數(shù)字孿生是近幾年得到重視的一個(gè)概念，尤其是與之前智能制造、CPS等相比，人們感覺(jué)數(shù)字孿生是更加落地或可以作為抓手的一個(gè)概念。一般對(duì)于概念來(lái)說(shuō)是在研究過(guò)程當(dāng)中，為了精煉準(zhǔn)確說(shuō)明某些事情，我們凝練出一個(gè)可能從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)的概念。但對(duì)于數(shù)字孿生來(lái)說(shuō)，我認(rèn)為其更多的是一種提綱挈領(lǐng)的模式或機(jī)制的描述，一方面是面向?qū)嶋H的應(yīng)用需求而衍生出這種總結(jié)性名詞，另外一個(gè)方面是對(duì)既往一些做法的再次凝練和提升，或者可以認(rèn)為是源于實(shí)踐并追求高于實(shí)踐吧。

對(duì)于數(shù)字孿生概念來(lái)說(shuō)，我們追求的其實(shí)和應(yīng)該是他的內(nèi)涵。雖然從字面來(lái)說(shuō)，“數(shù)字”、“孿生”是偏向于與物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)的“虛體”的含義，但既然涉及到“孿生”一定是有其物理實(shí)體對(duì)照物的，并且一定是與物理實(shí)體對(duì)照物具有關(guān)系的一種綜合概念。比如我們從物理資源角度來(lái)說(shuō)，利用資源管理殼等表達(dá)和互操作方式，實(shí)現(xiàn)與實(shí)際世界相對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體的孿生體特點(diǎn)等。當(dāng)然，我們?nèi)匀豢梢試L試追求給出一個(gè)嚴(yán)格的定義，但我認(rèn)為我們更應(yīng)該追求的應(yīng)該是他的本質(zhì)內(nèi)涵。筆者認(rèn)為：數(shù)字孿生是基于物理實(shí)體和數(shù)字虛體之間的近真實(shí)孿生映射基礎(chǔ)上的涵蓋狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)采集、分析推理、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)控制關(guān)系，其中基于的建模與仿真的分析推理是當(dāng)前數(shù)字孿生體所關(guān)注的重點(diǎn)。

本文將重點(diǎn)從數(shù)字孿生概念的4點(diǎn)判斷、數(shù)字孿生的核心是基于工藝和管理知識(shí)的決策、數(shù)字孿生是軟件定義制造實(shí)現(xiàn)的支撐，以及數(shù)字孿生與智能制造相關(guān)概念的關(guān)系等方面進(jìn)行闡述，主要目的是對(duì)當(dāng)前關(guān)于數(shù)字孿生認(rèn)知與實(shí)踐中的可商榷話題進(jìn)行分析和總結(jié)。

一、數(shù)字孿生概念內(nèi)涵的4點(diǎn)判斷

（1）數(shù)字孿生是強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性的CPS

賽博物理系統(tǒng)（CPS）作為智能制造的核心模式，體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)過(guò)程，支持了裝備／系統(tǒng)的自適應(yīng)、自組織的智能化發(fā)展理念。數(shù)字孿生是CPS的具體體現(xiàn)，重點(diǎn)是突出虛實(shí)融合下的數(shù)據(jù)處理、仿真分析、虛擬驗(yàn)證及運(yùn)行決策等。其中的核心在于，對(duì)于業(yè)務(wù)對(duì)象而言，所謂的分析推理其實(shí)也是基于模型的，而這個(gè)模型是基于狀態(tài)感知和實(shí)時(shí)采集基礎(chǔ)所建立的，這個(gè)模型能夠支持分析推理，雖然這種分析推理可能只是某個(gè)方面的，但也是對(duì)對(duì)象的某種數(shù)字孿生或者某種程度上的數(shù)字孿生。因此從這個(gè)角度而言，數(shù)字孿生其實(shí)是CPS的某個(gè)子集。數(shù)字孿生因?yàn)樘匾鈴?qiáng)調(diào)了“孿生”，不可避免的具有一定的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的CPS從理念角度是涵蓋了實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種情況的。

（2）可視化不等于數(shù)字孿生

數(shù)字孿生與可視化展示是“皮”與“毛”的關(guān)系。數(shù)組孿生一定是在某個(gè)方面反映物理實(shí)體的，這是毋庸置疑的。但這某個(gè)方面只是物理實(shí)體的某些特性，而未必是全部的特性，有些方面可能并不需要建立可視化展示。

比如我們通過(guò)APS來(lái)對(duì)車(chē)間的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行表達(dá)，并在此基礎(chǔ)上給出進(jìn)一步持續(xù)的資源優(yōu)化配置方案，這個(gè)背后當(dāng)然是有模型的，但這個(gè)模型未必是可以展示的。

比如對(duì)于復(fù)雜電子產(chǎn)品的研制，一般分為電訊總體和結(jié)構(gòu)總體。對(duì)于復(fù)雜電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，電訊總體顯然是更重要的，實(shí)際當(dāng)中也是這個(gè)樣子的。但是電訊總體更多的表達(dá)的是這個(gè)復(fù)雜電子產(chǎn)品內(nèi)部的信號(hào)輸入輸出之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，更多的是一種邏輯上的表達(dá)。筆者見(jiàn)過(guò)的一些單位就是通過(guò)MATLAB或者說(shuō)利用商業(yè)化仿真軟件的一些模型來(lái)進(jìn)行表達(dá)。而結(jié)構(gòu)總體才是真正的可見(jiàn)物理實(shí)體表達(dá)，是這個(gè)復(fù)雜電子產(chǎn)品各個(gè)組成部分可見(jiàn)的物理實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。從最終的結(jié)局來(lái)說(shuō)，我們這兩個(gè)方面應(yīng)該是都需要的，實(shí)際操作過(guò)程當(dāng)中，這兩個(gè)方面的一體化集成也是我們追求的目標(biāo)。但現(xiàn)有復(fù)雜性和技術(shù)條件制約，分成兩個(gè)部分來(lái)分別開(kāi)展這方面的工作，是更為實(shí)用的一種做法。

數(shù)字孿生更多的強(qiáng)調(diào)內(nèi)在關(guān)系而不是外部展示，同時(shí)，數(shù)字孿生在技術(shù)限制下，也可能只是對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行某個(gè)側(cè)面的分析。

（3）三維模型不是數(shù)字孿生的必備

一般而言目前很多說(shuō)數(shù)字孿生的都是基于三維的產(chǎn)品或產(chǎn)線模型，其實(shí)本不必如此的。只要這個(gè)模型能夠有效地表達(dá)并支持進(jìn)行產(chǎn)品或產(chǎn)線某方面分析的特性，我們就可以認(rèn)為這就是一種數(shù)字孿生。比如，建立數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)MATLAB進(jìn)行數(shù)字化程序表達(dá)，這個(gè)能夠求解的程序，我認(rèn)為就是一種數(shù)字孿生；比如對(duì)于APS，屬于基于車(chē)間當(dāng)前狀態(tài)的某種決策模型，雖然可以通過(guò)形式化的數(shù)學(xué)方式進(jìn)行表達(dá)，但其更多的還是由某種軟件系統(tǒng)表達(dá)的，通過(guò)這個(gè)程序系統(tǒng)或內(nèi)在的分析模型，可以進(jìn)行產(chǎn)線的產(chǎn)能評(píng)估、瓶頸分析、外協(xié)／分批決策等，我認(rèn)為這也是一種數(shù)字孿生。但這些模型與傳統(tǒng)所說(shuō)的圖形三維是沒(méi)有關(guān)系的。是否支持決策是數(shù)字孿生的根本，其他的都是外在。其實(shí)從這個(gè)角度進(jìn)一步思考，比如MES我就認(rèn)為是一種大號(hào)的CPS，并非CPS一定是面向設(shè)備或單元的，這應(yīng)該就是所謂的系統(tǒng)級(jí)CPS的本質(zhì)含義了吧。

（4）數(shù)字孿生不是憑空來(lái)的

雖然數(shù)字孿生的概念很熱，但數(shù)字孿生并不是憑空來(lái)的天賜之物。就如同工業(yè)界的很多好的理念，比如單元化、精益生產(chǎn)等，都是根據(jù)實(shí)際總結(jié)出來(lái)的一樣。關(guān)于數(shù)字孿生乃至CPS，其實(shí)在概念沒(méi)出來(lái)之前已經(jīng)有很多實(shí)踐了。人類(lèi)有三種實(shí)踐，物理實(shí)驗(yàn)只是其中一種，另外兩個(gè)的理論推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)模擬，其實(shí)都是現(xiàn)實(shí)實(shí)物的抽象，從這個(gè)角度而言，其實(shí)都算孿生，只是不都是數(shù)字化而已。但一般而言，計(jì)算機(jī)模擬在內(nèi)涵上很大程度上也是由理論分析模型支持才能實(shí)現(xiàn)的。

二、數(shù)字孿生的核心是基于工藝和管理知識(shí)的決策

對(duì)于數(shù)字孿生而言，在物理實(shí)體和數(shù)字虛體之間，橫亙著兩個(gè)關(guān)系：一個(gè)是自下而上的狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)采集，一個(gè)是自上而下的實(shí)時(shí)控制，但這些仍然只是看得見(jiàn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，更為核心的是所建立的數(shù)字虛體或者數(shù)字孿生體應(yīng)該具有與物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)的孿生效果，當(dāng)然這種孿生效果不能僅僅是形似，而是為了神似，而神似的目的就是要能夠支持基于所采集的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息進(jìn)行分類(lèi)、分析、推理、決策和預(yù)測(cè)。

數(shù)字孿生的核心是決策，而執(zhí)行這個(gè)的是數(shù)字孿生閉環(huán)關(guān)系中的數(shù)字孿生體，其核心重點(diǎn)是建模分析和推理。如果只是強(qiáng)調(diào)三維可視化展示，其實(shí)是有點(diǎn)舍本逐末，不僅不符合數(shù)字孿生所追求的分析推理，更是與數(shù)字孿生體要對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行干預(yù)的要求相去甚遠(yuǎn)。也許在很多情況下面，真正起決定作用或者說(shuō)發(fā)揮更重要作用的，對(duì)于顯示的要求并不是那么高。從以決策為核心出發(fā)，基于實(shí)際執(zhí)行狀態(tài)的APS，其實(shí)也可以認(rèn)為是一種數(shù)字孿生，其中涉及大量的模型和算法，并且是對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析與優(yōu)化，但可能連顯示都沒(méi)有。其實(shí)我們以前做各種各樣的CAE分析，也是強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)驗(yàn)證和模型校驗(yàn)的，只是這個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程比較冗長(zhǎng)，與當(dāng)前所提的數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的實(shí)時(shí)性不同。但其實(shí)這方面的努力，我認(rèn)為也都是抓住了數(shù)字孿生最核心的決策要求，也為當(dāng)前數(shù)字孿生體的發(fā)展提供了基礎(chǔ)支持，從某種角度來(lái)說(shuō)，這種工作更加有意義。

數(shù)字孿生的核心是決策，包括分析、推理、預(yù)測(cè)等，至于結(jié)果的展示并不一定是可視化。但現(xiàn)在見(jiàn)到的一些宣稱(chēng)數(shù)字孿生的，包括產(chǎn)品的或者產(chǎn)線的，基本都比較強(qiáng)調(diào)可視化的運(yùn)用，可視化是可以有的，但從內(nèi)核功能來(lái)說(shuō)并不是必須的。數(shù)字孿生強(qiáng)調(diào)的是虛實(shí)同步映射，目前能做的大多體現(xiàn)為實(shí)向虛的映射，比如通過(guò)虛擬的產(chǎn)線模型反映實(shí)際產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，但這個(gè)其實(shí)只是展示而已。數(shù)字孿生最重要的是分析推理及其之后對(duì)物理實(shí)體的干預(yù)，說(shuō)的是內(nèi)在相似而不是簡(jiǎn)單的外表。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，目前實(shí)向虛的技術(shù)和案例已經(jīng)較多，但虛向?qū)嵉膬?yōu)化干預(yù)仍需進(jìn)一步努力。

（1）數(shù)字孿生體現(xiàn)了工藝知識(shí)的沉淀，能夠有效的提升核心工藝能力

工藝是與產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率直接相關(guān)的專(zhuān)門(mén)知識(shí)，任何一個(gè)企業(yè)即使是在手工管理模式下，也應(yīng)該是非常重視工藝的，所以我們?cè)陂_(kāi)展智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等方面的技術(shù)研究和探索應(yīng)用的時(shí)候，工藝都是重要的目標(biāo)服務(wù)對(duì)象。

其實(shí)很久以前，工業(yè)過(guò)程建模與仿真，這是大家耳熟能詳?shù)囊粋€(gè)技術(shù)方向，也是一個(gè)范圍很廣的技術(shù)方向。但我感覺(jué)數(shù)字孿生，與之前的工業(yè)過(guò)程建模與仿真還是不一樣的。傳統(tǒng)的工藝過(guò)程建模與仿真，可能更多是脫離于實(shí)體的一種孤立的運(yùn)行，而數(shù)字孿生是一種與實(shí)體雙向連接的運(yùn)行？如果簡(jiǎn)單來(lái)理解，可以理解成一個(gè)是在線，一個(gè)是離線。數(shù)字孿生更偏重于動(dòng)態(tài)的在線。

但不管怎么樣，數(shù)字孿生或者說(shuō)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的第一步就是建模。我們需要進(jìn)行建模。當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為我們從實(shí)體上面來(lái)獲取各種各樣的實(shí)時(shí)狀態(tài)提供了手段，也為建模及其應(yīng)用提供了擴(kuò)展空間。但這些工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等都不是最主要的，只是外圍支撐的手段而已，最主要的還是怎么使得這個(gè)模型能夠表達(dá)的真實(shí)。在仿真領(lǐng)域，很久以前有一句話是這么說(shuō)的，做虛擬仿真切忌“虛而不擬，仿而不真”，其實(shí)就是說(shuō)的這個(gè)模型是否準(zhǔn)確？是否能夠反映實(shí)際？其實(shí)美國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)，從上個(gè)世紀(jì)五六十年代開(kāi)始，就一直在國(guó)防先進(jìn)制造等計(jì)劃中持續(xù)的支持和發(fā)展建模與仿真。可能剛開(kāi)始有些人覺(jué)得這方面比較虛，但是這個(gè)方面其實(shí)是對(duì)工藝機(jī)理進(jìn)行深入探究的代名詞。不論是解決實(shí)際問(wèn)題，還是推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，甚至相關(guān)工業(yè)CAE軟件的發(fā)展，都是極其需要和重要的。

工藝的類(lèi)型是多種多樣的，相關(guān)的數(shù)字孿生模型，也是多種多樣的，所涉及到和所綜合的學(xué)科知識(shí)也是不一樣的，這才是真正的專(zhuān)業(yè)知識(shí)的沉淀凝練。我們說(shuō)的智能制造在很大程度上是體現(xiàn)為數(shù)字孿生的綜合運(yùn)用的。

比如對(duì)切削加工來(lái)說(shuō)，可以基于工藝推理模型，對(duì)工件的加工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)判，并能夠根據(jù)決策分析結(jié)果，對(duì)相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)整，這樣就具有一種自適應(yīng)的味道。

比如，筆者在針對(duì)某企業(yè)薄壁件加工變形控制方面的研究中，就綜合運(yùn)用了內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)重構(gòu)控制、切削工藝建模與仿真分析、弱剛度變形補(bǔ)償?shù)却胧?，雖然是針對(duì)具體的零件來(lái)開(kāi)展的，雖然里面也具有很多的經(jīng)驗(yàn)的成分，當(dāng)然也是融合了一些數(shù)字化定量的技術(shù)研究，但對(duì)于筆者來(lái)說(shuō)，后續(xù)應(yīng)該將這個(gè)過(guò)程進(jìn)行沉淀，沉淀成一個(gè)分析推理的模板，后續(xù)只要按照這個(gè)步驟來(lái)做，任何薄壁零件的加工變形控制問(wèn)題都可以得到解決或者一定程度的解決，這也是數(shù)字孿生的一種體現(xiàn)。

比如，筆者在針對(duì)另外一個(gè)項(xiàng)目中，針對(duì)某個(gè)復(fù)雜零件加工過(guò)程的精度保證問(wèn)題，采取了自適應(yīng)加工補(bǔ)償?shù)姆绞?。也就是說(shuō)，對(duì)每一次走刀之后的加工型面進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行曲面重構(gòu)，同時(shí)與理想的型面進(jìn)行比較分析，找出偏差進(jìn)行補(bǔ)償，調(diào)整刀位軌跡并生成數(shù)控程序，可以有效的提高加工精度。這個(gè)過(guò)程里面所開(kāi)發(fā)的分析軟件，其實(shí)也是一種數(shù)字孿生。

我們國(guó)家提出要建設(shè)百萬(wàn)工業(yè)APP，其實(shí)我感覺(jué)，拿出來(lái)一半來(lái)做工藝的數(shù)字孿生特點(diǎn)的工業(yè)APP，我感覺(jué)分量都嫌低。工藝數(shù)字孿生是夯實(shí)和提升我們制造實(shí)力的根本，從做大轉(zhuǎn)向做強(qiáng)的必然途徑。

（2）數(shù)字孿生體現(xiàn)了管理經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)沉淀，能夠有效的提升智能管控水平

制造執(zhí)行過(guò)程管控需要根據(jù)不同的企業(yè)類(lèi)型及其生產(chǎn)特點(diǎn)，需要貫徹和綜合不同的先進(jìn)管理思想。但是一般來(lái)說(shuō)這些管理思想，比如精益思想，很多企業(yè)甚至很多專(zhuān)家，還認(rèn)為這只是一種指導(dǎo)性的方法論而已，從中理出來(lái)一些原則或者說(shuō)是方法手段，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中的某一點(diǎn)、某個(gè)業(yè)務(wù)進(jìn)行實(shí)施應(yīng)用。我認(rèn)為這么理解是帶有一定的片面性的，實(shí)際上來(lái)說(shuō)也有感覺(jué)，這些先進(jìn)管理思想，在實(shí)際當(dāng)中的運(yùn)用，更多的是一種割裂性的碎片化的實(shí)踐。我認(rèn)為，如果你做了或?qū)嵤?yīng)用了一個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)，這個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)如果不體現(xiàn)先進(jìn)的管理思想，那相當(dāng)于這個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)，筆者認(rèn)為，就是一個(gè)沒(méi)有靈魂的系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)能解決問(wèn)題簡(jiǎn)直就是個(gè)奇跡啊。

因此我們應(yīng)該將各種先進(jìn)的管理思想，把它細(xì)化落實(shí)或者凝煉成管理經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，并且系統(tǒng)化而不是孤立的體現(xiàn)在生產(chǎn)管理當(dāng)中，尤其是智能管控方面。這些經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的沉淀或者說(shuō)物化或者更明確的進(jìn)行軟件化，其實(shí)也是相當(dāng)于建立了內(nèi)部有機(jī)關(guān)聯(lián)的決策模型。而這種決策模型，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，其實(shí)是制造執(zhí)行過(guò)程的數(shù)字孿生，或者某個(gè)側(cè)面指標(biāo)或目標(biāo)的數(shù)字孿生。

比如我們可以建立面向產(chǎn)線或者車(chē)間的排產(chǎn)調(diào)度模型，在這個(gè)里面體現(xiàn)TOC等思想，當(dāng)然體現(xiàn)的不僅僅是TOC，還有很多其他的先進(jìn)的排產(chǎn)調(diào)度思想。筆者一直也是從事APS技術(shù)研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和實(shí)施應(yīng)用的，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，也深深的感覺(jué)到，見(jiàn)到一個(gè)約束就進(jìn)行處理，其實(shí)還是挺被動(dòng)的，也不利于系統(tǒng)的發(fā)展。所以自己一直在揣摩，如果能夠?qū)⒁恍┫冗M(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和管理思想，融合到APS當(dāng)中，也許可以達(dá)到一種事半功倍的效果，應(yīng)該是APS將來(lái)的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。

比如在制造執(zhí)行過(guò)程當(dāng)中我們可以建立前后工序之間的精度鏈條模型，根據(jù)前道序的加工精度實(shí)現(xiàn)，等下一道工序基準(zhǔn)的調(diào)整，這種分析，我認(rèn)為就是數(shù)字孿生的一種體現(xiàn)，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程具有自組織的味道。這既是管理的思想，也是工藝的思想，相當(dāng)于是一種融合。

三、數(shù)字孿生是軟件定義制造實(shí)現(xiàn)的支撐

毫無(wú)疑問(wèn)，自動(dòng)化技術(shù)是智能制造發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一。無(wú)可質(zhì)疑，很多企業(yè)將自動(dòng)化線建設(shè)視為智能制造的重要抓手。并且涌現(xiàn)出了一些“黑燈生產(chǎn)”、“無(wú)人工廠”的示范案例。本質(zhì)上，或者大多數(shù)情況下，我們所說(shuō)的自動(dòng)線，更多的體現(xiàn)為物流周轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作時(shí)序的協(xié)調(diào)，可以視之為一系列離散硬件裝置在特定動(dòng)作序列約束下運(yùn)行的生產(chǎn)線。傳統(tǒng)的自動(dòng)線是通過(guò)PLC梯形程序進(jìn)行控制，或者通過(guò)專(zhuān)門(mén)的工控軟件進(jìn)行控制，不僅控制正常的流程，也應(yīng)該具有一定程度的異常處理控制能力。

因此，結(jié)合目前很多企業(yè)在上馬自動(dòng)化線或已經(jīng)建成自動(dòng)化線的局面下，如何進(jìn)行智能化提升，也是不得不和必須面對(duì)的問(wèn)題，而這個(gè)過(guò)程其實(shí)與數(shù)字孿生也是不謀而合的。本部分從兩個(gè)方面論述：一是德國(guó)工業(yè)4．0關(guān)于自動(dòng)化柔性線的智能管控思路；二是融合APS的自動(dòng)化柔性線智能提升步驟。

（1）德國(guó)工業(yè)4．0關(guān)于自動(dòng)化柔性線的管控思路

在數(shù)字車(chē)間這個(gè)方面，德國(guó)工業(yè)4．0其實(shí)早就提出了這方面的理念，這種理念的核心含義就是軟件定義制造，其手段主要是通過(guò)將物理實(shí)體或者物理生產(chǎn)線當(dāng)中的每一個(gè)硬件實(shí)體，都抽離與其相對(duì)應(yīng)的軟件AGENT或者SERVICE，所謂的智能管控，就是對(duì)這些硬件資源的運(yùn)行進(jìn)行配置形成“務(wù)聯(lián)網(wǎng)”，是服務(wù)的“務(wù)”而不是物體的“物”，“物聯(lián)”只是最終的表現(xiàn)形式，其背后是通過(guò)“務(wù)聯(lián)”實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的有序運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1是德國(guó)工業(yè)4．0的典型資料圖片，其所表達(dá)的含義是生產(chǎn)線中所有的硬件單元都有對(duì)應(yīng)的軟件形式的服務(wù)，比如傳感器服務(wù)、控制服務(wù)、通訊服務(wù)、校驗(yàn)服務(wù)、信息服務(wù)等，整個(gè)CPS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是一個(gè)服務(wù)連接網(wǎng)絡(luò)，具有“服務(wù)聯(lián)網(wǎng)”的概念，這些服務(wù)有層次并且能夠動(dòng)態(tài)組合配置。所謂的智能管控，體現(xiàn)為硬件資源的離散化，通過(guò)服務(wù)化封裝，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)資源鏈條的重構(gòu)與控制，并可以進(jìn)一步的支持“軟件定義制造”理念的落地。其中如圖1所示的生產(chǎn)線中的各種傳感器、泵、閥、控制器、通訊裝置等都有與其相對(duì)應(yīng)的服務(wù)，而這種服務(wù)其實(shí)就是直接面對(duì)硬件資源的數(shù)字孿生，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的服務(wù)層級(jí)或者服務(wù)網(wǎng)絡(luò)或者服務(wù)鏈條（ERP或MES的新型式），其實(shí)都是對(duì)數(shù)字孿生的進(jìn)一步深入應(yīng)用，其目的是支持實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化＋柔性的智能制造新局面。

（2）融合APS的自動(dòng)化柔性線智能提升步驟

德國(guó)工業(yè)4．0所宣傳自動(dòng)化柔性線智能管控的核心是實(shí)現(xiàn)資源的柔性配置，而這種配置的手段就是面向智能制造的APS的重要發(fā)展方向。融合APS的自動(dòng)化柔性線智能提升步驟如下所述。

l提升自動(dòng)線構(gòu)成要素裝置的CPS獨(dú)立控制能力：對(duì)于自動(dòng)化產(chǎn)線線而言，一般都是連續(xù)的沒(méi)有間斷的按照時(shí)序執(zhí)行動(dòng)作。但這些動(dòng)作時(shí)序的執(zhí)行，也是需要依靠一些構(gòu)成要素裝置的，比如閥、泵等，或者是各種集成程度的獨(dú)立裝置等。對(duì)這些要素按照能夠狀態(tài)反饋、指令執(zhí)行的方式，進(jìn)行改造和提升，為后續(xù)的智能化柔性控制提供支持。

l支持任何構(gòu)成要素裝置的必要性聯(lián)動(dòng)控制能力：這種聯(lián)動(dòng)控制并不是限定自動(dòng)化產(chǎn)線中某兩個(gè)裝置的固定時(shí)序，其核心目的是增加柔性，目標(biāo)是自動(dòng)線上任何需要建立關(guān)聯(lián)的構(gòu)成要素裝置能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。這方面的分析可以從產(chǎn)品的工藝流程角度入手，按照生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)構(gòu)成要素裝置時(shí)序關(guān)系進(jìn)行分析。

l以產(chǎn)品性能保證為核心的工藝知識(shí)沉淀及物化能力：產(chǎn)線對(duì)產(chǎn)品性能保證的技術(shù)提升無(wú)止境的，根據(jù)需要可以分析產(chǎn)品的性能指標(biāo)的保證機(jī)制，比如引入機(jī)器視覺(jué)、比如引入自適應(yīng)加工等，豐富自動(dòng)線運(yùn)行的知識(shí)基礎(chǔ)上的智能化內(nèi)涵。

l多產(chǎn)品混線生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力：只有當(dāng)自動(dòng)線能夠支持多產(chǎn)品混線生產(chǎn)，自動(dòng)線能夠提供柔性的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力，才能說(shuō)這條線具有智能的味道。比如自動(dòng)數(shù)控加工線，可以自動(dòng)的獲取狀態(tài)并進(jìn)行分析，可以下發(fā)指令進(jìn)行硬件裝置的工作參數(shù)調(diào)整；比如自動(dòng)數(shù)控加工線，根據(jù)需要為不同的硬件裝置傳遞不同的數(shù)控程序；比如不同產(chǎn)品的工藝流程不同，可以通過(guò)柔性的聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)路徑的快速轉(zhuǎn)換，以及不同品種產(chǎn)品在自動(dòng)線上的混流交叉生產(chǎn)。

l基于APS的軟硬一體化控制的柔性控制：如果自動(dòng)線只是生產(chǎn)一種產(chǎn)品，則所有的硬件要素裝置鎖定了某種動(dòng)作指令序列而已。但如果自動(dòng)線是多品種混線的，則動(dòng)作指令序列將具有復(fù)雜的組合聯(lián)調(diào)配置要求。如果這種組合判斷比較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)PLC或工控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但如果這種組合判斷比較復(fù)雜，尤其是加入了智能化體現(xiàn)的分析、推理、決策等內(nèi)容，單純的狀態(tài)0－1式或閾值式判斷將無(wú)法滿足需求，需要引入復(fù)雜軟件系統(tǒng)的形式進(jìn)行控制，才能滿足需求。并且，這種復(fù)雜軟件控制系統(tǒng)，面對(duì)多產(chǎn)品混流生產(chǎn)的復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，將是目前傳統(tǒng)的APS向軟硬一體化緊密關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)控制的重要轉(zhuǎn)變和發(fā)展方向。

四、數(shù)字孿生與智能制造相關(guān)概念的關(guān)系

（1）數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

數(shù)字孿生是閉環(huán)CPS過(guò)程的典型體現(xiàn)，具有“虛實(shí)同步、以實(shí)融虛、以虛控時(shí)”特點(diǎn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)／工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源狀態(tài)及控制的泛在化基礎(chǔ)設(shè)施能力是支持?jǐn)?shù)字孿生得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，同時(shí)數(shù)字孿生也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)貫通軟硬環(huán)節(jié)的有效支撐。數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，尤其是實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，就與當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生了密切的關(guān)系。即使在沒(méi)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之前，我們對(duì)于物理實(shí)體也總是想辦法通過(guò)各種傳感器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，只是比較繁瑣，可能實(shí)時(shí)性也不夠，更別說(shuō)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體指令驅(qū)動(dòng)下干預(yù)運(yùn)行的功能。因此對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，從基礎(chǔ)設(shè)施的角度，應(yīng)該盡量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，否則的話也只是一種理念，看起來(lái)也很美好，其實(shí)很難做。當(dāng)國(guó)內(nèi)沉浸于智能制造和工業(yè)4．0的宏大理念的時(shí)候，其實(shí)不管是德國(guó)還是美國(guó)，都在發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，比如德國(guó)為資產(chǎn)設(shè)備所施加的管理殼，或者提出的與實(shí)體相對(duì)應(yīng)的代理AGENT，個(gè)人認(rèn)為這才是應(yīng)該我們認(rèn)真注意的，否則又是在建空中樓閣，或者寄希望于單打獨(dú)斗的建平臺(tái)對(duì)抗國(guó)外的整個(gè)體系。

（2）數(shù)字孿生與建模仿真的關(guān)系

數(shù)字孿生的目標(biāo)建立實(shí)現(xiàn)與物理實(shí)體安全相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)采集和干預(yù)控制，強(qiáng)調(diào)的是閉環(huán)控制關(guān)系，但這個(gè)過(guò)程在實(shí)際中沒(méi)有必要完全具備或其實(shí)也不能夠一蹴而就。數(shù)字孿生的發(fā)展是隨著技術(shù)進(jìn)步而演進(jìn)的，從而使得之前的一些想象有了變成現(xiàn)實(shí)的可能。比如我們?cè)诮Ｅc仿真過(guò)程當(dāng)中，我們需要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和校驗(yàn)，也許以前我們只是對(duì)所建的模型進(jìn)行與實(shí)體相對(duì)應(yīng)的某些特點(diǎn)的教研與驗(yàn)證，那隨著技術(shù)手段的發(fā)展，我們?cè)絹?lái)越可以對(duì)模型對(duì)于實(shí)體的完全映射進(jìn)行探索。我認(rèn)為建模與仿真其實(shí)是對(duì)物理實(shí)體的單向預(yù)測(cè)分析，雖然能夠走到這一步，也已經(jīng)很不容易了，我們大量的CAE軟件就是在做這些事情，但數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的是閉環(huán)關(guān)系，其核心在于對(duì)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)干預(yù)執(zhí)行，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及TSN等實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的閉環(huán)控制也就有了可能。建模仿真的目的是為了評(píng)估，評(píng)估的目的是為了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的目的是為了決策，決策的目的是為了優(yōu)化，優(yōu)化的目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體的糾偏干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的數(shù)字孿生控制，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)前的建模與仿真也需要大踏步的前進(jìn)，從離線走向在線，從軟件為主走向軟硬一體融合。

（3）數(shù)字孿生與工業(yè)軟件或工業(yè)APP的關(guān)系

這兩個(gè)本來(lái)不是一個(gè)維度的東西，數(shù)字孿生是從一個(gè)回路的角度所描述的閉環(huán)系統(tǒng)。但數(shù)字孿生閉環(huán)回路當(dāng)中的決策分析環(huán)節(jié)，即體現(xiàn)為數(shù)字孿生體，一般都是以軟件的形式作為展現(xiàn)載體。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生體也是工業(yè)軟件的一種，但就數(shù)字孿生來(lái)說(shuō)，其本質(zhì)上是擴(kuò)展了工業(yè)軟件的范圍與內(nèi)涵。同時(shí)，數(shù)字孿生體的本質(zhì)是決策，如果只是局限于認(rèn)為三維形式的產(chǎn)品或產(chǎn)線仿真推理分析才是數(shù)字孿生體，其實(shí)也是有失偏頗的。

數(shù)字孿生體其核心功能是基于知識(shí)經(jīng)驗(yàn)沉淀的推理分析，內(nèi)嵌了機(jī)理或者決策模型。比如我們經(jīng)常見(jiàn)到的仿真分析系統(tǒng)，包括較為抽象的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理決策工具，都是常見(jiàn)的數(shù)字孿生體。由于數(shù)字孿生體直指企業(yè)工藝優(yōu)化或者運(yùn)行管理的決策，必須具備深厚的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)以及生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，其技術(shù)復(fù)雜度和開(kāi)發(fā)的難度都是非常高的，我們一般說(shuō)工業(yè)軟件難以開(kāi)發(fā)，更多的味道就在這個(gè)里面。

工業(yè)APP是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)境下提出來(lái)的，通過(guò)建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)形成工業(yè)軟件系統(tǒng)或模塊的互操作機(jī)制。這種語(yǔ)境下的工業(yè)APP其實(shí)并不追求大而全，更多的是像一種插件一樣，通過(guò)類(lèi)似工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所用的各種總線那種概念的業(yè)務(wù)總線／中臺(tái)和數(shù)據(jù)總線／中臺(tái)的事件驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)服務(wù)的方式，能夠通過(guò)配置即可實(shí)現(xiàn)與其他工業(yè)APP的集成和互操作，從而形成支持業(yè)務(wù)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)。這種工業(yè)APP與傳統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立的工業(yè)軟件是不一樣的，是工業(yè)軟件的一種新型形態(tài)。那種基于傳統(tǒng)的工業(yè)軟件，如MES、ERP等，通過(guò)云化就號(hào)稱(chēng)是工業(yè)APP，其實(shí)還是比較勉強(qiáng)的，也不是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)境下的工業(yè)APP的真實(shí)意思。所謂的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的核心應(yīng)該是在這個(gè)方面，就是形成類(lèi)似工業(yè)操作系統(tǒng)的一個(gè)平臺(tái)，但是這方面現(xiàn)在看來(lái)其實(shí)還有很長(zhǎng)的路要走的。

工業(yè)軟件是產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的軟件物化，是工業(yè)APP所強(qiáng)調(diào)的服務(wù)化特點(diǎn)的源頭支撐。數(shù)字孿生閉環(huán)過(guò)程中的數(shù)字孿生體是工業(yè)軟件的重要體現(xiàn)方式，體現(xiàn)了對(duì)物理對(duì)象的幾何、物理、行為、規(guī)則及約束的多維、不同粒度的多空間、推進(jìn)演化／實(shí)時(shí)過(guò)程／外部干擾的多時(shí)間等尺度的綜合

一般我們說(shuō)某個(gè)企業(yè)能夠在市場(chǎng)上長(zhǎng)期立足更多的其實(shí)是在說(shuō)都企業(yè)有自己的know－h(huán)ow，也就是知識(shí)，而這種知識(shí)更多的是體現(xiàn)在工藝人員的頭腦或者經(jīng)驗(yàn)中，比如我們經(jīng)常提的大國(guó)工匠，其實(shí)更多的說(shuō)的存在他們頭腦中的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。這些知識(shí)經(jīng)驗(yàn)一般都是比較模糊的，想要把它提煉出來(lái)變成一個(gè)軟件形式，其中最核心的就是建模，分析問(wèn)題的內(nèi)涵、表達(dá)問(wèn)題的關(guān)聯(lián)因素及其關(guān)系，描述這個(gè)問(wèn)題的求解推理方式。

應(yīng)該說(shuō)企業(yè)在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中大多并沒(méi)有相關(guān)的工業(yè)軟件，更多的是依靠人，有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)來(lái)開(kāi)展這個(gè)事情，但其實(shí)已經(jīng)做得挺不錯(cuò)了或者有效的支撐了我們制造業(yè)的發(fā)展，解決了很多問(wèn)題或者支撐了企業(yè)的工藝發(fā)展。雖然人具有最大的柔性，但這種局面也說(shuō)明，可能在很大程度上面向?qū)嶋H問(wèn)題的解決，其實(shí)并不是或需要那么精密，或者說(shuō)在精確性上面來(lái)說(shuō)一定要如同計(jì)算機(jī)的精密、精準(zhǔn)的定量計(jì)算那樣。其實(shí)這里面也暴露了一個(gè)最簡(jiǎn)單的道理，就是很多工業(yè)問(wèn)題，可能最好的方式是只需要花20％的精力就能解決80％的問(wèn)題。說(shuō)這個(gè)呢，主要是想表明一下，工藝的建模，也應(yīng)該本著這個(gè)目的，也未必一定要需要等到，好像所有的原理機(jī)理一定要徹底的清楚明白和表征，完全的精準(zhǔn)的，精確的定量，才能夠進(jìn)行和開(kāi)展，這應(yīng)該是解決實(shí)際問(wèn)題的一種可行的思路。這也是數(shù)字孿生發(fā)展的應(yīng)有之義。

而對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，這些有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的，老工人或老師傅應(yīng)該是企業(yè)的寶貴財(cái)富，記得之前有人提過(guò)進(jìn)行智能制造好像就是機(jī)器換人，好吧，如果就算是做了這個(gè)事情，把人換下來(lái)之后來(lái)做啥？這是最關(guān)鍵的，就是要想辦法把這些人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛭锘爻恋硐聛?lái)，雖然自動(dòng)化做到了一部分，但自動(dòng)化所物化或沉淀其實(shí)更多的還是一種簡(jiǎn)單的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的沉淀。

（4）數(shù)字孿生與MBSE／數(shù)字主線的關(guān)系

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是實(shí)現(xiàn)全生命周期集成研發(fā)的核心思想，數(shù)字化孿生體將促進(jìn)建模、仿真與優(yōu)化技術(shù)無(wú)縫集成到產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段，也是面向加工、裝配等DFX技術(shù)發(fā)展的重要使能基礎(chǔ)，是推動(dòng)MBSE核心思想發(fā)展的重要著力點(diǎn)。數(shù)字主線是從過(guò)程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的角度實(shí)現(xiàn)全生命周期集成的重要技術(shù)，從狹義角度而言，為全生命周期各階段業(yè)務(wù)模型的處理提供數(shù)據(jù)銜接傳遞支持，從廣義角度而言，為整個(gè)全生命周期鏈條提供統(tǒng)一的信息模型規(guī)范支持，是數(shù)字孿生體在不同尺度上的數(shù)據(jù)獲取與分析方面的具體體現(xiàn)，是數(shù)字孿生閉環(huán)控制模型的重要支撐。

而對(duì)于數(shù)字主線來(lái)說(shuō)，一般認(rèn)為是面向全生命周期集成的產(chǎn)品模型在各階段演化利用的溝通渠道，一般認(rèn)為數(shù)字主線是依托于貫穿產(chǎn)品全生命周期的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的，而這個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)是可以認(rèn)為是廣義上的CPS的。其實(shí)感覺(jué)這種區(qū)分是對(duì)一個(gè)CPS當(dāng)中分析推理決策模型的內(nèi)部細(xì)分，因?yàn)閿?shù)字孿生體所代表的模型本來(lái)就是一個(gè)廣義的復(fù)雜模型，總體模型內(nèi)部也是可以分成多個(gè)小模型的，彼此之間具有關(guān)聯(lián)（比如生產(chǎn)中的數(shù)字孿生體，這個(gè)模型應(yīng)該是綜合包括產(chǎn)品模型和裝備模型的，這些狀態(tài)融合在一起，才能夠有效的分析推理決策產(chǎn)品的實(shí)時(shí)實(shí)際狀態(tài)的），數(shù)字主線就是將這些小模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行明確和提供支持。因此從全生命周期這個(gè)廣義的角度來(lái)說(shuō)，數(shù)字主線是屬于面向全生命周期的數(shù)字孿生體的。從另外一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)主線所依托的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在面向全生命周期的過(guò)程范疇，也可以視作是一個(gè)CPS閉環(huán)過(guò)程，就是所謂的系統(tǒng)之系統(tǒng)的CPS，其實(shí)從廣義的角度來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)數(shù)字孿生過(guò)程。

五、結(jié)論

數(shù)字孿生，說(shuō)直白一些，其實(shí)也是一種理念、模式或機(jī)制，相對(duì)于CPS似乎更加能夠引起大家的共鳴，這都是可以利用和引導(dǎo)大家發(fā)展的。我們對(duì)數(shù)字孿生的看法，也應(yīng)該抱著一種開(kāi)放的態(tài)度，這不是誰(shuí)家的自留地，也不是單靠某幾家就可以搞出來(lái)的，因?yàn)檫@本就不是一個(gè)具體的東西，只有百花齊放才能夠落地結(jié)果。

另外，因?yàn)槭枪娞?hào)性質(zhì)的文章，所以并沒(méi)有過(guò)于刻意的雕琢文字，主要是表達(dá)出自己的一些思考和總結(jié)，模糊之處、疏漏之處，還請(qǐng)諒解。歡迎展開(kāi)建設(shè)性的有益討論。

作者信息：王愛(ài)民，北京理工大學(xué)數(shù)字化制造研究所所長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事MES、APS等技術(shù)研究、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)施應(yīng)用。