自序　数字孪生体的本质

自1946年电子计算机诞生之后，人类社会开始进入数字时代，早期这种数字变革并不明显，直到20世纪80年代，消费和工业两个领域的数字化转型才逐渐显现，不过前者转型的速度显然快于后者。具有开放架构的消费电子和软件行业吸引了众多企业加入，发展非常迅速；工业领域涉及材料、工艺、流程和质量等复杂要素，非标（即“非标准化”）特征明显，导致其数字化转型周期较长，落后于消费领域的发展。

20世纪80年代是日美贸易战时期，为了缓和美国对日本的压制，日本通产省于1989年启动了智能制造系统计划，力图利用“人工智能+制造”的方式，打造一套教科书式的智能制造范式。事实证明，这是一次好高骛远的尝试。2010年日本退出了自己一手建立的智能制造系统委员会，宣告探索通用性智能制造范式的失败。

1989年，美国空军下属莱特实验室为了抢夺德国和日本在工业系统的领导地位，启动了“下一代控制器”计划，该计划于1994年结束。美国毫不掩饰誓要争夺工业系统产业制高点的雄心，表示将通过开放架构工业系统产生的数据，引领该行业发展，虽然该计划最终并未达到预期目标，但同期美国国家标准与技术研究院（NIST，National Institute of Standards and Technology）推进ISO TC184/SC4小组委员会的工作，加强工业数据标准的研制，确定了美国在数字制造领域的领先地位。

日本和美国的尝试是基于不同的工业哲学，前者认为高度集成才具有实施价值，而后者坚信开放架构带来的通用性价值更高。这种工业哲学的争议，一直延续到了21世纪20年代，德国和日本仍然坚持高度集成的方法，它们主要采用计算机集成制造、嵌入式系统、信息物理系统等方法，而美国则在工业互联网、数字孪生体和数字制造等领域不断探索，明确要开拓第四次工业革命新领地。

2009年，美国国防高级研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）国防科学办公室举办了一次未来制造研讨会，来自美国国家航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）、美国空军科学研究办公室等多个机构的科学家参与了此次讨论。NASA兰利研究中心科学家爱德华·格莱斯根（Edward Glaessgen）分享了原子孪生（Atomic Twin）的概念，虽然这是一种材料微结构研究方法，但它启发大家提出了“数字孪生体”（Digital Twin）的概念。数字孪生体可以用来描述工业数字化的应用，DARPA提议大家围绕数字孪生体进行相关理论和应用方面的研究。

在2012年举办的“第53届结构、结构动力学和材料大会”（53rd Structures，Structural Dynamics, and Materials Conference）上，爱德华·格莱斯根和美国空军科学研究办公室的戴维·斯塔格尔（David Stargel）联合发布了《未来NASA和美国空军车辆数字孪生体范式》（The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U.S. Air Force Vehicles），全面系统阐释了数字孪生体提出的需求背景，并与传统仿真做了对比。他们指出，数字孪生体是一种新技术、新方法和新应用，因此应为一种新范式。

基于仿真和启发式安全要素的传统工程方法虽然可以满足车辆认证、车队管理和运维的基本需要，但它并不是最有效的方法，因为这种方法只能解决可以预计或经历过的问题，但对于“不知道的未知问题”（unknown unknows），则毫无办法，这对于具有高可靠性要求的航空航天设备，大部分时候是致命的。

通过开放架构，不像传统的高度集成方式那样需要事先知晓所有可能情况、设计精良的预案，数字孪生体能包容各种不确定性。数字孪生体范式承认“不知道的未知问题”的存在，设计系统的时候，不去假设能考虑到所有问题，而是努力构建自感知和修复能力，从而根据实际情况调整运行配置，这实际上就是弹性系统（Resilient Systems）的要求。

从软件开发的前向兼容和后向兼容来看，数字孪生体作为新一代数字技术，具有前向兼容的特点。前向兼容是指过去的系统能运行现在开发的应用，例如，Word 2003可以打开Word 2007创建的文档，当然部分新功能可能会显示不出来；后向兼容则指现在开发的系统可以运行过去的应用，例如，Word 2007可以打开Word 2003创建的文档，通常是以兼容模式打开的，但它使用不了软件的新功能，除非把文档转为新版本。

数字孪生体通过持续不断优化来缩短研发周期，尽量满足市场竞争带来的不断改变的需求。计算机集成系统、智能制造、信息物理系统等对于后向兼容考虑较多，而工业互联网、两化融合和数字孪生体等则更强调前向兼容。

在以硬件制造为主的传统制造业，后向兼容比较重要。从经济学的角度来看，后向兼容是为了保护已有的投资，包括厂房、流水线以及工人的技能，这样的好处显而易见，但其短处也比较突出——那就是对于未来需求的满足缺乏灵活性，随着需求不断出现，制造系统的功能和效率都会受到影响。

当软件在制造系统中占比越来越高，后向兼容的价值开始比不上前向兼容，在设计现有系统的时候，尽量保证将来开发的应用需求，这是一种具有战略眼光的投资。从使用者来说，旧系统可以使用部分未来功能，但新系统不一定非要使用旧功能，除非这些旧功能随着系统演进或进行再开发。

作为新一代通用目的技术（GPT，General-Purpose Technologies），数字孪生体本质上具有降维特征。从人参与的角度来看，人与机器的协作是高维度的自动化，人与信息系统的协作是中维度的自动化，而机器与机器之间进行协作则是低维度的自动化，这是数据驱动的数字孪生体的最大特点。

降维作为数字孪生体的本质特征，体现为颗粒度更小的数据驱动，比传统意义上的信息驱动有较大的改善。信息驱动需要考虑人的直接参与，正如DARPA所说，由于人机协作的不确定性，系统设计必须考虑单一部件技术指标的上限要求。高要求的过度设计会降低系统的承载能力，即便通过了实验室检测和试运行等环节验证，也不敢随意调低相关指标。不仅如此，由于缺乏对“不知道的未知问题”的包容，系统级关键设备在难以预料的极端情况下将无法及时调整应对。

与其他概念体系不同，数字孪生体要求围绕数据来设计和运行，最近十年物联网、数据科学和人工智能等新一代信息技术快速发展，可以保证实时数据的获取和处理，这为数字孪生体工程应用提供了基本条件。从技术上实现从人到信息再到数据的降维，促成数据自动化（Data Automation），最终可以实现系统级的自感知设备及产品。

从通用目的技术驱动经济增长规律来说，数字孪生体降维策略将在企业战略规划中发挥巨大的作用。颠覆性创新强调从满足性能较低的需求开始，构建一条增长速度更快的新路径，随着时间推移，这条路径提供的性能将超越传统路径提供的高性能要求，数字孪生体就是替代传统工业技术的新路径。

传统工业技术强调高可靠性的集成方法，这带来了非标的工程解决方案，导致其投资回报有明显的瓶颈，由于解决方案只能在有限的场景应用，企业难以通过前期大量投入获得规模化发展。数字孪生体则不同，它产生于航空航天领域，如果降低要求（如精度和可靠性），在智慧城市、一般制造和能源应用等领域，仍然可以充分发挥其潜能。

虽然低端行业的数字孪生体应用效果比不上航空航天领域，但随着它越来越广泛的应用，在一些“低端”领域磨砺出来的工程成果，反过来也可应用于高端行业。例如，基于低端领域需求开发的数字孪生体平台和数字孪生化工具，可以用来弥补现有高端行业供应链不完整的不足，实现降低成本的目标。

数字孪生体降维策略具有实用价值，它符合技术革命和经济增长的规律，可满足第四次工业革命发展的需要。工业4.0研究院自2013年成立以来，一直致力于颠覆性技术的研发，通过多种技术的对比研究，2015年启动了数字孪生体相关研究，降维策略正是过去五年时间的核心研究成果。

通用电气科学家约瑟夫·萨尔沃（Joseph Salvo）2016年曾到访工业4.0研究院，双方均认为数字孪生体革命正在发生，于是商定共建“数字孪生体研究院”，只可惜并未有结果。不过，工业4.0研究院于2017年成立了数字孪生体研究中心，加快了数字孪生体技术产业化的研制工作。

2019年10月16日，工业4.0研究院牵头成立了“数字孪生体联盟”（DTC，Digital Twin Consortium），这是全球第一个数字孪生体行业组织。美国同类型的组织在2020年5月底成立，这意味着中国比美国领先了7个月。德国机械设备制造业联合会（VDMA，Verband Deutscher Maschinen-und Anlagenbau）联合德国电气与电子工业协会（ZVEI，Zentralverband Elektrotechnik-und Elektronikindustrie e.V.）在2020年9月23日设立了“工业数字孪生体协会”（IDTA，Industrial Digital Twin Association），主要基于资产管理壳（AAS，Asset Administration Shell）提出了德国版数字孪生体技术规范。

结合英国财政部在2018年7月发布的“国家数字孪生体战略”（NDTp，National Digital Twin program）和日本电报电话公司（NTT，Nippon Telegraph and Telephone）于2019年6月推出的“数字孪生体计算计划”（Digital Twin Computing Initiative），这意味着全球主要工业国家都参与到数字孪生体的产业竞争中来了。

数字孪生体联盟目前拥有近170家成员单位，它们来自高校、研究机构、行业协会和国内外企业。联盟成员单位都迫切希望系统了解数字孪生体，为此，工业4.0研究院下属北京翼络数字技术有限公司（简称“翼络数字”）启动了数字孪生体课堂，提供在线的数字孪生体课程，同时，翼络数字与人民邮电出版社还签订了战略合作协议，计划出版数字孪生体系列丛书。

本书是数字孪生体系列丛书的第一本，主要围绕数字孪生体历史渊源、关键技术、创新生态和产业发展等内容，力争为行业人士描述一个数字孪生体产业全貌，读者可以借此了解数字孪生体的本质。如果可以促进广大读者参与数字孪生创新生态建设，那么笔者就达到预期目的了。

胡权

宇宙中心（五道口）

二〇二〇年七月十六日