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数字孪生——个人愚见!

数据工匠俱乐部 | 数据工匠的理想家园 2020/07/06 13:29

新知达人, 数字孪生——个人愚见!

导 读 ( 文/ 中国科学院沈阳自动化研究所 彭慧 研究员 )


重磅系列文章《数字孪生——一半是火焰,一半是 海水 》第四篇之“个人愚见”!

概要:本系列评述性文章记录了作者近期关于数字孪生的思考结果。首先回顾并评述了数据孪生概念的起源,其次回顾并评述了各大工业软件巨头是如何定义和使用数字孪生的,之后从“数字世界”基本的工作原理角度重新审视了数字孪生, 在前述工作的基础上给出了个人关于数字孪生的观点,并对想进入该领域的后来者给出了本人的忠告。

个人对数字孪生的愚见总结如下:

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第一,数字孪生 并不是一种全新发现、从天而降、先于实践的新原理、新思想或新模式。 在数字孪生概念诞生之前,人们就已经在各个领域的计算机应用方面进行了数十年工作,或者说在人类发明的数字世界里,已经取得了丰富的实践经验与累累硕果, 而数字孪生不过是人们对数十年的计算机应用推广工作进行的经验总结与推广模式的高度概况。 借用电影《非诚勿扰》中带火的一段台词来形容,就是“你见,或者不见我,我就在那里,不悲不喜;你念,或者不念我,情就在那里,不来不去;你爱,或者不爱我,爱就在那里,不增不减;你跟,或者不跟我,我的手就在你手里,不舍不弃……”。非常应景的表述。

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第二, 没有必要纠结于“数字孪生”是谁先提出 ,无论是镜像空间模型、信息镜像模型、数字孪生、影子系统、平行系统,还是干脆就叫数字世界,基本思想大同小异,其本质上都是站在用户的视角上,如何看待或如何理解或如何解释,计算机如何做的一种有益尝试。历史的经验再一次告诉我们,只有好的想法还不够,要想青史留名,还必须为自己的想法贴上一个好的标签,还要生逢其时。 在科学技术的发展史上,我们可以多次看到了类似的案例。

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第三,奠定数字世界基石的图灵机模型,进而是数据结构与算法,是面向计算机软件开发人员的,或者说是面向计算机应用实现人员使用的。 而数字孪生的表述则是面向非计算机专业的人员,或者说是面向计算机应用人员,或者说是面向终端用户的数字世界工作方式的一种表述。

但需要特别强调的一点是, 图灵机模型是数字孪生的基础,是数字孪生能力的自然约束。 数字孪生这一表述最容易让人们提出超越图灵机能力的不切实际的要求,需要引起我们的警觉,别忘了还有NP问题是不能用计算机求解的。

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第四,数字孪生的表述是多种类似表述中最生动形象的一个,也最容易让非纯计算机专业的应用人员理解 ,更容易让计算机应用的终端用户插上想象的翅膀,浮想联翩,自我探索,进而催生出更多、更有价值、更有意义的应用,解决其所面对的各种问题。 这恐怕是数字孪生概念最大的价值所在,也是数字孪生迅速成为当下热点的重要原因。

计算机应用当下更为流行的术语叫数字化,或数字化转型,已经进入到了爆发式的增长阶段,已经进展到了非纯计算机专业人员主导的时代,新的阶段需要有新的时代印记, 这应该是数字孪生这一概念提出后,被冷遇了十年之久才走了大众视野的原因。

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第五,数字孪生像雾像雨又像风。 可以把她视为一种方法、一种模式,当然也可以视为一种技术。但个人认为,还是将数字孪生视为在数字世界中求解现实世界中问题时,更易于使用者理解问题求解过程或求解机理的 一种主观表述,一种思想方法,或者说是一种应用模式。而不应该视为一种技术。 这一意见,估计会引起较大争议。

如果非要将数字孪生理解为一种新技术,那么这种新技术特定的内涵又是什么呢?如果现在列出一个 数字孪生方面的技术清单,就会发现,清单中绝大多数是已有技术,或者是现有技术的某种翻版 ,有点新瓶装旧酒的感觉。比如,当谈论数字孪生的时候, 无论如何也绕不过建模与仿真。 而建模与仿真是已经研发了数十年的技术。好像真的很难列出数字孪生专有的技术清单。

在将数字孪生落地的时候,就会发现,只有数字孪生概念自身,帮不到企业什么, 反倒是那些类似建模、仿真、数据结构、算法、数据库、云计算、ERP、MES、SCADA等能够提供给企业莫大的帮助。

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△ 图源:ANSYS

如果还有疑问,可以采取反向思维,看看没有数字孪生是否可以用现有的计算机技术求解实际问题。

所以,将数字孪生作为当下国内热点—— 工业软件的救星,智能制造的救世主,工业互联网的推进器等努力,必定会满载希望而来,铩羽而归。
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第六,各种形式的数字孪生形式的提出,都与要解决的特定问题密切相关。 建立一个现实世界对象的数字孪生与要求解的问题密切相关,与问题求解程度密切相关,或者说数字孪生的“孪生”程度,与人们求解的问题需要相匹配。所以,求解100类不同的问题就会有100类数字孪生。
那种试图建立能够满足各种应用场景需求的数字孪生标准和建模方法的努力,或者研究将会遇到极大的挑战。其背后的深刻原因是,这个世界是极其多样化的、复杂的,建立一个大一统的标准或模型,恐怕现阶段人的能力与技术以及资源条件,还不足以应对这种努力。 比如,GE提出的工业互联网,只是尝试解决提高工业革命后诞生的数以万计的机器的利用率问题 ,工业4.0则是解决 大规模个性化定制 所需的动态自组织跨企业边界的新型价值链等等。这些战略战术的提出,都是问题驱动的解决方案,都有限定的目标。
另一方面,对数字孪生的定义或理解,在目前还存在较大差异,或者说还没有达成广泛共识的状况下, 即便是能给出某种统一的标准、模型,又能有多大的实际价值?
在智能制造火热时,我们搞智能制造标准;当CPS热门时我们搞CPS标准。 这么多年过去了,这些标准的实际应用价值有多少?值得思考!现在数字孪生火热了,难道要再搞一套一统天下的数字孪生的标准或模型?
也许,将数字孪生标准限定在特定行业、特定领域,还是具有一定的实际价值。 如果非要搞统一的标准或模型,也应限定在理论探讨中,而不宜进行大范围的工程实现。
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第七,尝试建立一个100%相识的数字孪生, 仅仅有理论意义,没有实际工程价值,实事求是地讲,技术上也做不到。 这与物联网中经常提到的“万物互联”是一个道理,或许在科幻片中可以做到。这一点特别应该引起新闻媒体朋友的注意,过分夸大的宣传必然会误导普通大众。
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第八,如果将数字孪生仅仅定义为现实世界对象在数字世界中的映射,理所当然的可以将数字孪生应用到 各种数字化的场景中 。这应该是数字孪生的概念快速走出制造行业, 进入到智慧城市、智慧医疗等领域的根本原因。将现实世界对象进行数字世界映射,是任何数字化项目的必由之路。
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第九,Gartner公司将数字孪生连续三年列入了十大战略技术中,对国内数字孪生的火热,起到了推波助澜的作用。这已经成为国内,呼吁建立专业的数字孪生的研究机构、将数字孪生上升为国家战略的一个重要依据。

我们应该要独立思考、冷静分析,看清楚数字孪生的实质,理性应对。个人认为,是该考虑将Gartner的预测赶下神坛的时候了。

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第十,CPS与数字孪生有着近似相同的境遇。
狭义上,可以将CPS(Cyber-Physical Systems)看作是计算机嵌入式系统的一副更为学术一点的马甲。同样地,也很难以找到CPS自身独有的实现技术。 广义上,CPS可以视为一种特殊形式的数字孪生,是数据输入+数字孪生承载体+数据输出的一个有机整体 ,大体上与严格意义下的智能产品、智能设备等同。技术实现上,CPS是一种通过网络或接口实时采集到物理世界对象状态数据,并作为数据孪生承载对象的输入,经过数据孪生承载对象的加工处理,将结果再通过网络或接口实时地,直接作用到物理对象上的特殊的数字孪生承载对象。
CPS的境遇,从某种意义上讲,就是数字孪生的前世今生。
近来,智能制造领域的新观念、新思想、新说法特别多,但大多是在没有明确概念自身内涵的前提下,在没有自身新技术或独特技术支撑的基础上玩的概念游戏,让人们无所适从。还有一部分人自娱自乐,发布一些是是而非的结论, 比如说,有人说“工业互联网是智能制造的基础”,也有人说“智能制造是工业互联网的基石”,似乎哪个都对,都没有问题,可两者之间确实存在明显的逻辑矛盾。
个人的观点是,当理解不了某个新概念、新想法的时候,不要盲目跟随, 可以看看它是怎样落地的。说起来容易,做起来难,是一个永恒的真理。
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如果仔细研读一下CPS实际案例,列举一下CPS自有的技术清单,就会对CPS有一个清醒的自我判断。正如《雾里看花》的歌词如是说,“借我借我一双慧眼吧,让我把这纷扰,看得清清楚楚明明白白真真切切”,道出了当下的状况。 这双慧眼,就是实践,实践是检验真理的唯一标准。

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