數字孿生對企業架構影響分析

楊連臣， 白碩瑋， 呂虹朋

（1.西人馬科技（深圳）有限責任公司， 廣東 深圳 518000； 2.青島大學 機電工程學院， 山東 青島 266100）

0 引言

從學術界和產業界對 “工業4.0” 的論述可以看出，“物理信息融合”為其核心技術要素，“智能制造”是主要的生產力變革表征[1-3]。 其中，在系統維度中主要是構建“信息物理系統”以形成數字虛擬空間，需要通過數字孿生技術將物理世界中的生產對象轉化成虛擬空間中的數字孿生體。 本文中數字孿生的含義包含數字孿生體及產生和呈現其相關的技術。 數字孿生是伴隨著信息技術發展到一定階段而產生的更高級別的信息應用， 它可以更全面、更徹底地實現人與物理世界的交互，帶有一定的復雜性和持續性[4-7]。

從學術理論的角度追溯，數字孿生思想是由密歇根大學的Michael Grieves 命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變為“數字孿生”這一術語。 2011年，Michael Grieves 教授在《幾乎完美：通過PLM 驅動創新和精益產品》給出了數字孿生的三個組成部分：物理空間的實體產品、虛擬空間的虛擬產品、物理空間和虛擬空間之間的數據和信息交互接口[8]。

在當今的數字化世界演化中， 數字孿生技術是任何一個組織在數字化建設和轉型中必須重視的部分。 為了做好圍繞數字孿生的數字化戰略規劃， 近年來企業界和學術界都圍繞著數字孿生技術和服務展開了大量研究，這也為數字孿生實踐推廣打下了基礎[9]，但缺少從企業架構的角度看數字孿生的影響和關系。 本文從企業數字化轉型的角度，以制造業為企業背景，論述數字孿生技術對內部以及上下游企業信息架構的影響。

1 數字孿生概念及技術要素

從數字孿生定義分析可抽象其核心技術構成有3 部分：數字孿生體本身、管理數字孿生體的系統平臺和支撐數字孿生體動態更新的數字線程。 依靠數字線程（Digital Thread），所有數據模型都能夠雙向溝通。這些在圖1 中給出了直觀性圖示。 因此真實物理產品的狀態和參數將通過與智能生產系統集成的賽博物理系統CPS 向數字化模型反饋， 這樣確保生命周期各個環節的數字化模型保持一致。 數字線程貫穿的數據交換和分享，這是數字孿生體和數字線程技術的核心價值[10-11]。

圖1 數字孿生概念和技術要素

ISO 23247 標準給出了制造業行業情境中數字孿生的參考架構[11]，分為用戶層、面向制造的數字孿生和通訊層等。 能夠實現多視圖模型數據融合的機制或引擎是數字孿生管理平臺的核心部分。

在過去的幾十年，在企業組織級別上通過企業架構來指導信息化規劃受到了業界的認可， 取得了很好的效果。針對數字孿生的相關應用，有些組織直接沿用已經有的業務系統，比如PLM 或MDM 來進行數字孿生體管理。 但從長遠來看，需要建立獨立的平臺，其會與其它業務系統有交互。 為了實現平滑導入數字孿生，必須結合企業架構進行分析，將數字孿生相關標準和技術融合到企業架構中。

2 數字孿生在企業架構中的映射及層級分析

2.1 傳統企業信息架構

在國際上一般用企業架構來進行整個企業的規劃，保持信息戰略的一致。有時狹義上也稱為企業信息架構。企業架構的目的是確定如何最有效地實現其當前和未來的業務目標[12]。 在傳統企業架構中，一般分為業務層、數據層、應用層和技術層，見圖2。

圖2 企業架構層級概念

業務層： 主要是從業務視角進行業務活動的架構設計，反映企業組織的業務模式、主要的業務活動，特別是對信息使用的依賴。

數據層： 描述了組織的邏輯和物理數據資產和數據管理資源的結構。特別是進入數字化時代以來，數據資產的概念和地位愈發突出，對企業架構的影響也越來越大。

應用層：描述了各個應用程序、它們的交互以及它們與組織核心業務流程的關系， 應用程序架構解決了如何實現的問題。

技術層：描述實現業務、數據和應用程序服務所需的軟件和硬件。 這些領域中的每一個都有眾所周知的工件、圖表和實踐。 這些是具體的物理載體，是為上面幾個層次服務的。

企業架構對現代企業的信息規劃及產品已經產生了深遠的影響。 在企業引入新的數字對象和服務進行數字化轉型時，不能忽略既有的企業架構，而應該基于企業架構迭代周期的模式來進行演化。 決策者和管理者需要考慮企業架構的平滑性升級，避免出現服務水平影響。下面就針對數字孿生對這4 個層級的影響逐一分析。

2.2 數字孿生對業務層的影響

基于前面的論述， 數字孿生是智能制造的核心技術載體。 數字孿生對現代企業的經營影響是深入的、多層次的，從企業經營模式和核心流程都有不同程度的反映。針對高科技制造型企業，相對于傳統的研發模式， 在研發層產生了基于模型的系統工程（MBSE）。 MBSE 是一種與數字孿生伴隨的工程策略，旨在通過使用基于3D 模型的定義來闡明制造過程中的設計意圖， 其中包括與制造產品相關的所有產品和制造信息（PMI）。 MBSE 的目標是通過加強產品信息的結構性傳遞，便于智能制造集成，提高跨組織協作效率，并降低總成本[13]。

在制造環節， 最為明顯的是以數控為基礎的智能制造， 與數字孿生結合比較緊密的制造模式是增材制造[9]。增材制造是通過一次構建一層來創建對象的過程， 數字孿生體信息可以直接作為智能制造系統的輸入進行制造，最為直觀的是3D 打印。它與傳統制造的減材制造相反，增材制造可以指通過逐級構建某種東西 （例如直接壓模成型）來創建產品的任何過程。

實際上，未來企業整體會變為數字孿生模式，不僅僅是產品或制造， 包括企業的其它要素例如員工、 建筑環境、機器設備、知識流程等。 在企業架構的業務層必須體現業務模式及創新、產品與服務、企業競爭優勢、員工知識與能力、供應鏈及運營流程等。

2.3 數字孿生對數據層的影響

數字孿生體本質上是數據按照一定格式組合起來反映物理世界的對象，相比傳統的數據管理，數字孿生帶來的數據管理體現在如下幾個方面：

首先是數據結構，數字孿生體需要更多維度的數據來描述物理對象。圖3 左側體現了國際標準要求的一些必須項[11]。 由此可看出，除了對象的一些特征值（傳統維度）外，還包含位置、狀態、關系等屬性值。另外，還有數據的動態變化及生命周期。 傳統的數據無論是產品數據和經營性數據，相對更新頻率不高。但數字孿生體是為了實時反映物理世界對象的變化就必須根據物理對象實際狀態變化而持續更新數據，從而實現孿生效果。

與此相關的是數字孿生體在生命周期的各個節點的更新和操作需與其它業務系統各種形式接口的交互，數據結構和表達算式都有很大的特殊需求（適用于MBSE的SysML，用于數據交互的AutomationML）[14]。 數字孿生體的交互對象廣泛，從市場到研發、生產運營，從內部到外部客戶及供應商（圖3）。特別是在研發、生產及服務診斷場景中這些交互雙向的，具有相當的準確性和實時性要求[15]。

圖3 數字孿生平臺、MDM 關系及跨企業交互

數字孿生體從本質上來說是主數據對象， 但又不同于傳統信息系統中的主數據對象[16]。數字孿生體的屬性信息是在變化的，所以對傳統的主數據管理系統提出了新的要求。IBM 公司產品針對這種情景也有不同的論述[17]。 針對數字孿生體這種特殊的對象，需要特定的管理平臺。數字孿生體的元數據信息還是在MDM 中， 但具體的信息和更新交互在數字孿生平臺中實現。 另外，針對數字孿生體流動性的特點，在跨組織的交互及傳輸中引入了借助與計算技術或云服務來實現多方共享主數據機制[18-19]，這會繼續在下面的應用層部分介紹。

結合著國際標準組織的定義[11]，總體來講數字孿生體數據方面的基本要求有狀態準確性、同步特性（基于時間的、基于事件的）、感知采集與傳輸、完整性（數字孿生是整體的）、擴展性（到其它應用系統）、顆粒度（反映現實對象需要適當的顆粒度）、唯一標示性、可管理性、生命周期特點、安全性、可模擬性、多視角層級建模和分析（不同目的和階段的要求）。

2.4 數字孿生對應用層的影響

若要實現數字孿生體的生命周期管理， 首先需要在應用層引入數字孿生平臺。 這是數字孿生構成的3 個部分之一，負責數字孿生體的各個環節的管理，數字孿生體包含了資產對象整個生命周期的數據。 需要分析與現存的應用層發生聯系，并調整定位。圖4 描述了從應用層角度數字孿生管理平臺與傳統業務系統的交互：通過SRM交換物料及物流信息、與PLM 交互與更新物料、產品及相關設計模型等、與ERP 更新產品成本等、與MES 更新產品生產狀況及形態變化，最后通過CRM 與客戶更新更新產品交付及后續服務的信息。除了內部流動外，數字孿生應由開放（云平臺）支持，以在制造商、服務合作伙伴、客戶、OEM 合作伙伴之間交換實時資產信息， 并促進合作伙伴ECO 系統和其他數字孿生之間的協作。這決定了數字孿生管理平臺除了具備傳統的業務系統特點外， 必須適應數字孿生管理的特點，比如多業務接口、快速傳輸及輔助的孿生體呈現等功能。隨著數字化世界的演化，圍繞著數字孿生管理平臺還會產生潛在的新的應用[20]。

圖4 數字孿生與企業信息系統的交互

2.5 數字孿生對技術層的影響

基于前面數字孿生概念及系統參考架構可以看出，建模、 仿真分析和基于數據融合的數字線程是數字孿生體的三項核心功能。

傳統通過CAD/CAM 軟件實現3 維一次性產生，按照數字孿生的要求還缺失一些維度信息，比如狀態、周期、互動等方面。 MBSE 是為了應對基于文檔的傳統系統工程工作模式在負責產品和系統研發時所面臨的挑戰，以邏輯和格式一致的多視角通用系統模型為橋梁和框架，實現跨領域模型的可追蹤、 可驗證和全生命期內的動態關系。 MBSE 強調統一的中央型系統模型，并同時獲取系統需求以及滿足需求的設計決策。 MBSE 一般是使用SysML 來實現了對象的結構化、層級化表示[21]。

前面業務層的仿真分析中， 虛擬/增強現實技術，其提供的深度沉浸的交互方式讓人類與數字世界的交互方式與物理世界的交互方式類似，讓“孿生”一詞變得更為精妙。 結合第2 節中數字孿生概念中，將數字線程表示為模型數據融合引擎和一系列數字孿生體的集合， 以實現數字孿生體的流動。STEP（Standard for the Exchange of Product） 一般是CAD 或CAM 系統之間關于產品初始傳輸， 基于可擴展標記語言XML （eXtensible Markup Language）和CAEX（Computer Aided Engineering Exchange）定義了面向對象的格式描述。 為進一步滿足數字孿生相關要求，發展了AutomationML，在其規范中，CAEX 定義其元數據。在建立了結構之后，數字線程技術可通過標記語言AutomationML 等進行傳輸[14]，具有很好地結構標記性特征。 區塊鏈提供的去中心化的交易機制很好地支持分布、實時和精細化的數字資產交易。也成為數字線程技術中的一個核心部件選項，目前國內也有研究[17，22]。

其它相關技術有物聯網、云及邊緣計算、大數據及機器學習。 云計算相關的技術和服務是體系級數字孿生體分析的理想技術。 物聯網作為工業4.0 時代的基礎設施，一項重要作用是收集和傳輸來自物理世界的數據。 數字孿生技術利用這大數據進行機器學習， 根據設定的模式進行預測性分析或仿真[9]。

3 包含數字孿生的數字生態中的企業架構

由上面分析， 數字孿生體對企業信息架構各個層級都產生了很大的影響。為了更好地指導實踐，需要整體融合各個層級的影響形成整體企業架構。 國際也有從這個角度進行的的研究，集成了相關技術和模塊[23]。 新的企業架構必須適應數字孿生的流動和交互， 需要放到整個生態鏈中進行構建，建議的參考企業/企業間架構見圖5。

圖5 適應數字孿生要求的建議企業架構

在業務層面， 企業首先要擁抱整體的數字化運營模式，包括基于MBSE 的研發、增材制造和上下游生態的數字化協作。 基于現有的運營特點，需要制定相適應的數字化轉型流程再造。為了更高地支撐以數字孿生為核心的經營模式，數據層上必須擴展或建立MDM，定義數字孿生體的數據結構，并建立組織間數字孿生體數據交換機制。 應用架構層面，建立相適應的數字孿生管理平臺、擴展或建立主數據管理系統，并建立組織內系統間和外部跨組織的交互。 處于底層的技術架構必須引入數字孿生整個生命周期支撐所需要的技術， 包括MBSE 需要的建模技術SysML，數字孿生數字線程需要的AutomationML，大數據、機器學習及AI，物聯網承載的數據采集、控制及傳輸、區塊鏈及數字孿生安全技術。 跨組織數字孿生體信息交互也是要考慮的。 同時滿足數字孿生時代的相關信息治理和安全。

4 結論

本文結合著數字孿生概念與結構， 分析了其在傳統企業架構各個層次的影響。 為了很好地將數字孿生引入到企業信息環境里，更好地支撐業務創新，需要重新思考和設計企業架構，需要引入數字孿生模塊。受數字孿生的要求，在企業架構里面需要建設MDM 的功能模塊或擴展已有的MDM。 在這其間，需要處理好內部業務系統與數字孿生模塊的數據交互，定義好技術接口。同時必須考慮支撐數字孿生整個生命周期的相關技術， 包括產生、傳輸、交互、更新及應用。在最后一部分，給出了融合數字孿生及生態視角的參考企業架構。

數字孿生及其相關技術剛剛興起， 其對企業架構的演化是多方面的。目前圍繞著企業架構，持續研究數字孿生體對ERP、PLM、MES、CRM 及SRM 的系統結構影響，比如數據對象屬性擴展、數據交互方式、系統接口等。 探討外延企業架構至企業間機構，包括MDM 和數字孿生的擴展和融合。關注數字孿生體國家相關標準的完善，并適時地考慮到企業架構中。數字孿生作為一個生態服務，需繼續跟蹤數字孿生技術和服務的生態建設。