數(shù)字孿生是近幾年得到重視的一個概念，尤其是與之前智能制造、CPS等相比，人們感覺數(shù)字孿生是更加落地或可以作為抓手的一個概念。一般對于概念來說是在研究過程當(dāng)中，為了精煉準(zhǔn)確說明某些事情，我們凝練出一個可能從來沒有出現(xiàn)的概念。但對于數(shù)字孿生來說，我認(rèn)為其更多的是一種提綱挈領(lǐng)的模式或機(jī)制的描述，一方面是面向?qū)嶋H的應(yīng)用需求而衍生出這種總結(jié)性名詞，另外一個方面是對既往一些做法的再次凝練和提升，或者可以認(rèn)為是源于實踐并追求高于實踐吧。

對于數(shù)字孿生概念來說，我們追求的其實和應(yīng)該是他的內(nèi)涵。雖然從字面來說，“數(shù)字”、“孿生”是偏向于與物理實體相對應(yīng)的“虛體”的含義，但既然涉及到“孿生”一定是有其物理實體對照物的，并且一定是與物理實體對照物具有關(guān)系的一種綜合概念。比如我們從物理資源角度來說，利用資源管理殼等表達(dá)和互操作方式，實現(xiàn)與實際世界相對應(yīng)的物理實體的孿生體特點等。當(dāng)然，我們?nèi)匀豢梢試L試追求給出一個嚴(yán)格的定義，但我認(rèn)為我們更應(yīng)該追求的應(yīng)該是他的本質(zhì)內(nèi)涵。筆者認(rèn)為：數(shù)字孿生是基于物理實體和數(shù)字虛體之間的近真實孿生映射基礎(chǔ)上的涵蓋狀態(tài)感知、實時采集、分析推理、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)控制關(guān)系，其中基于的建模與仿真的分析推理是當(dāng)前數(shù)字孿生體所關(guān)注的重點。

本文將重點從數(shù)字孿生概念的4點判斷、數(shù)字孿生的核心是基于工藝和管理知識的決策、數(shù)字孿生是軟件定義制造實現(xiàn)的支撐，以及數(shù)字孿生與智能制造相關(guān)概念的關(guān)系等方面進(jìn)行闡述，主要目的是對當(dāng)前關(guān)于數(shù)字孿生認(rèn)知與實踐中的可商榷話題進(jìn)行分析和總結(jié)。

一、數(shù)字孿生概念內(nèi)涵的4點判斷

（1）數(shù)字孿生是強(qiáng)調(diào)實時性的CPS

賽博物理系統(tǒng)（CPS）作為智能制造的核心模式，體現(xiàn)了動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)過程，支持了裝備／系統(tǒng)的自適應(yīng)、自組織的智能化發(fā)展理念。數(shù)字孿生是CPS的具體體現(xiàn)，重點是突出虛實融合下的數(shù)據(jù)處理、仿真分析、虛擬驗證及運行決策等。其中的核心在于，對于業(yè)務(wù)對象而言，所謂的分析推理其實也是基于模型的，而這個模型是基于狀態(tài)感知和實時采集基礎(chǔ)所建立的，這個模型能夠支持分析推理，雖然這種分析推理可能只是某個方面的，但也是對對象的某種數(shù)字孿生或者某種程度上的數(shù)字孿生。因此從這個角度而言，數(shù)字孿生其實是CPS的某個子集。數(shù)字孿生因為特意強(qiáng)調(diào)了“孿生”，不可避免的具有一定的實時性特點，而傳統(tǒng)的CPS從理念角度是涵蓋了實時和非實時兩種情況的。

（2）可視化不等于數(shù)字孿生

數(shù)字孿生與可視化展示是“皮”與“毛”的關(guān)系。數(shù)組孿生一定是在某個方面反映物理實體的，這是毋庸置疑的。但這某個方面只是物理實體的某些特性，而未必是全部的特性，有些方面可能并不需要建立可視化展示。

比如我們通過APS來對車間的運行狀態(tài)進(jìn)行表達(dá)，并在此基礎(chǔ)上給出進(jìn)一步持續(xù)的資源優(yōu)化配置方案，這個背后當(dāng)然是有模型的，但這個模型未必是可以展示的。

比如對于復(fù)雜電子產(chǎn)品的研制，一般分為電訊總體和結(jié)構(gòu)總體。對于復(fù)雜電子產(chǎn)品來說，電訊總體顯然是更重要的，實際當(dāng)中也是這個樣子的。但是電訊總體更多的表達(dá)的是這個復(fù)雜電子產(chǎn)品內(nèi)部的信號輸入輸出之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，更多的是一種邏輯上的表達(dá)。筆者見過的一些單位就是通過MATLAB或者說利用商業(yè)化仿真軟件的一些模型來進(jìn)行表達(dá)。而結(jié)構(gòu)總體才是真正的可見物理實體表達(dá)，是這個復(fù)雜電子產(chǎn)品各個組成部分可見的物理實體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。從最終的結(jié)局來說，我們這兩個方面應(yīng)該是都需要的，實際操作過程當(dāng)中，這兩個方面的一體化集成也是我們追求的目標(biāo)。但現(xiàn)有復(fù)雜性和技術(shù)條件制約，分成兩個部分來分別開展這方面的工作，是更為實用的一種做法。

數(shù)字孿生更多的強(qiáng)調(diào)內(nèi)在關(guān)系而不是外部展示，同時，數(shù)字孿生在技術(shù)限制下，也可能只是對物理實體進(jìn)行某個側(cè)面的分析。

（3）三維模型不是數(shù)字孿生的必備

一般而言目前很多說數(shù)字孿生的都是基于三維的產(chǎn)品或產(chǎn)線模型，其實本不必如此的。只要這個模型能夠有效地表達(dá)并支持進(jìn)行產(chǎn)品或產(chǎn)線某方面分析的特性，我們就可以認(rèn)為這就是一種數(shù)字孿生。比如，建立數(shù)學(xué)模型，并通過MATLAB進(jìn)行數(shù)字化程序表達(dá)，這個能夠求解的程序，我認(rèn)為就是一種數(shù)字孿生；比如對于APS，屬于基于車間當(dāng)前狀態(tài)的某種決策模型，雖然可以通過形式化的數(shù)學(xué)方式進(jìn)行表達(dá)，但其更多的還是由某種軟件系統(tǒng)表達(dá)的，通過這個程序系統(tǒng)或內(nèi)在的分析模型，可以進(jìn)行產(chǎn)線的產(chǎn)能評估、瓶頸分析、外協(xié)／分批決策等，我認(rèn)為這也是一種數(shù)字孿生。但這些模型與傳統(tǒng)所說的圖形三維是沒有關(guān)系的。是否支持決策是數(shù)字孿生的根本，其他的都是外在。其實從這個角度進(jìn)一步思考，比如MES我就認(rèn)為是一種大號的CPS，并非CPS一定是面向設(shè)備或單元的，這應(yīng)該就是所謂的系統(tǒng)級CPS的本質(zhì)含義了吧。

（4）數(shù)字孿生不是憑空來的

雖然數(shù)字孿生的概念很熱，但數(shù)字孿生并不是憑空來的天賜之物。就如同工業(yè)界的很多好的理念，比如單元化、精益生產(chǎn)等，都是根據(jù)實際總結(jié)出來的一樣。關(guān)于數(shù)字孿生乃至CPS，其實在概念沒出來之前已經(jīng)有很多實踐了。人類有三種實踐，物理實驗只是其中一種，另外兩個的理論推導(dǎo)和計算機(jī)模擬，其實都是現(xiàn)實實物的抽象，從這個角度而言，其實都算孿生，只是不都是數(shù)字化而已。但一般而言，計算機(jī)模擬在內(nèi)涵上很大程度上也是由理論分析模型支持才能實現(xiàn)的。

二、數(shù)字孿生的核心是基于工藝和管理知識的決策

對于數(shù)字孿生而言，在物理實體和數(shù)字虛體之間，橫亙著兩個關(guān)系：一個是自下而上的狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)采集，一個是自上而下的實時控制，但這些仍然只是看得見的關(guān)聯(lián)關(guān)系，更為核心的是所建立的數(shù)字虛體或者數(shù)字孿生體應(yīng)該具有與物理實體相對應(yīng)的孿生效果，當(dāng)然這種孿生效果不能僅僅是形似，而是為了神似，而神似的目的就是要能夠支持基于所采集的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息進(jìn)行分類、分析、推理、決策和預(yù)測。

數(shù)字孿生的核心是決策，而執(zhí)行這個的是數(shù)字孿生閉環(huán)關(guān)系中的數(shù)字孿生體，其核心重點是建模分析和推理。如果只是強(qiáng)調(diào)三維可視化展示，其實是有點舍本逐末，不僅不符合數(shù)字孿生所追求的分析推理，更是與數(shù)字孿生體要對物理實體進(jìn)行干預(yù)的要求相去甚遠(yuǎn)。也許在很多情況下面，真正起決定作用或者說發(fā)揮更重要作用的，對于顯示的要求并不是那么高。從以決策為核心出發(fā)，基于實際執(zhí)行狀態(tài)的APS，其實也可以認(rèn)為是一種數(shù)字孿生，其中涉及大量的模型和算法，并且是對生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測分析與優(yōu)化，但可能連顯示都沒有。其實我們以前做各種各樣的CAE分析，也是強(qiáng)調(diào)試驗驗證和模型校驗的，只是這個反復(fù)迭代的過程比較冗長，與當(dāng)前所提的數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的實時性不同。但其實這方面的努力，我認(rèn)為也都是抓住了數(shù)字孿生最核心的決策要求，也為當(dāng)前數(shù)字孿生體的發(fā)展提供了基礎(chǔ)支持，從某種角度來說，這種工作更加有意義。

數(shù)字孿生的核心是決策，包括分析、推理、預(yù)測等，至于結(jié)果的展示并不一定是可視化。但現(xiàn)在見到的一些宣稱數(shù)字孿生的，包括產(chǎn)品的或者產(chǎn)線的，基本都比較強(qiáng)調(diào)可視化的運用，可視化是可以有的，但從內(nèi)核功能來說并不是必須的。數(shù)字孿生強(qiáng)調(diào)的是虛實同步映射，目前能做的大多體現(xiàn)為實向虛的映射，比如通過虛擬的產(chǎn)線模型反映實際產(chǎn)線的實際運行狀態(tài)，但這個其實只是展示而已。數(shù)字孿生最重要的是分析推理及其之后對物理實體的干預(yù)，說的是內(nèi)在相似而不是簡單的外表。從這個角度來說，目前實向虛的技術(shù)和案例已經(jīng)較多，但虛向?qū)嵉膬?yōu)化干預(yù)仍需進(jìn)一步努力。

（1）數(shù)字孿生體現(xiàn)了工藝知識的沉淀，能夠有效的提升核心工藝能力

工藝是與產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率直接相關(guān)的專門知識，任何一個企業(yè)即使是在手工管理模式下，也應(yīng)該是非常重視工藝的，所以我們在開展智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等方面的技術(shù)研究和探索應(yīng)用的時候，工藝都是重要的目標(biāo)服務(wù)對象。

其實很久以前，工業(yè)過程建模與仿真，這是大家耳熟能詳?shù)囊粋€技術(shù)方向，也是一個范圍很廣的技術(shù)方向。但我感覺數(shù)字孿生，與之前的工業(yè)過程建模與仿真還是不一樣的。傳統(tǒng)的工藝過程建模與仿真，可能更多是脫離于實體的一種孤立的運行，而數(shù)字孿生是一種與實體雙向連接的運行？如果簡單來理解，可以理解成一個是在線，一個是離線。數(shù)字孿生更偏重于動態(tài)的在線。

但不管怎么樣，數(shù)字孿生或者說為了實現(xiàn)數(shù)字孿生的第一步就是建模。我們需要進(jìn)行建模。當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為我們從實體上面來獲取各種各樣的實時狀態(tài)提供了手段，也為建模及其應(yīng)用提供了擴(kuò)展空間。但這些工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等都不是最主要的，只是外圍支撐的手段而已，最主要的還是怎么使得這個模型能夠表達(dá)的真實。在仿真領(lǐng)域，很久以前有一句話是這么說的，做虛擬仿真切忌“虛而不擬，仿而不真”，其實就是說的這個模型是否準(zhǔn)確？是否能夠反映實際？其實美國長期以來，從上個世紀(jì)五六十年代開始，就一直在國防先進(jìn)制造等計劃中持續(xù)的支持和發(fā)展建模與仿真?？赡軇傞_始有些人覺得這方面比較虛，但是這個方面其實是對工藝機(jī)理進(jìn)行深入探究的代名詞。不論是解決實際問題，還是推動技術(shù)發(fā)展，甚至相關(guān)工業(yè)CAE軟件的發(fā)展，都是極其需要和重要的。

工藝的類型是多種多樣的，相關(guān)的數(shù)字孿生模型，也是多種多樣的，所涉及到和所綜合的學(xué)科知識也是不一樣的，這才是真正的專業(yè)知識的沉淀凝練。我們說的智能制造在很大程度上是體現(xiàn)為數(shù)字孿生的綜合運用的。

比如對切削加工來說，可以基于工藝推理模型，對工件的加工質(zhì)量進(jìn)行實時的評判，并能夠根據(jù)決策分析結(jié)果，對相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行及時有效的調(diào)整，這樣就具有一種自適應(yīng)的味道。

比如，筆者在針對某企業(yè)薄壁件加工變形控制方面的研究中，就綜合運用了內(nèi)部應(yīng)力場重構(gòu)控制、切削工藝建模與仿真分析、弱剛度變形補償?shù)却胧?，雖然是針對具體的零件來開展的，雖然里面也具有很多的經(jīng)驗的成分，當(dāng)然也是融合了一些數(shù)字化定量的技術(shù)研究，但對于筆者來說，后續(xù)應(yīng)該將這個過程進(jìn)行沉淀，沉淀成一個分析推理的模板，后續(xù)只要按照這個步驟來做，任何薄壁零件的加工變形控制問題都可以得到解決或者一定程度的解決，這也是數(shù)字孿生的一種體現(xiàn)。

比如，筆者在針對另外一個項目中，針對某個復(fù)雜零件加工過程的精度保證問題，采取了自適應(yīng)加工補償?shù)姆绞?。也就是說，對每一次走刀之后的加工型面進(jìn)行測量并進(jìn)行曲面重構(gòu)，同時與理想的型面進(jìn)行比較分析，找出偏差進(jìn)行補償，調(diào)整刀位軌跡并生成數(shù)控程序，可以有效的提高加工精度。這個過程里面所開發(fā)的分析軟件，其實也是一種數(shù)字孿生。

我們國家提出要建設(shè)百萬工業(yè)APP，其實我感覺，拿出來一半來做工藝的數(shù)字孿生特點的工業(yè)APP，我感覺分量都嫌低。工藝數(shù)字孿生是夯實和提升我們制造實力的根本，從做大轉(zhuǎn)向做強(qiáng)的必然途徑。

（2）數(shù)字孿生體現(xiàn)了管理經(jīng)驗的知識沉淀，能夠有效的提升智能管控水平

制造執(zhí)行過程管控需要根據(jù)不同的企業(yè)類型及其生產(chǎn)特點，需要貫徹和綜合不同的先進(jìn)管理思想。但是一般來說這些管理思想，比如精益思想，很多企業(yè)甚至很多專家，還認(rèn)為這只是一種指導(dǎo)性的方法論而已，從中理出來一些原則或者說是方法手段，對生產(chǎn)過程當(dāng)中的某一點、某個業(yè)務(wù)進(jìn)行實施應(yīng)用。我認(rèn)為這么理解是帶有一定的片面性的，實際上來說也有感覺，這些先進(jìn)管理思想，在實際當(dāng)中的運用，更多的是一種割裂性的碎片化的實踐。我認(rèn)為，如果你做了或?qū)嵤?yīng)用了一個制造執(zhí)行系統(tǒng)，這個制造執(zhí)行系統(tǒng)如果不體現(xiàn)先進(jìn)的管理思想，那相當(dāng)于這個制造執(zhí)行系統(tǒng)，筆者認(rèn)為，就是一個沒有靈魂的系統(tǒng)。一般來說能解決問題簡直就是個奇跡啊。

因此我們應(yīng)該將各種先進(jìn)的管理思想，把它細(xì)化落實或者凝煉成管理經(jīng)驗與知識，并且系統(tǒng)化而不是孤立的體現(xiàn)在生產(chǎn)管理當(dāng)中，尤其是智能管控方面。這些經(jīng)驗和知識的沉淀或者說物化或者更明確的進(jìn)行軟件化，其實也是相當(dāng)于建立了內(nèi)部有機(jī)關(guān)聯(lián)的決策模型。而這種決策模型，本質(zhì)上來說，其實是制造執(zhí)行過程的數(shù)字孿生，或者某個側(cè)面指標(biāo)或目標(biāo)的數(shù)字孿生。

比如我們可以建立面向產(chǎn)線或者車間的排產(chǎn)調(diào)度模型，在這個里面體現(xiàn)TOC等思想，當(dāng)然體現(xiàn)的不僅僅是TOC，還有很多其他的先進(jìn)的排產(chǎn)調(diào)度思想。筆者一直也是從事APS技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)和實施應(yīng)用的，在這個過程當(dāng)中，也深深的感覺到，見到一個約束就進(jìn)行處理，其實還是挺被動的，也不利于系統(tǒng)的發(fā)展。所以自己一直在揣摩，如果能夠?qū)⒁恍┫冗M(jìn)的管理經(jīng)驗知識和管理思想，融合到APS當(dāng)中，也許可以達(dá)到一種事半功倍的效果，應(yīng)該是APS將來的一個重要的發(fā)展趨勢。

比如在制造執(zhí)行過程當(dāng)中我們可以建立前后工序之間的精度鏈條模型，根據(jù)前道序的加工精度實現(xiàn)，等下一道工序基準(zhǔn)的調(diào)整，這種分析，我認(rèn)為就是數(shù)字孿生的一種體現(xiàn)，整個生產(chǎn)過程具有自組織的味道。這既是管理的思想，也是工藝的思想，相當(dāng)于是一種融合。

三、數(shù)字孿生是軟件定義制造實現(xiàn)的支撐

毫無疑問，自動化技術(shù)是智能制造發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一。無可質(zhì)疑，很多企業(yè)將自動化線建設(shè)視為智能制造的重要抓手。并且涌現(xiàn)出了一些“黑燈生產(chǎn)”、“無人工廠”的示范案例。本質(zhì)上，或者大多數(shù)情況下，我們所說的自動線，更多的體現(xiàn)為物流周轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上的聯(lián)動動作時序的協(xié)調(diào)，可以視之為一系列離散硬件裝置在特定動作序列約束下運行的生產(chǎn)線。傳統(tǒng)的自動線是通過PLC梯形程序進(jìn)行控制，或者通過專門的工控軟件進(jìn)行控制，不僅控制正常的流程，也應(yīng)該具有一定程度的異常處理控制能力。

因此，結(jié)合目前很多企業(yè)在上馬自動化線或已經(jīng)建成自動化線的局面下，如何進(jìn)行智能化提升，也是不得不和必須面對的問題，而這個過程其實與數(shù)字孿生也是不謀而合的。本部分從兩個方面論述：一是德國工業(yè)4．0關(guān)于自動化柔性線的智能管控思路；二是融合APS的自動化柔性線智能提升步驟。

（1）德國工業(yè)4．0關(guān)于自動化柔性線的管控思路

在數(shù)字車間這個方面，德國工業(yè)4．0其實早就提出了這方面的理念，這種理念的核心含義就是軟件定義制造，其手段主要是通過將物理實體或者物理生產(chǎn)線當(dāng)中的每一個硬件實體，都抽離與其相對應(yīng)的軟件AGENT或者SERVICE，所謂的智能管控，就是對這些硬件資源的運行進(jìn)行配置形成“務(wù)聯(lián)網(wǎng)”，是服務(wù)的“務(wù)”而不是物體的“物”，“物聯(lián)”只是最終的表現(xiàn)形式，其背后是通過“務(wù)聯(lián)”實現(xiàn)業(yè)務(wù)的有序運轉(zhuǎn)。

圖1是德國工業(yè)4．0的典型資料圖片，其所表達(dá)的含義是生產(chǎn)線中所有的硬件單元都有對應(yīng)的軟件形式的服務(wù)，比如傳感器服務(wù)、控制服務(wù)、通訊服務(wù)、校驗服務(wù)、信息服務(wù)等，整個CPS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是一個服務(wù)連接網(wǎng)絡(luò)，具有“服務(wù)聯(lián)網(wǎng)”的概念，這些服務(wù)有層次并且能夠動態(tài)組合配置。所謂的智能管控，體現(xiàn)為硬件資源的離散化，通過服務(wù)化封裝，實現(xiàn)業(yè)務(wù)資源鏈條的重構(gòu)與控制，并可以進(jìn)一步的支持“軟件定義制造”理念的落地。其中如圖1所示的生產(chǎn)線中的各種傳感器、泵、閥、控制器、通訊裝置等都有與其相對應(yīng)的服務(wù)，而這種服務(wù)其實就是直接面對硬件資源的數(shù)字孿生，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的服務(wù)層級或者服務(wù)網(wǎng)絡(luò)或者服務(wù)鏈條（ERP或MES的新型式），其實都是對數(shù)字孿生的進(jìn)一步深入應(yīng)用，其目的是支持實現(xiàn)自動化＋柔性的智能制造新局面。

（2）融合APS的自動化柔性線智能提升步驟

德國工業(yè)4．0所宣傳自動化柔性線智能管控的核心是實現(xiàn)資源的柔性配置，而這種配置的手段就是面向智能制造的APS的重要發(fā)展方向。融合APS的自動化柔性線智能提升步驟如下所述。

l提升自動線構(gòu)成要素裝置的CPS獨立控制能力：對于自動化產(chǎn)線線而言，一般都是連續(xù)的沒有間斷的按照時序執(zhí)行動作。但這些動作時序的執(zhí)行，也是需要依靠一些構(gòu)成要素裝置的，比如閥、泵等，或者是各種集成程度的獨立裝置等。對這些要素按照能夠狀態(tài)反饋、指令執(zhí)行的方式，進(jìn)行改造和提升，為后續(xù)的智能化柔性控制提供支持。

l支持任何構(gòu)成要素裝置的必要性聯(lián)動控制能力：這種聯(lián)動控制并不是限定自動化產(chǎn)線中某兩個裝置的固定時序，其核心目的是增加柔性，目標(biāo)是自動線上任何需要建立關(guān)聯(lián)的構(gòu)成要素裝置能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動控制。這方面的分析可以從產(chǎn)品的工藝流程角度入手，按照生產(chǎn)過程中各個構(gòu)成要素裝置時序關(guān)系進(jìn)行分析。

l以產(chǎn)品性能保證為核心的工藝知識沉淀及物化能力：產(chǎn)線對產(chǎn)品性能保證的技術(shù)提升無止境的，根據(jù)需要可以分析產(chǎn)品的性能指標(biāo)的保證機(jī)制，比如引入機(jī)器視覺、比如引入自適應(yīng)加工等，豐富自動線運行的知識基礎(chǔ)上的智能化內(nèi)涵。

l多產(chǎn)品混線生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力：只有當(dāng)自動線能夠支持多產(chǎn)品混線生產(chǎn)，自動線能夠提供柔性的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力，才能說這條線具有智能的味道。比如自動數(shù)控加工線，可以自動的獲取狀態(tài)并進(jìn)行分析，可以下發(fā)指令進(jìn)行硬件裝置的工作參數(shù)調(diào)整；比如自動數(shù)控加工線，根據(jù)需要為不同的硬件裝置傳遞不同的數(shù)控程序；比如不同產(chǎn)品的工藝流程不同，可以通過柔性的聯(lián)動控制，實現(xiàn)生產(chǎn)路徑的快速轉(zhuǎn)換，以及不同品種產(chǎn)品在自動線上的混流交叉生產(chǎn)。

l基于APS的軟硬一體化控制的柔性控制：如果自動線只是生產(chǎn)一種產(chǎn)品，則所有的硬件要素裝置鎖定了某種動作指令序列而已。但如果自動線是多品種混線的，則動作指令序列將具有復(fù)雜的組合聯(lián)調(diào)配置要求。如果這種組合判斷比較簡單，可以通過PLC或工控軟件來實現(xiàn)。但如果這種組合判斷比較復(fù)雜，尤其是加入了智能化體現(xiàn)的分析、推理、決策等內(nèi)容，單純的狀態(tài)0－1式或閾值式判斷將無法滿足需求，需要引入復(fù)雜軟件系統(tǒng)的形式進(jìn)行控制，才能滿足需求。并且，這種復(fù)雜軟件控制系統(tǒng)，面對多產(chǎn)品混流生產(chǎn)的復(fù)雜的生產(chǎn)過程，將是目前傳統(tǒng)的APS向軟硬一體化緊密關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)控制的重要轉(zhuǎn)變和發(fā)展方向。

四、數(shù)字孿生與智能制造相關(guān)概念的關(guān)系

（1）數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

數(shù)字孿生是閉環(huán)CPS過程的典型體現(xiàn)，具有“虛實同步、以實融虛、以虛控時”特點，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)／工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源狀態(tài)及控制的泛在化基礎(chǔ)設(shè)施能力是支持?jǐn)?shù)字孿生得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)，同時數(shù)字孿生也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺貫通軟硬環(huán)節(jié)的有效支撐。數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的物理實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，尤其是實時的數(shù)據(jù)采集，就與當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生了密切的關(guān)系。即使在沒有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之前，我們對于物理實體也總是想辦法通過各種傳感器來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，只是比較繁瑣，可能實時性也不夠，更別說實現(xiàn)對物理實體指令驅(qū)動下干預(yù)運行的功能。因此對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來說，從基礎(chǔ)設(shè)施的角度，應(yīng)該盡量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，否則的話也只是一種理念，看起來也很美好，其實很難做。當(dāng)國內(nèi)沉浸于智能制造和工業(yè)4．0的宏大理念的時候，其實不管是德國還是美國，都在發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，比如德國為資產(chǎn)設(shè)備所施加的管理殼，或者提出的與實體相對應(yīng)的代理AGENT，個人認(rèn)為這才是應(yīng)該我們認(rèn)真注意的，否則又是在建空中樓閣，或者寄希望于單打獨斗的建平臺對抗國外的整個體系。

（2）數(shù)字孿生與建模仿真的關(guān)系

數(shù)字孿生的目標(biāo)建立實現(xiàn)與物理實體安全相對應(yīng)的數(shù)字孿生體，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)采集和干預(yù)控制，強(qiáng)調(diào)的是閉環(huán)控制關(guān)系，但這個過程在實際中沒有必要完全具備或其實也不能夠一蹴而就。數(shù)字孿生的發(fā)展是隨著技術(shù)進(jìn)步而演進(jìn)的，從而使得之前的一些想象有了變成現(xiàn)實的可能。比如我們在建模與仿真過程當(dāng)中，我們需要對模型進(jìn)行驗證和校驗，也許以前我們只是對所建的模型進(jìn)行與實體相對應(yīng)的某些特點的教研與驗證，那隨著技術(shù)手段的發(fā)展，我們越來越可以對模型對于實體的完全映射進(jìn)行探索。我認(rèn)為建模與仿真其實是對物理實體的單向預(yù)測分析，雖然能夠走到這一步，也已經(jīng)很不容易了，我們大量的CAE軟件就是在做這些事情，但數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的是閉環(huán)關(guān)系，其核心在于對物理實體的實時干預(yù)執(zhí)行，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及TSN等實時性的數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)的支持下，實現(xiàn)對物理實體的閉環(huán)控制也就有了可能。建模仿真的目的是為了評估，評估的目的是為了預(yù)測，預(yù)測的目的是為了決策，決策的目的是為了優(yōu)化，優(yōu)化的目的是為了實現(xiàn)對實體的糾偏干預(yù)，從而實現(xiàn)閉環(huán)的數(shù)字孿生控制，從這個角度來說，當(dāng)前的建模與仿真也需要大踏步的前進(jìn)，從離線走向在線，從軟件為主走向軟硬一體融合。

（3）數(shù)字孿生與工業(yè)軟件或工業(yè)APP的關(guān)系

這兩個本來不是一個維度的東西，數(shù)字孿生是從一個回路的角度所描述的閉環(huán)系統(tǒng)。但數(shù)字孿生閉環(huán)回路當(dāng)中的決策分析環(huán)節(jié)，即體現(xiàn)為數(shù)字孿生體，一般都是以軟件的形式作為展現(xiàn)載體。從這個角度來說，數(shù)字孿生體也是工業(yè)軟件的一種，但就數(shù)字孿生來說，其本質(zhì)上是擴(kuò)展了工業(yè)軟件的范圍與內(nèi)涵。同時，數(shù)字孿生體的本質(zhì)是決策，如果只是局限于認(rèn)為三維形式的產(chǎn)品或產(chǎn)線仿真推理分析才是數(shù)字孿生體，其實也是有失偏頗的。

數(shù)字孿生體其核心功能是基于知識經(jīng)驗沉淀的推理分析，內(nèi)嵌了機(jī)理或者決策模型。比如我們經(jīng)常見到的仿真分析系統(tǒng)，包括較為抽象的生產(chǎn)運營管理決策工具，都是常見的數(shù)字孿生體。由于數(shù)字孿生體直指企業(yè)工藝優(yōu)化或者運行管理的決策，必須具備深厚的專業(yè)領(lǐng)域知識以及生產(chǎn)管理經(jīng)驗，其技術(shù)復(fù)雜度和開發(fā)的難度都是非常高的，我們一般說工業(yè)軟件難以開發(fā)，更多的味道就在這個里面。

工業(yè)APP是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)語境下提出來的，通過建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺形成工業(yè)軟件系統(tǒng)或模塊的互操作機(jī)制。這種語境下的工業(yè)APP其實并不追求大而全，更多的是像一種插件一樣，通過類似工業(yè)現(xiàn)場所用的各種總線那種概念的業(yè)務(wù)總線／中臺和數(shù)據(jù)總線／中臺的事件驅(qū)動與數(shù)據(jù)服務(wù)的方式，能夠通過配置即可實現(xiàn)與其他工業(yè)APP的集成和互操作，從而形成支持業(yè)務(wù)運行的動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)。這種工業(yè)APP與傳統(tǒng)的相對獨立的工業(yè)軟件是不一樣的，是工業(yè)軟件的一種新型形態(tài)。那種基于傳統(tǒng)的工業(yè)軟件，如MES、ERP等，通過云化就號稱是工業(yè)APP，其實還是比較勉強(qiáng)的，也不是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)語境下的工業(yè)APP的真實意思。所謂的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的核心應(yīng)該是在這個方面，就是形成類似工業(yè)操作系統(tǒng)的一個平臺，但是這方面現(xiàn)在看來其實還有很長的路要走的。

工業(yè)軟件是產(chǎn)品研發(fā)過程中知識經(jīng)驗的軟件物化，是工業(yè)APP所強(qiáng)調(diào)的服務(wù)化特點的源頭支撐。數(shù)字孿生閉環(huán)過程中的數(shù)字孿生體是工業(yè)軟件的重要體現(xiàn)方式，體現(xiàn)了對物理對象的幾何、物理、行為、規(guī)則及約束的多維、不同粒度的多空間、推進(jìn)演化／實時過程／外部干擾的多時間等尺度的綜合

一般我們說某個企業(yè)能夠在市場上長期立足更多的其實是在說都企業(yè)有自己的know－h(huán)ow，也就是知識，而這種知識更多的是體現(xiàn)在工藝人員的頭腦或者經(jīng)驗中，比如我們經(jīng)常提的大國工匠，其實更多的說的存在他們頭腦中的經(jīng)驗知識。這些知識經(jīng)驗一般都是比較模糊的，想要把它提煉出來變成一個軟件形式，其中最核心的就是建模，分析問題的內(nèi)涵、表達(dá)問題的關(guān)聯(lián)因素及其關(guān)系，描述這個問題的求解推理方式。

應(yīng)該說企業(yè)在長期的發(fā)展過程當(dāng)中大多并沒有相關(guān)的工業(yè)軟件，更多的是依靠人，有經(jīng)驗的人來來開展這個事情，但其實已經(jīng)做得挺不錯了或者有效的支撐了我們制造業(yè)的發(fā)展，解決了很多問題或者支撐了企業(yè)的工藝發(fā)展。雖然人具有最大的柔性，但這種局面也說明，可能在很大程度上面向?qū)嶋H問題的解決，其實并不是或需要那么精密，或者說在精確性上面來說一定要如同計算機(jī)的精密、精準(zhǔn)的定量計算那樣。其實這里面也暴露了一個最簡單的道理，就是很多工業(yè)問題，可能最好的方式是只需要花20％的精力就能解決80％的問題。說這個呢，主要是想表明一下，工藝的建模，也應(yīng)該本著這個目的，也未必一定要需要等到，好像所有的原理機(jī)理一定要徹底的清楚明白和表征，完全的精準(zhǔn)的，精確的定量，才能夠進(jìn)行和開展，這應(yīng)該是解決實際問題的一種可行的思路。這也是數(shù)字孿生發(fā)展的應(yīng)有之義。

而對于企業(yè)來說，這些有知識和經(jīng)驗的，老工人或老師傅應(yīng)該是企業(yè)的寶貴財富，記得之前有人提過進(jìn)行智能制造好像就是機(jī)器換人，好吧，如果就算是做了這個事情，把人換下來之后來做啥？這是最關(guān)鍵的，就是要想辦法把這些人的知識和經(jīng)驗?zāi)軌蛭锘爻恋硐聛?，雖然自動化做到了一部分，但自動化所物化或沉淀其實更多的還是一種簡單的知識經(jīng)驗的沉淀。

（4）數(shù)字孿生與MBSE／數(shù)字主線的關(guān)系

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是實現(xiàn)全生命周期集成研發(fā)的核心思想，數(shù)字化孿生體將促進(jìn)建模、仿真與優(yōu)化技術(shù)無縫集成到產(chǎn)品全生命周期的各個階段，也是面向加工、裝配等DFX技術(shù)發(fā)展的重要使能基礎(chǔ)，是推動MBSE核心思想發(fā)展的重要著力點。數(shù)字主線是從過程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動的角度實現(xiàn)全生命周期集成的重要技術(shù)，從狹義角度而言，為全生命周期各階段業(yè)務(wù)模型的處理提供數(shù)據(jù)銜接傳遞支持，從廣義角度而言，為整個全生命周期鏈條提供統(tǒng)一的信息模型規(guī)范支持，是數(shù)字孿生體在不同尺度上的數(shù)據(jù)獲取與分析方面的具體體現(xiàn)，是數(shù)字孿生閉環(huán)控制模型的重要支撐。

而對于數(shù)字主線來說，一般認(rèn)為是面向全生命周期集成的產(chǎn)品模型在各階段演化利用的溝通渠道，一般認(rèn)為數(shù)字主線是依托于貫穿產(chǎn)品全生命周期的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的，而這個業(yè)務(wù)系統(tǒng)是可以認(rèn)為是廣義上的CPS的。其實感覺這種區(qū)分是對一個CPS當(dāng)中分析推理決策模型的內(nèi)部細(xì)分，因為數(shù)字孿生體所代表的模型本來就是一個廣義的復(fù)雜模型，總體模型內(nèi)部也是可以分成多個小模型的，彼此之間具有關(guān)聯(lián)（比如生產(chǎn)中的數(shù)字孿生體，這個模型應(yīng)該是綜合包括產(chǎn)品模型和裝備模型的，這些狀態(tài)融合在一起，才能夠有效的分析推理決策產(chǎn)品的實時實際狀態(tài)的），數(shù)字主線就是將這些小模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行明確和提供支持。因此從全生命周期這個廣義的角度來說，數(shù)字主線是屬于面向全生命周期的數(shù)字孿生體的。從另外一個角度來說，數(shù)據(jù)主線所依托的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在面向全生命周期的過程范疇，也可以視作是一個CPS閉環(huán)過程，就是所謂的系統(tǒng)之系統(tǒng)的CPS，其實從廣義的角度來說，這也是一個數(shù)字孿生過程。

五、結(jié)論

數(shù)字孿生，說直白一些，其實也是一種理念、模式或機(jī)制，相對于CPS似乎更加能夠引起大家的共鳴，這都是可以利用和引導(dǎo)大家發(fā)展的。我們對數(shù)字孿生的看法，也應(yīng)該抱著一種開放的態(tài)度，這不是誰家的自留地，也不是單靠某幾家就可以搞出來的，因為這本就不是一個具體的東西，只有百花齊放才能夠落地結(jié)果。

另外，因為是公眾號性質(zhì)的文章，所以并沒有過于刻意的雕琢文字，主要是表達(dá)出自己的一些思考和總結(jié)，模糊之處、疏漏之處，還請諒解。歡迎展開建設(shè)性的有益討論。

作者信息：王愛民，北京理工大學(xué)數(shù)字化制造研究所所長，長期從事MES、APS等技術(shù)研究、系統(tǒng)開發(fā)與實施應(yīng)用。