（二）数字孪生的十个领域（上）

数字孪生体现了软件、硬件、和物联网回馈的机制。运行实体的数据是数字孪生的营养液输送线。

反过来，很多模拟或指令信息可以从数字孪生输送到实体，以达到诊断或者预防的目的。 这是一

 个双向进化的过程。梳理数字孪生的十个关系：

  1  数字孪生与计算机辅助设计

计算机辅助设计（Computer Aided Design。CAD）模型是在CAD完工后形成的一种静态的数学模型，它可以是二维或三维的。在绝大多数场合中，CAD模型就像象棋里面一个往前冲的小卒；数字孪生则不同，它与物理实体的产生是步步相连的，实体没有被制造出来时，也就没有相对应的数字孪生生成，就像一个放飞在天空中频频回头的风筝，两头抻着力。

在过去，三维模型在行使作用之后就被工程技术人员放在计算机文档里“沉睡”，而数字孪生是基于高保真的三维CAD模型，被赋予了各种属性和功能定义（包括材料、感知系统、机器运动机理等）；它的储存位置为一般图形数据库，而不是关系型数据库；它可以回收产品的设计、制造和运行的数据，并将其注入全新的产品设计模型中，使设计发生巨大的变化。

更值得一提的是，因为数字孪生在前期就可以具备识别异常的功能，从而在尚未生产的时候就能消除产品缺陷，所以用它取代以前昂贵的却不得不用的原型成为可能甚至现实。根据IBM的认知，数字孪生体就是物理实体的一个数字化身，可以演化为万物互联的复杂的生态系统。它是一个动态的、有血有肉的、活生生的三维模型。可以说，数字孪生体是三维模型的进阶，也是物理原型的超级新替身。

  2  数字孪生与产品全生命周期管理

产品全生命周期管理（Product Lifecucle Management，PLM），虽然号称为“全周期管理”，但就一个产品的设计、制造、服务的全过程而言，制造后期的管理往往戛然而止，导致大量在制造中执行的工程状态的更新数据往往无法返给研发设计师。那么产品一旦出厂，它的相关现状“无迹可寻”，更无法通过PLM对其进行跟踪。

数字孪生的出现改变了这种窘态。它是对物理产品的全程（包括损耗和报废）进行的数字化呈现，使产品“全生命周期”透明化、自动化的管理概念得以变为现实。这意味着只有在工业互联网时代，全生命周期管理才能成为借助数字孪生、工业互联网等众多技术和商业模式合力实现的一个新的盈利模式。

  3  数字孪生与物理实体

从理论上讲，数字孪生可以对一个物理实体进行全息复制。但在实际应用中，受企业对产品服务的定义深度的限制，它可能只截取了物理实体的一些小小的、动态的片段，只解决了某个方面的问题，例如，也许只是从一个机器的几百个零部件中提取几个来做数字孪生体。数字孪生体与物理实体存在三种映射关系：

(1) 一对一：一台机器对应一个数字孪生体。

(2) 一对多：一个数字孪生体对应多个仪表。

(3) 多对一：几个数字孪生体对应一台机器。

图：凯撒空气压缩机公司与合作方建立的数字孪生体

在某些场合，虚拟传感器可能比实体传感器更多。如上图所示，凯撒空气压缩机公司不仅售卖空气压缩机，还售卖空气压力。通过与其他工程设计软件公司合作建立的凯撒空气压缩机数字孪生体，可以实现图标与表单数据同源。数字孪生体可以被用来进行编程和编译，通过其对物理实体的控制，优化物理实体的状态及运营。

  4  数字孪生与赛博物理系统

赛博物理系统（Cyber-Physical System，CPS）是一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统，通过3C（Computer、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，通过人机交互接口实现与物理进程的交互，使赛博空间以远征、可靠、实时、安全、协作和智能化的方式操控一个物理实体。CPS主要用于非结构化的流程自动化，把物理只是与模型整合到一起，通过实现系统的自我适应与自动配置，缩短循环时间，提升产品与服务质量。

数字孪生与CPS不同，它主要用于物理实体的状态监控及控制。数字孪生以流程为核心，CPS以资产为核心。

在数字孪生与CPS的关系中有一个对工业4.0非常重要的支撑概念——资产管理壳（Asset Administration Shell，AAS），它使物理资产有了数据描述，实现了与其他物理资产在数字空间的交互。

资产管理壳是与物理资产相伴相生的软件层，包括数据和界面，是CPS的物理层与赛博层C进行交互的重要支撑部分。CPS的关键点在于Cyber，在于控制，在于与物理实体进行的交互。从这个意义层面而言，CPS中的物理层P——Physics，必须具有某种可编程性，与数字孪生体所对应的物理实体有着相同的关系，依靠数字孪生来实现。在工业4.0的RAMI4.0概念中，物理实体是指设备、部件、图纸文件、软件等。但是就目前而言，如何实现软件的数字孪生，特别是在软件运行时如何实现映射还是一个尚不明确的问题。

从德国Drath教授研究的CPS三层架构与数字孪生中可以解析出，数字孪生是CPS建设的一个重要基础环节。未来，数字孪生与资产管理壳可能会融合在一起。但数字孪生并非一定要用于CPS,有的时候它不是用来控制流程的，而只是用来显示相关状态的信息。

  5  数字孪生与云端

在Web3.0里有云端的概念。云端软件平台采用虚拟化技术，集软件搜索、下载、使用、管理、备份等多种功能于一体，为网民搭建软件资源、软件应用和软件服务平台，改善目前软件的获取和使用方式，带给用户简单流畅、方便快捷的全新体验。一般来说，数字孪生体是放在云端的。

西门子倾向于将数字孪生看成是纯粹的基于云的资产，因为运行一个数字孪生需要的计算规模和弹性都很大。SAP Leonardo平台从挪威一家软件公司购买了一款三维软件，为数字孪生引入了一个云解决方案——预防性工程洞察力。采用该方案可以实现对那些从传感器得来的压力、张力和材料生效数据进行评估，从而帮助企业加强对设备的洞察。

通用电气、ANSYS倾向于认为数字孪生体是一个包含边缘和云计算的混合模型。而美国的一家创新公司则开发了一套软件包，建立了直接面向边缘的数字孪生。这个数字孪生与常规数字孪生的云端概念的不同之处在于：它是根据实时进入的数据经过机器学习逐渐建立机器失效的概念，整个分析就在边缘端完成，不需要上传到网络端。可以看出，对于数字孪生而言，无论是云端还是线下的部署都同等重要。

来源：《数字孪生》——陈根

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