”对“数”是数字镜像或拷贝关系。

五、小结

数字孪生所对应的英文是“Digital Twin”，而不是“Digital Twins”。“Digital Twin”应该译作数字孪生或数字映射更为贴切。

数字孪生不是指在数字虚体空间中的两个一模一样的虚拟事物，那是数字拷贝或镜像。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。

延展阅读：再谈“数字孪生”——似是而非“数字双胞胎”

“Digital Twin”一词，因为若干知名外企的频繁使用的示范带动效应和国内一些专家的介绍，在市场上广为流传，热读渐升。不少业界巨头、咨询公司、行业专家都开始重视“Digital Twin”，在各种媒体上发表了一些对“Digital Twin”的解读文章。显然，“Digital Twin”正在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。

笔者一直认为“数字双胞胎”这个术语值得商榷，可以有比“数字双胞胎”更好的翻译来解读“Digital Twin”。下面就这个术语的内涵和外延做一些讨论。

一、直译还是深究“Digital Twin”？

笔者从几年前一开始接触到这个词汇就发现并注意到了这个问题，在持续跟踪研究的同时，一直呼吁加强对外来术语的准确翻译与正确理解，避免出现似是而非的翻译问题。针对“Digital Twin”术语，可能有多种中文翻译结果，如“数字双胞胎、数字双生、数字镜像、数字孪生、数字映射”等，如果仅看直译，貌似都可以使用。但是，笔者认为较好的选择是“数字孪生”（详见笔者2017年撰写的“数字孪生之我见”文章）。

一个英文术语，在翻译成为中文的时候，需要做比较慎重的考虑，不仅要翻译出其字面的意思，更要考证其形成和应用的场景，以及可能的含义延伸，从而更准确地翻译出其背后的意思，以获得一个比较圆满的翻译结果。

就笔者目前掌握的研究结果来看，“数字双胞胎”可能是对“Digital Twin”一词不太准确的理解与翻译，看似100%直译，如果仔细分析，就会发现一些不尽如人意之处。

自从“Digital Twin”的术语诞生以来，如何准确地翻译这个词汇，成为了业界关注的术语内容之一。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CPS实现机理的问题，是与如何实现智能制造、工业4.0有关的问题。

二、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。

根据目前所看到的资料，Digital Twin一词由美国密歇根大学的MichaelGrieves教授，于2003年在他讲授的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（数字孪生：通过虚拟工厂复制实现制造卓越）”白皮书中进行了详细的阐述。

根据航空工业沈飞所王鸿庆等人撰写的“Digital Twin 数字孪生|工四100术语”文章介绍，美国国防采办大学（DAU）的术语中这样介绍：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。

航空工业发展研究中心刘亚威在《空天防务观察》上发表的文章介绍到：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。

按照《三体智能革命》中“三体智能模型”来理解，数字孪生是以数字虚体的形式，对物理实体的形、态、行为和质地等进行了尽量精确对应的“映射式”描述。这一种描述可以有不同的颗粒度、精细度和逼真度。

三、构成孪生关系的虚体与实体

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。平时大家所说的“比特（bit）与原子（atom）”、“赛博与物理”、“现实与虚拟”、“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，物理实体也算是数字虚体的“物理孪生体”，只不过平时很少这样说。

从诞生顺序上看，实体在先，虚体在后。以工业视角来看，实体是第一次、第二次工业革命的产物，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，无法执行工业必须的物理过程，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。

图1 飞机系统模型快速方案论证（图片来自苏州同元公司）

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。

图2 美空军和波音公司创建的F-15C数字孪生模型

四、场景决定了非“双”、非“胎”

“Digital Twin”一词的翻译歧义，聚焦在“Digital Twin”的场景中，对Twin的理解上。Twin作为名称在英汉词典中有几种翻译结果：“孪生子之一，双胞胎之一；两个相像的人或物之一；成对、成双的东西；孪晶；双人床”。如果仅仅看直译结果，双胞胎是准确翻译，但是如果仔细分析该术语的实际应用“场景”，上面翻译结果都不是比较贴切的意思，只有“孪生子之一”，还算勉强接近在“Digital Twin”术语中所描述的应用场景中的意思。而我们恰恰要特别注意和强调的是“Digital Twin”术语的使用“场景”。

1、“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-bed room）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。

2、“Digital Twin”不止“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：

1）“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）；

2）“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、平稳运转时、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）；

3）“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）。

3、只有“相像”而无“相等”

在相像程度上，从“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。

五、小结

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。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。

笔者本文观点，属于一己之见。期待有机会与读者们一起做更深入的研讨。后续笔者还将进一步研究和解读数字孪生。

三谈“数字孪生”——更深入的研究与应用

数字孪生（Digital Twin），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物理实体系统。。

一、数字孪生的学术研究

基于数字虚体的数字孪生技术，到底怎样才能更好、更精准地反映物理世界的实际情况？这一直是国际学术界持续研究的问题。

德国弗里德里希-亚历山大大学工程设计主任Benjamin Schleicha与法国巴黎-苏德大学Nabil Anwer等专家对数字孪生有着很深入的认识，他们合写了一篇题为 “塑造用于设计和生产工程的数字孪生（Shaping the digital twin for design and production engineering）”的文章，指出：“更加逼真的制造产品的虚拟模型，对弥合设计和制造之间的差距以及反映真实和虚拟世界至关重要。在本文中，我们提出了一个基于‘表皮模型形状’概念的综合参考模型，并将其作为设计和制造中的实物产品的数字孪生体。”“因此，……我们提出了数字孪生体的‘抽象‘与其’表达‘之间的区别。”如图1所示。

图1 数字孪生体的“表达”与其“抽象”之间的区别

数字孪生体的“抽象”可以在高度抽象层面上描述一些操作，通常抽象描述只是抓住了物理孪生体的一些基本的外部形体特征；而虚拟的“表达”是通过特定的仿真模型来执行的，是要在三维数字模型上加载能够代表物理孪生体形态或行为的特定算法来实现的。由于模型的近似性，显然在做某个操作时，“抽象”描述与其“表达”之间仍然存在着不确定性，“抽”得“像不像”，“仿”得“真不真”，其实二者与物理孪生体都有一定的差异。因此“抽象”与“表达”类型的数字孪生体，都只能作为物理孪生体近似的方案。

基于上述的“表达”与“抽象”，该文章给出了评价数字孪生的四个指标，对研究者与应用者加深对数字孪生的认识提供了进一步的思路。

① 规模性，能够提供不同规模（从细节到大型系统）的对数字孪生体的洞察力，在结构上不丢失细节，尽量映射物理孪生体的细微之处。如图2所示。

图2 数字孪生体的缩放性

② 互操作性，能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性，以多样性的数字孪生体来映射物理孪生体。如图3所示。

图3 数字孪生体的互操作性

③ 可扩展性，集成、添加或替换数字模型的能力，如随时随处添加若干扩展结构。如图4所示。

图4 数字孪生体的可扩展性

④ 保真性，描述数字虚体模型与物理实物产品的接近性。不仅在外观和几何结构上相像，在质地上也要相像。如图5所示。

图5 数字孪生体的保真性

另外值得一提的是数字孪生体的抽象性，除了上述的几何与结构在“形（外形、内形、分形、层次等）”上的描述之外，我们还应该对数字孪生体的“态（如状态、相态、时态等）”进行描述，而这种描述会有两种情况：一种需要在保持几何与结构的高度仿真的情况下来描述其“态”，另一种是在简化了几何与结构的情况下来描述其“态”，例如，工况场景只要求描述数字孪生体的位置、方位、振动、湿度、高温等，并不需要关注结构细节，此时就可以对数字模型进行大量简化和高度抽象。例如，一列高铁车辆，在不同的场景和条件下，其所对应的数字虚体的颗粒度就有所不同，既可以用数万个虚拟零部件详细表达系统仿真场景下的结构保真性，也可以用几根线条简要表达车辆调度场景下的位置准确性。如图6所示。

图6 数字虚体在高铁调度位置表达上的简化与抽象（图片来自网络）

二、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》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7所示。

图7 《三体智能革命》中CPS结构图（书中P28页）

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。

三、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8所示。

图8 数字孪生的范畴不是无限的

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的地方。

四、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。在产品全生命周期中彼此对应的数、物孪生体以及有关的“操作”如图9所示。

图9 产品全寿期都有不同的数字孪生体

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，信息可以双向传输：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10所示。

图10 西门子对数字孪生的认识

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过云服务，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。

图11 PTC对数字孪生的认识

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。

五、小结

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。

【作者简介】

赵敏——中国发明协会常务理事，发明方法研究分会会长，走向智能研究院执行院长，工信部CPS发展论坛副秘书长，英诺维盛公司总经理。国内著名创新方法专家、两化融合/智能制造专家。高级工程师。35年来一直致力于企业如何实现创新、转型的研究与实践，对TRIZ发明方法学、CAX、PLM、KE/KM、精益研发、智能制造、工业4.0等企业技术创新、管理创新和企业信息化专题有着深入的研究和独到的见解，在国内外媒体和国际国内学术会议发表文章和论文百余篇，为企业解决众多技术难题。著有《创新的方法》、《TRIZ入门及实践》、《知识工程与创新》、《TRIZ进阶及实战》、《三体智能革命》、《智能制造术语解读》等专著、合著与编著。

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