【数字孪生】工业互联网之数字孪生（Digital Twins in IIoT）

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【数字孪生】工业互联网之数字孪生（Digital Twins in IIoT）

2019 年 7 月 17 日 产业智能官

原创：丁少华三之一智联

道生一，一生二，二生三，三生万物。万物负阴而抱阳，冲气以为和。

——《道德经·第四十二》

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【关键词】数字孪生（DW，Digital Twin）智能互联产品（SCP，Smart Connected Product）

产品即服务（PaaS，Product as a Service）

在前一篇微文中，笔者谈了对数字主线（Digital Thread）的一些理解，原文内容比较抽象，有些读者可能还有些迷糊。本着以终为始的原则，既然“数字主线”主要是为“数字孪生”服务，通过对数字孪生的了解，相信读者会对工业互联网有更进一步的认识。

（数字孪生，Digital Twins，也有的文章将之翻译成“数字双胞胎”，笔者则喜欢用“数字孪生”的叫法，原因无他，因为从语言修饰学看，它和“数字主线”在文本对称，这对一个有着美学鉴赏迫害症的人来说，是没的其他选择了！T_T。）

在谈“数字孪生”之前，让我们先认识一个数字化时代下的新物种——智能互联网产品（SCP，Smart Connected Products）。当然，这里讲的“产品”是泛指，在实际场景中，它可能是设备（Device），可能是资产（Asset），可能是系统（System），总之是现实中一个个具有一定物理独立性的存在，智能手机就是一种典型的SCP。

SCP有两种典型的能力：智能Smart和互联Connected。所谓的“智能”，是这种产品有内置的软件（EmbeddedSoftware），可以实现诸如环境感知、数据采集、数据运算、UI展示、人机交互等功能。所谓“互联”，是这种产品含有通讯模块，可以实现产品与产品之间，产品的边缘端与云端之间的通讯，进而通过“互联”功能，获得云端所提供的，更多的软件服务，并能够进行在线的更新或升级（Renew orUpgrade）。读者通过对智能手机的理解和联想，应该能够对SCP有进一步的了解。

随着传感器、信息通讯技术（Information and Communication Technology，ICT），尤其是云计算和物联网技术的发展，似乎一切产品皆可成为SCP，比如智能互联汽车、智能互联冰箱，智能互联设备，等等；小米公司就是在其产品中包装了物联网技术，并推出一系列SCP式风扇、SCP式净水器，……，c从而迎来了近几年在家电领域的快速发展。

（唐老师：请问挖机技术哪家强？中国山东找蓝翔。丁老师：其实，强的不是蓝翔，而是三一和中联，因为他们家的挖机带有传感器和通讯模块，可以远程监控，……。）

图1：智能互联产品SCP的组成框架

与智能互联产品形态交叉发展的是“产品即服务（Product as a Service，PaaS）”的商业模式的兴起，这尤其表现在工业设备产品和耐用消费品等领域。以往，客户是通过“购买（Buy）”的方式来获得某件商品的使用权，因而，初期资本支出大，进入门槛高；如今，客户可以通过“租赁（Lease）”或“共享（Share）”的方式获得商品的使用权，所以，初期资本支出小，进入门槛低，很好地助力了“全民创业，万众创新”的工作推进。

“产品即服务”的商业模式解决了客户（使用者）在大资金的融资或筹措等问题，也能够消化产品制造商的闲置产能或帮助制造商实现均衡化生产，供需双方各得其益，着实是一种重大的商业模式创新，故此，在近几年得到了快速推广。“产品即服务”的商业模式，其主要缺点是资产的所有者和使用者相互分离，作为所有者的制造商需要承担较大的风险。为了控制风险，制造商需要有某种手段去监控和跟踪商品的运行状态和历史轨迹。

云计算、移动互联网、工业互联网等数字化技术的出现和日益成熟，让“智能互联产品”的产品形态和“产品即服务”的商业模型实现了较好的融合。因为“智能互联产品”所携带的“智能”和“互联”的能力，制造商可以在远程实时监控和跟踪产品的运行状态和使用历史，从而有效地控制商业风险；使用者也可以实时、直观地获取产品的操作指导和使用建议，不间断地升级产品的软件功能，从而有效地利用产品为其服务。

借助工业互联网等技术，SCP式产品中的“智能”、“互联”等能力的具象化、可实现性、可管理性、安全性、便利性、可获得性，等等，就是通过“数字孪生”这一数字化技术解决方案来实现。在传统产品的全生命周期中，包括构思、原型、开发、工程、建造、出售、使用、维修（更新）、报废、淘汰（或退役）等环节。只不过，因为商业和技术等原因，一经出售，产品的所有权和使用权就转移到客户手中，除了担保、维修等少数环节，制造商基本不与产品发生很多的联系。而“产品即服务”业态中的“智能互联产品”则不同，制造商需要参与产品的全生命周期；在个性化定制的运营模式中，客户还将参与产品从构思到退役的全生命周期；这两者都需要有一个更好的“人机界面”与“智能互联产品”发生各种联系和互动，“数字孪生”就是为了满足这种“人机界面”而开发出来的。

“数字孪生”与“智能互联产品”之间的“翻译器”就是工业互联网中的“物（Thing）”。以PTC ThingWorx平台为例，利用工业互联网平台的建模技术，通过“物”的属性来模型化SCP实体的参数和状态数据，进而监测SCP的运行状态；通过“物”的服务、事件或订阅等方法来模型化SCP与SCP之间，SCP与人之间的交互和协作等作业，进而对SCP进行远程控制和优化。从这个角度来看，“数字孪生”就是工业互联网等技术浪潮下的数字化解决方案，它的管理对象是智能互联网产品，进而可以赋能于“产品即服务”，或者说“服务型制造”等企业数字化商业模式的发展和深化。

图2：SCP、IIoT、“数字孪生”与“产品即服务”的关系框架图

可能有读者要问，“数字孪生”与信息化时代的ERP、CRM、MES等IT解决方案有什么不同呢？笔者认为，他们各自的出发点、管理对象和技术支撑等有所不同，但在帮助企业发展和业务赋能等方面有交叉和互补关系。

表1：ERP/CRM/MES等IT系统与“数字孪生”的比较

	ERP/CRM/MES等	数字孪生
管理对象	交易、记录或关系	智能互联产品（SCP）
组织维度	公司/部门/工厂/……	产业链
空间维度	横向	纵向
时间维度	端到端	全生命周期
技术支撑	三层架构/关系型数据库	云计算/工业互联网
企业赋能	企业的整合能力	企业的连接能力

首先，管理的对象不同。ERP、CRM、MES等IT系统管理的是企业中的流程和交易，管理的是“关系”；而“数字孪生”管理的对象则是产业链中的产品、设备或资产之类，物理上具有一定独立性存在的智能互联产品SCP。在这一点上，"数字孪生”与PLM的“血缘”关系更近一下。

其次，组织的维度不同。ERP、CRM、MES等IT系统主要从内而外来看，更多地关注的是企业内部运营的效率和效益；而“数字孪生”则是从用户（使用者）和市场出发，涵盖了智能互联产品的全生命周期，横跨了整个产业链，尤其是产品交付到使用者手中的使用、维护等环节。

再次，时空的维度不同。ERP、CRM、MES等IT系统关注的流程或交易的横向以及端到端，而“数字孪生”则关注的是智能互联产品的全生命周期。

再次，支撑的技术不同。ERP、CRM、MES等IT系统是根据ISA95的体系标准，建立在三层架构（展现层/应用层/数据库层）和关系型数据库等IT基础上；而“数字孪生”则利用的是物联网、机器学习、云计算等工业互联网技术。

最后，赋能的能力不同。ERP、CRM、MES等IT系统和“数字孪生”等数字化解决方案都能对企业的发展进行赋能，ERP等赋能的是企业的资源整合能力，“数字孪生”赋能的是企业对资源、市场和用户的连接能力，而只有在实现高效整合和实时连接的基础上，企业才有可能更好地进行创新活动。

虽然有以上的各种不同，“数字孪生”数字化解决方案和ERP、CRM、MES等IT系统一样，都是服务于企业的发展和业务价值的实现。在完成这些使命的过程中，“数字孪生”和ERP、CRM、MES等IT系统有着交叉和互补的关系。从某种意义上来说，ERP、CRM、MES等IT系统其实也是对现实世界的一种映射或模拟，ERP映射的对象是法人公司，MES映射的对象是车间或生产线，SCM映射的对象是供应链，CRM映射的对象是客户关系网络，等等。进一步说，如果利用工业互联网技术，给ERP、CRM、MES等IT系统装上“互联（Connected）”的“翅膀”，互联型ERP（Connected ERP），互联型CRM（Connected CRM）、互联型MES（Connected MES），互联型PLM（Connected PLM），互联型SCM（Connected SCM），等等，其实也是某种形式的“数字孪生”。

图3：“数字孪生”与ERP、CRM、MES等的交叉和互补

其实，我们不要把“数字孪生”神秘化，它本质上还是一种IT解决方案，不过是基于工业互联网技术上的数字化解决方案。在建模思想上，它采用的是基于物联网的建模（Thing-based Modelling）；在具体表现形式上，它也是一种“人机交互界面”，在样子上可能是工业App，也可能是一个桌面应用。只不过，相比较ERP、CRM、MES等传统的IT应用，“数字孪生”可以充分利用物联网、机器学习、人工智能、云计算、增强现实等数字化技术，进而实现实时、自主、智能式运行，这更贴近笔者所倡导的IT之“道”的愿景。

图4：Borsch工业设备的“数字孪生”用户界面

IT之“道”，或IT之“DAO”。所谓DAO，是Democratic，Autonomous，Organic等三个英文单词的首字母缩写。Democratic，通俗化，零学习成本，以工业App或增强现实的方式展示，可以更简洁、更立体、更直观，用户掌握起来更快。Autonomous，自主化，即“自计划、自组织、自监测、自控制、自反馈、自改进”的智能循环；“数字孪生”利用机器学习等技术，可以自我学习并进行预测性判断和规则式反应。Organic，进化，不断迭代，不断改进，跨行业和生态；“数字孪生”利用物联网的连接技术，可以实现功能的高内聚和架构的低耦合；同时，通过边缘计划、雾计算和云计算的协同，可以实现持续迭代和改进；另外，“数字孪生”支持下的智能互联产品，其本身就是跨产业链的生态。

如果说数字化时代将衍生各种“新物种”，“数字孪生”就是基于工业互联网技术加持下的新型数字化解决方案，数字化解决方案中的“新物种”。

图5：“数字孪生”技术支持下的智能互联产品生态

有了“数字孪生”技术，制造商或使用者就可以对各种智能互联网产品进行实时监测、远程控制、远程诊断、作业指导、运营仿真、在线升级、效率分析和改进，并可与企业的电子商务平台进行对接，从而嫁接更多的增值服务。“数字孪生”对产业的影响是革命性的，工业设备制造企业和耐用消费品企业的从业者们，尤其要关注并尽早应用好这类技术。

最后，引用几个网上摘录的关于“数字孪生”的定义，相信读者会对“数字孪生”得出进一步的理解：

“数字孪生”是现实世界中某个实体或系统的数字化展现。在物联网的语境中，“数字孪生”将现实世界的对象连接起来，并提供其状态、针对变化的响应、改进作业及增值服务等信息。

——Gartner

“数字孪生”是一种由数字主线”使能的，针对某个已构建系统的多物理、多尺度、概率性仿真；它是一种充分利用仿真和物理数据来解决全生命周期中与产品有关的各种问题。

——SmartUQ

“数字孪生”是基于工业互联网技术，对现实世界中各种“智能互联产品”的数字化模拟和展现；它是一种新型的数字化技术解决方案和“人机交互”界面，将有力地推动和深化“产品即服务”或服务型制造等商业模式的进一步发展。

——丁少华

作为小结，借用《道德经》的话：“道生一，一生二，二生三，三生万物；万物负阴而抱阳，冲气以为和”。“道”是企业家精神、客户需求或商业价值；“一”是智能互联产品；“二”是物理世界和数字世界；“三”是围绕智能互联产品所展开的开发、构建、运营、维护等企业经营活动，是“物”、“数”、“人”，而有了“数字孪生”的出现，“物”、“数”、“人”等三者才可能实现完美的融合，进而达到“万物负阴而抱阳，冲气以为和”的境界。

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