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    從三體智能視角看數字孿生本質及六階落地

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    2022-06-08 來源:數字孿生體實驗室
    導 讀:
    毋庸置疑,數字孿生是當今智能制造領域最熱的話題之一,Gartner自2016年連續三年將數字孿生列為十大戰略科技發展趨勢。近期埃森哲對全球6,200多位業務和信息技術高層管理者進行了調查,其中包括250名中國企業高管,有88%中國高管預計所在企業未來三年內將加大數字孿生領域的投資力度。數字孿生已經成為眾多企業數字化轉型的重要抓手。
     
    但在這個過程中,有些企業過于追求外在“形似”,甚至做成了3D動畫的形式,筆者認為,這種做法只是關注了數字孿生的表象和形式,忽視了其內涵與本質,沒有充分體現出數字孿生應有的價值。
     
    一 映射是表象,內涵是仿真
     
    彭慧研究員曾發表了《數字孿生的前世今生》一文,作者認為是誰最早提出數字孿生概念存在爭議,有些人認為是密歇根大學 Michael Grieves教授2002年提出,也有些人認為是NASA(美國宇航局)最先提出。本文對此不做定論,但這兩個流派對數字孿生的認知很有代表性。‘’
     
    01 Grieves教授強調了映射
     
    2002年,Michael Grieves教授首次提出了PLM以及現實空間、虛擬空間等概念,該概念模型具備了數字孿生的基本要素,Michael Grieves在后來的著作中稱之為信息鏡像模型(Mirrored Spaces Model),并在2011年的書中引入了術語“數字孿生”。Michael Grieves 教授是站在IT視角,認為數字孿生是通過虛擬空間與現實空間中的通訊與信息交換,在虛擬空間實現對物理空間的映射/鏡像。
     
    圖1 Michael Grieves PLM概念模型
     
    02 NASA聚焦于仿真
     
    NASA于2010年提出了數字孿生概念,并定義為:“一個數字孿生,是一種集成化了的多種物理量、多種空間尺度的運載工具或系統的仿真,該仿真使用了當前最為有效的物理模型、傳感器數據的更新、飛行的歷史等等,來鏡像出其對應的飛行當中孿生對象的生存狀態。”
     
    在當時NASA阿波羅計劃中,數字孿生最初的目的就是在地面仿真太空中的狀況進行訓練使用,并在后面演進到以計算機等技術在虛擬空間實現對物理空間的仿真。從出可以看出,NASA是站在業務應用的視角,重點聚焦于仿真,仿真是NASA數字孿生的主線和主要目的。
     
    綜上可以得出這樣的結論:映射是數字孿生的基本特征,仿真是數字孿生的主要業務應用。
     
    二 重新定義數字孿生
     
    01 不能局限于映射和仿真
     
    筆者認為如果將數字孿生僅僅定位于虛實兩個空間的映射與仿真,就沒有充分體現出數字孿生的本質,是智能制造的初級階段。
     
    圖2 德國國家工程院工業4.0成熟度六階段
     
    在2017年4月25日德國國家工程院發布的《工業4.0成熟度指數:管理企業的數字化轉型》中,將工業4.0成熟度劃分為六個階段,分別為計算機化、連通性、可見性、透明性、預測性、適應性。從這個劃分中,映射、仿真基本是處于可視化與透明化階段,離預測性和自適應性尚有距離。顯然,被寄予厚望的數字孿生不應止步于此。
     
    02 從三體智能視角看數字孿生
     
    在筆者合著的《三體智能革命》一書中,作者群體以東方文化視角,創造性地提出了物理實體、意識人體和數字虛體,以及三體聯接、三體融合的智能演化路徑,該模型也可以對數字孿生進行很好的解讀。
     
    圖3 三體智能模型
     
    從三體智能模型視角看,數字孿生是在數字虛體崛起的大背景下,以近乎無所不在的傳感,無所不在的數據,無所不在的網絡,無所不能的算力,無所不能的算法,無所不能的智能,基于意識人體的創想(創意和想法),通過數字虛體,解決意識人體不愿、不善、不能的問題,充分發揮與實現意識人體獨特的創想能力,在物理實體世界,優化產品性能及研發/制造/服務過程,以獲得更高的效率、更優的質量與更好的用戶體驗,根本目的是提升企業競爭力。
     
    圖4 從三體智能視角看數字孿生
     
    上圖以航空發動機為例。首先是在人的大腦中進行構思,然后在計算機中通過CAD/CAE/CAM/PLM/ERP/MES等信息化系統進行數字化的設計、分析、加工和管理,經過迭代優化,在物理空間通過機床加工成型,最終裝配與調試成所需產品。
     
    在這個過程中,最初的創想來自意識人體,最重要的過程是在數字虛體中孕育與發生,經過反復仿真和優化,最后以物理實體的形式體現最終價值。
     
    因此,數字孿生價值不僅僅在于虛實兩個空間的映射,也不僅僅是通過仿真實現對物理實體的模擬,更重要的是在數字虛體中對產品結構、制造過程、管理流程等環節進行優化,以最優決策驅動物理實體產生。“形(外觀)象”是數字孿生的外在特征,“神(機理)象”是數字孿生的內在邏輯,而產生“形象”、“神象”的優化迭代是數字孿生的價值根本。如果一套系統只是一味強調或只能做到“形象”,而沒有通過在數字虛體中對物理實體/業務流程進行優化,其價值是有限的,不是一套真正意義上的數字孿生系統。
    基于以上分析,筆者將數字孿生總結為以下幾句話:
    源于意識人體,孕于數字虛體,生于物理實體。
    形式是映射,內涵是仿真,本質是優化。
    無優化,不孿生。

    注:此處的仿真不僅僅是指通過CAE等工具軟件進行物理實體形態的仿真,還包括PLM/ERP/MES等對研發、生產、管理、服務等業務環節的過程仿真。
     
    03 重新定義數字孿生
     
    經過研究與思考,筆者認為當前國外常見的幾種數字孿生定義并不理想,需要進行進一步完善與提升。
     
    德勤對數字孿生的定義為:“數字孿生是以數字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態呈現。”很遺憾,德勤僅僅強調了動態呈現,即映射,并未涉及仿真,更體現沒有優化的成分。
     
    埃森哲認為“數字孿生是指物理產品在虛擬空間中的數字模型,包含了從產品構思到產品退市全生命周期的產品信息。”本定義中僅僅是突出了對產品信息進行管理,PLM的特征非常明顯,但沒有看到仿真與優化的影子。
     
    密歇根大學的定義:“數字孿生是基于傳感器所建立的某一物理實體的數字化模型,可模擬顯示世界中的具體事物。”也基本局限于仿真層面。
     
    美國國防采辦大學是致力于為美國國防部專業人員提供培訓和持續學習課程的機構,對數字孿生的定義體現了自身專業特點:“數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。”這是當前被業界廣為認可的定義,但也僅僅是強調了仿真與映射,并沒有體現優化,且稍顯學術化,工業企業很難從本定義領會到在實際工作中如何應用數字孿生,并且本定義只局限于“實體裝備”,生產管理流程等業務被排除在外。
     
    2020年4月,筆者與走向智能研究院執行院長趙敏老師發表了《數字孿生、賽博物理系統、智能制造、工業互聯網之辨析》一文,對數字孿生進行了定義:“數字孿生主要是在賽博空間對物理實體與業務流程等現實對象進行映射、仿真、優化和數據支持等數字形態傳承類的活動,重在數字體驗,以期最大幅度地通過優化數字孿生體而提升物理世界的材料、時間、能量、人力等作業效率與質量。”本定義除了強調映射、仿真、優化和數字體驗等價值體現,還涵蓋了物理實體、業務流程等相對完整的優化對象,重點提出了優化物理世界的材料、時間、能量、人力等要素的作業效率與完成質量,筆者認為相比以上的定義該定義更為完善,對工業企業也有更強的指導意義。
     
    三 數字孿生六階落地模型
     
    基于以上思想,結合蘭光創新二十年數字化車間實踐經驗,筆者提出“數字孿生六階落地模型”,即以降本提質增效為中心,充分發揮數字化、網絡化、智能化等數字虛體技術優勢,對企業中的人機料法環等各環節,通過“泛在連接、實時映射、精準仿真、動態優化、科學決策與數字體驗”,優化數字孿生體而最大程度地提升物理世界的材料、時間、能量、人力等作業效率與質量。
     
    圖5 數字孿生六階落地模型
     
    01 泛在連接
     
    對研發過程而言,泛在連接就是通過在數字虛體中的建模等活動,在意識人體、數字虛體、物理實體之間進行建立關聯與數據交換;在生產、管理及售后運維等環節就是將人機料法環等要素通過數字化、網絡化實現互聯互通。
     
    02 實時映射
     
    通過數據采集等手段實現物理實體與數字虛體之間的雙向數據流動與呈現,實現物理實體與數字虛體兩個空間甚至三個空間(意識人體)中對象的相互映射。
     
    03 精準仿真
     
    通過建立在機理模型基礎上數字虛體的動態變化,實現數字虛體對物理實體(包括業務流程等)在形(如CAD/CAE/CAM等,對設計、分析、加工等環節進行結構仿真)、態(如運動、流程運轉等)等多維度的仿真,預演或實時展現物理世界的活動。
     
    04 動態優化
     
    基于機理模型、工業知識以及物理實體狀態的實時反饋,在意識人體參與下通過數字虛體(如CAD/CAE/CAD/PLM/ERP/MES等工業軟件)對物理實體的形、態及業務流程等進行迭代優化。
     
    05 科學決策
     
    基于時間、空間、效率、性能、成本等約束條件,數字虛體在強大的軟件算法支撐下,從成千上萬種方案中找出最優方案,指導或者直接驅動物理實體或業務流程的進一步優化并實現最優的形與態。
     
    06 數字體驗
     
    數字孿生的一大特點就是數字虛體對物理實體的映射、仿真和展現。一套好的數字孿生系統不僅僅是完成對物理實體、業務流程的仿真與優化,還必須具有良好的數字化展現形式。除了以數字、表格、圖形進行實時、透明化展現以外,如果有更為逼真的3D等展現形式,將給人以更好的數字體驗,有助于人們對物理實體進行更直觀、高效、科學的洞察和管理。
     
    當然,由于工業的復雜性與存在的不確定性,數字孿生也是一個不斷迭代映射、仿真、優化的過程,但最終的目的是為了對產品或者流程的優化。
     
    結 語
     
    隨著新一代信息技術的發展,數字虛體具有了越來越強大的功能,可以更高效、高質、低成本地完成物理實體與業務流程的建模、仿真、優化、展現等活動,是工業企業數字化轉型的發展方向和重要使能技術。
     
    但數字孿生是近些年出現的一個新概念,其內涵隨著數字化、網絡化、智能化等技術的發展以及人們的認知與實踐,在不斷地提升與深化,我們不能固守于國外一些機構的現有定義,更不能將數字孿生局限于3D可視化這種外在形式的應用。映射只是數字孿生的基本特征,仿真也僅僅是其基本內涵,數字孿生的本質及價值在于對物理實體、業務流程等的優化,最終幫助人們以更高的效率、更低的成本、更優的質量、更人性化的數字體驗,構建企業高效、高質、低成本、綠色的研發、生產、管理、營銷及服務體系,提升企業競爭力。
    參考資料:
    《數字孿生、賽博物理系統、智能制造、工業互聯網之辨析》 趙敏 朱鐸先 2020
    《機·智:從數字化車間走向智能制造》機械工業出版 朱鐸先 趙敏  2018
    《數字孿生的前世今生》 彭慧 《知識自動化 》微信公眾號 2021年4月6日

      

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