數字孿生繁榮的外部因素和內在動因

李詠梅

新疆維吾爾自治區水文信息中心 新疆 烏魯木齊 830000

引言

Michael Grieves教授2002年提出物理產品的虛擬數字化映射模型構想[1]，2011開始將其稱為“數字孿生概念模型”，這些概念在2016年前少有關注，但其后迅速走紅，截止2019年底，全球已有超過1000個高校、企業和科研院所開展了數字孿生研究且有相關成果在學術刊物發表[2]。我國在數字孿生研究方面走在了前列。北京航空航天大學陶飛教授為代表的科研團隊，對數字孿生技術適用條件、數字孿生模型構建理論、評價指標體系等方面進行了系統的研究[3-4]；中國科學院自動化研究所王飛躍研究員創立的“平行系統理論”[5]與波普爾的“三個世界”理論吻合，內涵更豐富一些，含有進化論思想，在功用上與數字孿生類似。除科研活動外，政、企也勇躍參與，主要發達國家在科技產業政策、標準化等方面強力推動，知名跨國企業如IBM、微軟、西門子紛紛入場。Gartner連續3年（2017-2019年）將數字孿生列入年度十大戰略性技術趨勢，認為它在未來5年將產生顛覆性創新。我國許多行業將數字孿生作為“智慧”行業的核心技術，也有一些成功的案例。

雖然數字孿生這一術語人盡皆知，但其內涵定義卻因人而異，似乎每個學者都有自己的觀點，至于標準的制定，更加任重道遠。針對人們在定義數字孿生和標準化問題上的疑慮，在近期卡文迪什國際集團舉辦的第二屆“數字孿生未來”博覽會上，“數字孿生”之父Michael Grieves博士說道：“與把物理實體形象化，生成一個數字孿生相較，數字孿生的文字定義并不重要。關注應用案例，在任何可能的地方以比特換原子，以便高效、經濟地獲得成果。”關于系統之間的連接，Grieves提醒不要等待標準，因為它們需要很長時間，而且是受政治驅動的，更好的方法是理清系統間對應實體的層次和邏輯關系[6]。

實際上，一個科學概念的形成，是一個不斷從特殊到一般，再從一般到特殊，不斷修正認識偏差，接近事物本質的過程。數字孿生也不例外，認清數字孿生背后的本質及內生機理，“知其所以然”，才能規避盲目引用帶來的風險。西安交通大學鄔煜教授的信息哲學，北京郵電大學鐘義信教授的信息-知識-智能的統一理論”[7]，可幫助我們撥開紛紜，深刻洞察數字孿生本質。

迄今，可用于支撐數字孿生的信息技術枝繁葉茂，我們無法準確預計那些技術會加入或退出這個支撐體系，但數字孿生的理念恰有堅實的信息論基礎，具有長久的生命力。

1 數字孿生概念爆發的推動力

數字孿生概念自誕生至今，經歷了前十數年寂寞無聲到近年火爆的場面。這一現象，可從各年相關學術論文發表數量的變化情況窺視一斑。經對Scopus 數據庫中收錄的數字孿生研究論文統計，2016-2019年4年發表的論文數量是之前十多年論文數量的近40倍。這種爆炸式增長背后是泡沫還是實力推動？這是一個人們普遍關注的問題。

數字孿生起源于制造業，與智能制造相關的文獻數量占總數超過50%，中國、德國、美國3個制造業大國數字孿生論文數大幅領先，占總數近50%。這和各國產業政策支持、物聯網和虛擬現實技術成熟，以及平臺廠商和技術服務公司大力推動密切相關[8-10]。數字孿生采用形象類比及虛擬的信息世界與產品物理世界映射連接，可使產品在設計、制造、維護、廢棄各階段模擬實驗，持續改進，優化決策的特征，也與人們認識-實踐過程大致相符，便于橫向跨行業擴展，以上多種因素的綜合作用，引爆了數字孿生繁榮。

2 數字孿生定義

數字孿生定義的差異，大多與研究者所處的行業背景定義角度有關，也與當時技術發展水平和認知演化及上下文關系有關。表1摘錄了部分研究者不同時期對數字孿生的定義，用于分析各定義隨時間、行業變化狀況。從表中可以看出，數字孿生的定義與定義者的需求有關，航天、航空業同類產品少，價格高昂，系統復雜，需要借助物理模型等進行多尺度、多物理量、多概率模擬仿真，更多站在功能角度進行定義；通用系統供應商需要面向更廣闊的市場，其定義就更抽象一些。本文在考察表1所列定義后，采用邏輯分析的方法，將數字孿生定義為：數字孿生是一個對象全生命周期的信息表達，其數據實時更新。該定義中的對象可以是一個有形的物體，也可以是抽象的規則，甚至是潛在事物的想象，本定義涵蓋了表1中定義的實質性內容。

表1 部分研究者數字孿生定義列表

3 數字孿生概念模型及信息轉化本質

數字孿生概念能夠持續20多年并在近年大行其道，顯然不僅僅靠外力推動，其背后還有堅實的科學支撐。

數字孿生概念的起源大致有兩種觀點：有人將Grieves稱為數字孿生之父；大多數研究者認為數字孿生這一稱謂最早由NASA在2010年提出。數字孿生是一個開放的系統，是多項技術的集成。對于探索數字孿生概念背后的本質，我們更關注數字孿生概念形成的演進過程及思維線索。Grieves教授以產品生命周期管理為起始背景，長期從事數字孿生研究，凝練的數字孿生概念脈絡更加清晰，文中引用他的結論就多一些。

3.1 數字孿生概念模型及信息轉化本質

產品數字孿生是產品全生命周期管理的擴展和延伸[11]，數字孿生概念自然帶有歷史唯物主義觀點。Grieves教授在創立概念模型方面做了大量工作，在他與約翰·維克斯(John Vickers)合作撰寫的《數字孿生：消解復雜系統中不可預測的、不期望出現的意外行為》一文中，袒露其思想：“自2002年以來，雖然數字孿生模型的稱謂數次改變，但基本概念幾乎沒有變化，這一概念，是建立在如下理念之上的：即一個物理系統的數字信息建造可以成為一個獨立存在的實體，這些數字信息將是物理系統信息的‘孿生’，并在物理系統整個生命周期內與其連接”。雖然該文稱多年來數字孿生“基本概念幾乎沒有變化”，但事實上，從2001、2002年的“鏡像空間模型”到2006年的“信息鏡像模型”還是有些跨度的，可以認為是一次飛躍，使數字孿生概念坐落在堅實的信息論基礎之上。

任何一個物理系統（不限于一個物理系統）都有其自在信息，可在信息空間建造一個孿生，這是數字孿生概念普適及跨行業應用的內在原因。

3.2 數字孿生概念模型與信息-知識-智能轉化

北京郵電大學鐘義信教授在本世紀初就提出了“信息一知識一智能統一的理論”，將信息、知識、智能之間的關系表述為：“信息是基本資源；知識是對信息進行加工所得到的抽象化產物；智能是利用信息資源加工生成知識、進而激活知識、生成解決問題的策略信息并在策略信息引導下具體解決問題的能力”。所給出的圖示如下。

圖1 信息-知識-智能的關系

我們把該圖向右旋轉90°，與數字孿生模型相比，幾無差別。實質上，數字孿生概念模型可以看作是信息、知識、智能轉化的一個實例，一個信息論落地的載體。

3.3 數字孿生概念是一個開放的技術體系

數字孿生沒有公認的統一定義，仍在完善當中的過程，與通常科學概念的成長過程是一致的。一個科學概念，是對研究對象的抽象總結，在實踐中認識不斷修正偏差，接近事物本質的過程，且便于移植并滲透到其他學科中，成為促進社會整體進步的有力杠桿[12]。數字孿生概念體現了這種特質，它打破了以往企業信息化從原材料、產品、人員、流程、管理決策的傳統模式，以結果為導向，逆向從成品需求、生產虛擬產品開始，到制造、維護、報廢一輪循環。這一新的思維模式得益于以往制造業知識的積累，大數據、云計算、邊緣計算、IoT、人工智能等新技術新架構紛紛云集，構成一個數字孿生不斷進化的新世界。至此，也不難理解數字孿生為什么有那么多定義了，它們提供了一幅數字孿生本質及功用的全景圖。

4 數字孿生應用前景及局限

4.1 數字孿生與范式革命

在科學旅程中，產生了經驗科學范式、理論科學范式、復雜現象數值模擬方法為特點的計算科學范式。近期呈現出理論、實驗及傳感、模擬技術與信息技術相融合的局面，進入到了基于信息探索發現知識的e科學范式（第四范式）[13]。

一個新的科學范式雖然往往僅在某一個別學科領域首先興起，但是，只要這一科學范式在本質上具有更為普遍性的品格，它便可能持續擴展到更多學科領域，乃至成為一個時期在科學領域占主導地位的科學范式[14]。

以上表述在表象和內容兩個方面描述了新范式，數字孿生均與其吻合，有可能會成為一個新的科學范式。

4.2 數字孿生概念的局限

本文認為數字孿生概念主要有以下2個方面的不足：

4.2.1 認知主體弱化。從數字孿生概念模型上看，人的作用不明顯。如果僅有虛實交互，沒有數字孿生的進化，模型就會退化；過分強調數字孿生的自主演化，就可能帶有強人工智能傾向。人在數據處理速度、記憶、準確性、提煉出隱性知識方面不如人工智能，但至少在當下，人工智能在演繹推理方面弱于人，缺乏創造性智慧。數字孿生依賴人賦智，產生智能的算法是由人創造的，在人的訓練下，才能形成更優的模型，實現數字孿生自我學習，不斷進化。

4.2.2 信息不完整產生認知盲區。雖然數字孿生強調“大數據”，但哪些數據被感知仍由人來確定。當人們對物理世界的認知存在偏差時，采集的數據就會不完整，自然會引發認知的誤差。

需要注意的是，數字孿生是一個人機能力復合體，它的建設過程也遵循一般的信息系統開發、應用準則，做好需求分析同樣是其第一要務。數字孿生適用于復雜系統的認知，對一些簡單、認知已非常清晰、可預測性強的系統，數字孿生技術并非唯一選擇，判斷的標準依然是效率、效益原則。數字孿生只是我們達到目的的一種手段和途徑，方向還有賴于自己把握。