數字孿生（Digital Twin），并非今天才產生，已經走過了幾十年的發展歷程，只不過以前沒有這樣命名，而是走到了一定的發展階段，人們意識到可以給這種技術起一個更確切的名字。實際上，自從有了諸如CAD等數字化的“創作（authoring）”手段，就已經有了數字孿生的源頭，有了CAE仿真手段，就讓數字虛體和物理實體走得更近，有了系統仿真，可以讓數字虛體更像物理實體，直至有了比較系統的數字樣機技術。發展到現在，人們發現在數字世界里做了這么多年的數字設計、仿真結果，越來越虛實對應，越來越虛實融合，越來越廣泛應用，數字虛體越來越賦能物理實體系統。。

一、數字孿生的學術研究

基于數字虛體的數字孿生技術，到底怎樣才能更好、更精準地反映物理世界的實際情況？這一直是國際學術界持續研究的問題。

德國弗里德里希-亞歷山大大學工程設計主任Benjamin Schleicha與法國巴黎-蘇德大學Nabil Anwer等專家對數字孿生有著很深入的認識，他們合寫了一篇題為“塑造用于設計和生產工程的數字孿生（Shaping the digital twin for design and production engineering）”的文章，指出：“更加逼真的制造產品的虛擬模型，對彌合設計和制造之間的差距以及反映真實和虛擬世界至關重要。在本文中，我們提出了一個基于‘表皮模型形狀’概念的綜合參考模型，并將其作為設計和制造中的實物產品的數字孿生體。”“因此，……我們提出了數字孿生體的‘抽象‘與其’表達‘之間的區別。”如圖1所示。

圖1數字孿生體的“表達”與其“抽象”之間的區別

數字孿生體的“抽象”可以在高度抽象層面上描述一些操作，通常抽象描述只是抓住了物理孿生體的一些基本的外部形體特征；而虛擬的“表達”是通過特定的仿真模型來執行的，是要在三維數字模型上加載能夠代表物理孿生體形態或行為的特定算法來實現的。由于模型的近似性，顯然在做某個操作時，“抽象”描述與其“表達”之間仍然存在著不確定性，“抽”得“像不像”，“仿”得“真不真”，其實二者與物理孿生體都有一定的差異。因此“抽象”與“表達”類型的數字孿生體，都只能作為物理孿生體近似的方案。

基于上述的“表達”與“抽象”，該文章給出了評價數字孿生的四個指標，對研究者與應用者加深對數字孿生的認識提供了進一步的思路。

①規模性，能夠提供不同規模（從細節到大型系統）的對數字孿生體的洞察力，在結構上不丟失細節，盡量映射物理孿生體的細微之處。如圖2所示。

圖2數字孿生體的縮放性

②互操作性，能夠在不同數字模型之間轉換、合并和建立“表達”的等同性，以多樣性的數字孿生體來映射物理孿生體。如圖3所示。

圖3數字孿生體的互操作性

③可擴展性，集成、添加或替換數字模型的能力，如隨時隨處添加若干擴展結構。如圖4所示。

圖4數字孿生體的可擴展性

④保真性，描述數字虛體模型與物理實物產品的接近性。不僅在外觀和幾何結構上相像，在質地上也要相像。如圖5所示。

圖5數字孿生體的保真性

另外值得一提的是數字孿生體的抽象性，除了上述的幾何與結構在“形（外形、內形、分形、層次等）”上的描述之外，我們還應該對數字孿生體的“態（如狀態、相態、時態等）”進行描述，而這種描述會有兩種情況：一種需要在保持幾何與結構的高度仿真的情況下來描述其“態”，另一種是在簡化了幾何與結構的情況下來描述其“態”，例如，工況場景只要求描述數字孿生體的位置、方位、振動、濕度、高溫等，并不需要關注結構細節，此時就可以對數字模型進行大量簡化和高度抽象。例如，一列高鐵車輛，在不同的場景和條件下，其所對應的數字虛體的顆粒度就有所不同，既可以用數萬個虛擬零部件詳細表達系統仿真場景下的結構保真性，也可以用幾根線條簡要表達車輛調度場景下的位置準確性。如圖6所示。

圖6數字虛體在高鐵調度位置表達上的簡化與抽象（圖片來自網絡）

二、數字孿生≠CPS

很多人分不清楚數字孿生與CPS（賽博物理系統，也稱信息物理系統），經常將二者搞混，誤以為數字孿生就是CPS。

應該說，數字孿生是建設CPS的基礎，是CPS發展的必經階段。所謂建立數字孿生關系，就是以“軟件定義”的方式，對物理實體（物理孿生體）建立了完全對應的數字虛體（數字孿生體），所創建的數字虛體經歷了一個從其“形”、其“態”，逐漸向物理實體的“形、態”逼近的過程，直至看起來完全“相像”，如同同胞兄弟一般。在“相像”程度上，可以用不同級別的仿真度來衡量，如表1所示。

當數字虛體與物理實體在時空狀態上都相像之后，距離CPS還有一步之遙，即控制。從物理實體一側，是否能實現對數字虛體的控制（以P控C）？反之，從數字虛體一側，是否能實現對物理實體的控制（以C控P）？尤其是“以C控P”，是判斷是否實現了CPS的核心要求。關于在CPS中“C”與“P”的控制，如表2所示。

實際上，三年前撰寫《三體智能革命》書時，筆者就給出了一個典型的CPS結構圖，在圖中明確以數字機器與物理機器相對應、虛實映射的方式，說明了數字孿生與CPS之間的關系。如圖7所示。

圖7《三體智能革命》中CPS結構圖（書中P28頁）

數字虛體與物理實體在形與態的彼此相像屬于“數字孿生”；以“狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行”的智能方式實現了“以C控P”的精準控制才算是CPS。

三、數字孿生的范疇并非無限

筆者研究發現，數字孿生的范疇是一定限度的。就目前的數字化技術手段而言，我們雖然經常說“數字化一切可以數字化的事物”，但是并非“一切都是可以數字化的”，也意味著并非“一切都是可以軟件定義的”。因此，數字世界和物理世界之間尚無法做到一一對應、完全能夠相互映射。

從物理側（P）來看，未知的事物談不上數字化，當然也不可能有數字孿生；已知但是無法定義、無法描述的事物不能數字化（如暗能量、弦等）；從數字/賽博側（C）來看，神話、傳說可以隨意展現，動漫創意和想象中的事物也是如此，都可以通過數字虛體不受限制地表現出來，但是在物理空間找不到對應的物理實體。因此，在兩“體”中都存在暫時無法延伸、映射到對方，可供建立孿生關系的內容。如圖8所示。

圖8數字孿生的范疇不是無限的

弄清楚數字孿生的范疇、限制，我們才能有所為、有所不為，才能清晰地知道技術的邊界在哪里，不把精力花在低效和缺乏實際意義的地方。

四、數字孿生伴隨產品終生

數字孿生是在產品的全生命周期中的每一個階段都存在的普遍現象，大量的物理實體系統都有了數字虛體的“伴生”，這種現象在Schleicha和Anwer的文章中稱作是“孿生化（Twinning）”。而且，由于每個階段與每個物理孿生體所對應的“數字孿生體”的模型不止一種（不同的算法、不同的逼真/抽象程度等），于是就出現了筆者在上一篇文章（“再論數字孿生——似是而非‘數字雙胞胎’）中所說的“一對多”的現象。在產品全生命周期中彼此對應的數、物孿生體以及有關的“操作”如圖9所示。

圖9產品全壽期都有不同的數字孿生體

有了越來越多的數字孿生體，人們可以做越來越多的事情，很多新技術、新模式、新業態也就此產生。在兩個“體”之間，信息可以雙向傳輸：當信息從物理孿生體傳輸到數字孿生體，數據往往來源于用傳感器來觀察物理孿生體（例如GE用大量傳感器觀察航空發動機運行情況）；反之，當信息從數字孿生體傳輸到物理孿生體，數據往往是出自科學原理、仿真和虛擬測試模型的計算，用于模擬、預測物理孿生體的某些特征和行為（例如用流體仿真技術計算汽車高速行駛的風阻）。

德國西門子是比較強調產品生命周期管理的企業，較早提出了數字孿生。他們給出了對一個物理產品及其數字孿生“在全產品生命周期進行更新和維護”的認識，特別是CPS中的數字孿生體中都包含了哪些內容。如圖10所示。

圖10西門子對數字孿生的認識

PTC公司一直推動數字孿生，甚至以“數物融合”作為公司的新發展戰略，在一個更大的工業互聯網場景中描述了數字孿生的作用，企業的物理產品都通過云服務，在Thingworx中建立了一個或多個數字孿生體，用于制造、研發、銷售、服務、財務等各個業務環節。

圖11 PTC對數字孿生的認識

美國《航空周報》兩年前就做出這樣的預測：“到了2035年，當航空公司接收一架飛機的時候，將同時還驗收另外一套數字模型。每個飛機尾號，都伴隨著一套高度詳細的數字模型。”每一特定架次的飛機都不再孤獨。因為它將擁有一個忠誠的“影子”，終生相伴，永不消失，這就是數字孿生的本意。

五、小結

數字孿生，不過是長期以來，人們用數字世界的數字虛體技術，來描述物理世界的物理實體的必然結果，完全遵從《三體智能革命》中的“三體智能模型”。

數字孿生這個術語和與之相關的技術，并非是突然產生的新生事物，而是幾十年來CAX發展的必然結果，只不過在今天人們經過總結提高之后，加深了對它的認識，給出了新的認識和命名。

數字孿生，是CPS中的必備技術構成。要搞好智能制造、工業4.0、工業互聯網等新工業發展戰略，就必須研究和實施CPS。要做好CPS，就必須充分認識數字孿生。要認識數字孿生，就必須研究與數字孿生有關的所有問題，從起源、技術、應用、界限到命名。