林詩萬 工業互聯網聯盟(IIC)技術及架構組聯合主席

自概念誕生以來，在工業領域，“數字孿生”就因應用場景及領域的廣泛性
、牽涉技術的多樣性、實現方式巨大的差異性，給從業人員帶來了高不可攀

、難以實現的刻板印象。

• 數字孿生到底是什麼
  ？有哪些常見的理解誤區？
• 如何切實、更好地利用數字孿生技術的價值？

本文內容整理自美國工業互聯網同盟-技術工作組、架構任務組和數字孿生體互操作性任務組聯席主席林詩萬博士在2021（第十屆）全球自動化和製造主題峰會上的演講。

林詩萬博士在2021GAMS峰會做主題演講

林詩萬博士從生產、運營場景落地的角度出發，層層剝繭，幫您深入了解“數字孿生”從概念到技術應用的所有知識點。

數字孿生的三大誤區

工業係統的高度複雜度、生產環境工況的多樣化和多變性、工業知識積累的碎片化
，讓各項新技術的應用開展難上加難。為了少走彎路
，企業在步入數字孿生的“賽道”前，一定要避開這幾個常見的誤區：

誤區1：三維仿真數據展示≠數字孿生！

人們在提到數字孿生時
，常常直接聯想到三維仿真展示，特別是三維仿真的背景中展示的一些數據，這種理解是片麵的。

“數shu字zi孿luan生sheng的de真zhen正zheng核he心xin在zai於yu，對dui生sheng產chan現xian場chang采cai集ji的de數shu據ju進jin行xing近jin乎hu實shi時shi的de計ji算suan，以yi獲huo得de對dui生sheng產chan現xian場chang工gong況kuang的de精jing準zhun的de認ren知zhi，以yi便bian做zuo出chu符fu合he事shi件jian的de決jue策ce，其qi核he心xin在zai於yu數shu據ju和he計ji算suan。”

三維仿真展示隻是三維空間的映射，其結果是讓數據、狀zhuang態tai或huo事shi件jian的de展zhan示shi和he係xi統tong的de瀏liu覽lan更geng直zhi觀guan，用yong大da屏ping方fang式shi展zhan示shi，能neng給gei參can觀guan者zhe酷ku炫xuan的de觀guan感gan。但dan是shi
，這zhe隻zhi是shi一yi種zhong人ren機ji界jie麵mian的de表biao達da方fang式shi，沒mei有you數shu字zi孿luan生sheng的de數shu據ju和he算suan法fa的de支zhi持chi，這zhe些xie展zhan示shi沒mei有you太tai大da的de意yi義yi。

當然，如果數字孿生的數據豐富、算法強大，相應的工業APP也功能強大，大部分的生產運維操作都能自動解決、不需要人工幹預
，那麼三維仿真展示的必要性也會被弱化。且如果有算法能對設備狀態進行有效監控、報警、記錄和處理
，現存的“虛擬巡檢”的作用也就不大了。

dangran，chulemanzuyiwangdeliuchengguidingwai
，sanweifangzhenzuoweishuziluanshengmoxingdeyizhong，yiwulishitideshijikongjiancanshu，yijikongjiandetuopuguanxijianlikeshihuamoxing，tebieshiyuAR結合，對於設計、設備拆裝和維修操作指導，運動設備作業事件重播等還將繼續有獨特的作用。

誤區2：傳統的模擬仿真模型≠數字孿生！

模mo擬ni仿fang真zhen是shi在zai計ji算suan機ji中zhong建jian立li模mo型xing，複fu現xian物wu理li係xi統tong中zhong發fa生sheng的de本ben質zhi過guo程cheng
，並bing通tong過guo調tiao整zheng模mo型xing的de輸shu入ru和he控kong製zhi參can數shu進jin行xing實shi驗yan性xing計ji算suan
，用yong於yu研yan究jiu和he評ping估gu存cun在zai的de或huo設she計ji中zhong的de係xi統tong特te征zheng和he行xing為wei
，尋xun找zhao可ke行xing或huo最zui優you的de設she計ji，在zai製zhi造zao業ye應ying用yong廣guang泛fan。

“但一般來說

，實際係統建造的成本高，有些試驗需要很長的時間或危險性大，利用計算機仿真進實驗顯然是一種事半功倍的手段。”

且qie實shi際ji係xi統tong一yi般ban都dou很hen複fu雜za，並bing受shou當dang前qian技ji術shu的de局ju限xian
，在zai建jian立li模mo擬ni仿fang真zhen模mo型xing的de時shi候hou
，大da多duo需xu要yao進jin行xing很hen多duo簡jian化hua。隻zhi關guan注zhu關guan鍵jian的de因yin素su，忽hu略lve次ci要yao因yin素su，或huo隻zhi模mo擬ni係xi統tong的de某mou一yi些xie方fang麵mian，可ke以yi滿man足zu在zai設she計ji過guo程cheng中zhong驗yan證zheng設she計ji的de結jie果guo是shi否fou符fu合he一yi定ding的de設she計ji要yao求qiu（如安全生產），但計算的精度不容易達到在生產過程監管和優化的需求。

lingwai，daduoyongyushejiguochengdefangzhenmoxingruanjianjiyumonideshuju，doushipicixingshiyong，bingbuyushengchanxianchangshishishujulianjie，congjisuanxingnengshangyebuyizhichichixuxingdeliushijisuan，nanyizhichengshuziluanshengzhongduishengchanyunyingguochengzhongdeguankongheyouhua。

zongheeryan，monifangzhenshishuziluanshengdeyigezhongyaozhichengjishu。shejiguochengzhongdefangzhenmoxingzhishishuziluanshengsuanfamoxingdeyigezhongyaozuchengbufen，budengtongyushuziluanshengbenshen。

誤區3：數字孿生≠“點金術”！

“數字孿生不是點金術，是持續改善的機會。”

數字孿生的有效性取決於：設備或生產過程的複雜度，進行模式判定
、zhuangtaiyucehuoyouhuacelvejisuandenandu，yijiyongyujisuande，congxianchangcaijidechuanganshujudewanbeixinghezhunquexing。zhengrurenduixianshishijiederenzhiyouyigechixuxuexideguocheng
，shuziluanshengduiwulishijiedebawochengduyeyouyigecongcucaodaojingxidetishengguocheng。

數字孿生作為一種方法論，一種框架性技術體係

，甚至是一種麵向生產運營環境數字化架構的中間件
，不是一種一蹴而就的神奇魔法。

qiyebuyinggaibashuziluanshengdangzuoyizhongdianjinjishu，buqieshijidiqiwangshuziluanshengkeyiyibudaoweijiejuegaonanwenti。shuzihuajishudehexinshiruanjian，zaibenzhishangjiushiyizhongchixugaishandejishu
，erbuchixudiedaitishengderuanjianshimeiyoushengminglide。

“數字孿生”的真正內涵

“數字孿生是工業數字化的一種思路

、方法論，是一種技術體係和技術能力。”

• 作zuo為wei基ji本ben概gai念nian
  ，數shu字zi孿luan生sheng的de核he心xin是shi利li用yong傳chuan感gan數shu據ju和he計ji算suan，實shi現xian對dui物wu理li實shi體ti的de深shen度du認ren知zhi和he智zhi能neng決jue策ce，有you效xiao地di控kong製zhi和he管guan理li這zhe些xie物wu理li實shi體ti，更geng好hao地di服fu務wu於yu人ren類lei；
• 作zuo為wei技ji術shu概gai念nian，數shu字zi孿luan生sheng是shi在zai計ji算suan機ji中zhong，對dui物wu理li實shi體ti實shi現xian映ying射she，屬shu於yu計ji算suan機ji工gong程cheng的de問wen題ti
  
  ，也ye屬shu於yu軟ruan件jian工gong程cheng的de範fan疇chou
  ，要yao對dui物wu理li實shi體ti進jin行xing映ying射she
  ，就jiu要yao對dui它ta的de狀zhuang態tai進jin行xing模mo式shi判pan定ding、根因分析
  、狀態預測等計算，可以有多種實現方法。

計算是“數字孿生”的核心

在(zai)計(ji)算(suan)機(ji)發(fa)展(zhan)的(de)初(chu)期(qi)，我(wo)們(men)隻(zhi)有(you)彙(hui)編(bian)語(yu)言(yan)
，幾(ji)乎(hu)就(jiu)是(shi)用(yong)計(ji)算(suan)機(ji)處(chu)理(li)器(qi)的(de)機(ji)器(qi)語(yu)言(yan)去(qu)編(bian)程(cheng)，是(shi)一(yi)長(chang)串(chuan)的(de)指(zhi)令(ling)
，沒(mei)有(you)什(shen)麼(me)結(jie)構(gou)，費(fei)腦(nao)費(fei)力(li)費(fei)時(shi)、容易出錯、排查困難
，談不上重用複用。

後來出現了高級語言
，如Fortran和Cyuyan，yinruleluojiheshujujiegou，bingnenggouduidaimajinxinganrenwuyihanshudefangshijinxingzuzhi
，youyuhanshuzuoweiyigedaimadanyuankeyiduochutiaoyong，yejiushixianledaimadezhongyongfuyong。

但是
，這些屬於過程編程範式的編程語言
，對於大型程序係統需要分解出來的函數繁多
，調用關係複雜，設計、開發和維護的難度會變得非常高

，重用複用困難
，軟件開發和維護的成本也因而變得非常高昂。

後來出現的麵向對象的編程範式（Object-Oriented Programming - OOP），如最早的Smalltalk
，後來廣泛使用的C++和Java
，引入了對象的概念。以對象的形式與現實生活的“物體”或“邏輯體”相對應，把其特征數據（屬性）和操作邏輯（行為）分別作為數據和函數封裝在對象體中。

這zhe種zhong方fang式shi使shi得de軟ruan件jian的de設she計ji，更geng符fu合he人ren在zai現xian實shi生sheng活huo中zhong的de思si維wei方fang式shi，不bu僅jin使shi得de設she計ji變bian得de更geng結jie構gou化hua
，同tong時shi也ye增zeng強qiang了le軟ruan件jian的de重zhong用yong複fu用yong性xing和he可ke維wei護hu性xing
，提ti高gao了le軟ruan件jian質zhi量liang，降jiang低di了le軟ruan件jian開kai發fa成cheng本ben。

作為一套方法論

作為方法論，麵向對象編程範式（OOP）可ke以yi為wei數shu字zi孿luan生sheng的de設she計ji所suo借jie鑒jian和he引yin用yong。數shu字zi孿luan生sheng的de設she計ji可ke以yi把ba麵mian向xiang對dui象xiang編bian程cheng範fan式shi推tui廣guang到dao了le物wu理li世shi界jie的de實shi體ti，在zai軟ruan件jian中zhong以yi對dui象xiang的de方fang式shi表biao征zheng物wu理li實shi體ti

，對dui每mei一yi個ge物wu理li實shi體ti建jian立li相xiang應ying的de軟ruan件jian對dui象xiang。

在(zai)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)中(zhong)以(yi)數(shu)據(ju)表(biao)征(zheng)物(wu)理(li)實(shi)體(ti)的(de)屬(shu)性(xing)及(ji)狀(zhuang)態(tai)

，以(yi)算(suan)法(fa)模(mo)型(xing)模(mo)擬(ni)其(qi)行(xing)為(wei)。除(chu)此(ci)以(yi)外(wai)
，對(dui)象(xiang)化(hua)的(de)設(she)計(ji)方(fang)式(shi)
，可(ke)以(yi)支(zhi)持(chi)利(li)用(yong)單(dan)元(yuan)對(dui)象(xiang)
，以(yi)搭(da)積(ji)木(mu)的(de)方(fang)式(shi)構(gou)建(jian)越(yue)來(lai)越(yue)複(fu)雜(za)的(de)係(xi)統(tong)
，從(cong)組(zu)件(jian)數(shu)孿(luan)體(ti)開(kai)始(shi)，構(gou)建(jian)設(she)備(bei)、機組、產線、車間

，以至整個工廠的數字孿生體
，成為整個工廠的數字表征。

以這種方式構建數字孿生
，結構性地反映物理實體的屬性、狀態與行為

，屏蔽了現場的複雜性
，簡化了數字化工業應用的構建。

作為一種技術框架體係

數字孿生對現實世界中的實體進行映射
，對其狀態進行模式判定、根因分析、狀態預測等計算———congzhegemudelaikan，yibanbuyibashuziluanshengzuoweiyigeweiyonghushiyongdezhongduandeyingyong，ershizuoweishuzihuagongyeyingyongdeyizhongzhichengxingdejishu，shenzhikeyigoujianweizhexieyingyongjiagouzhongdezhongjianjian。

數字孿生要映射生產現場的設備的狀態和行為，需要在軟件中建立相應的鏡像對象。如果借鑒OOP，我們需要在數字孿生體中設定與設備對應的參數，這些參數包括屬性、狀態、指令等類型。

zaizhegejichushang，bazhexiecanshuyucongshebeicaijideshujuyiyiduiyinglianjie，ruguoshebeidemougeyunxingcanshubianhuale
，zaixiangyingshuziluanshengtishangyejihushishididedaofanying。zheshiyigeduishebeishujushulideguocheng
，yeshigongyezhishichendiandaoruanjiandeguocheng。

zaicizhihou
，liyongsuanfamoxingduizhexieshujujinxingfenxijisuan，duiwulishitidexingweijinxingyingshe。biru，duishebeideyunxingzhuangtaijinxingmoshipandinghuoyuce，shifoushuyuyunxingyichang、是否符合工藝要求、是否符合能效要求等，如果判定了異常，對異常的根因分析，還有解決的策略，這些會用到機理模型和數據算法的模型。

然(ran)而(er)，最(zui)終(zhong)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)必(bi)須(xu)把(ba)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)體(ti)所(suo)映(ying)射(she)的(de)設(she)備(bei)的(de)運(yun)行(xing)特(te)征(zheng)和(he)行(xing)為(wei)作(zuo)為(wei)輸(shu)入(ru)，結(jie)合(he)生(sheng)產(chan)運(yun)營(ying)管(guan)理(li)的(de)業(ye)務(wu)邏(luo)輯(ji)和(he)生(sheng)產(chan)規(gui)則(ze)，特(te)別(bie)是(shi)精(jing)益(yi)管(guan)理(li)的(de)原(yuan)則(ze)和(he)方(fang)法(fa)論(lun)，做(zuo)出(chu)的(de)適(shi)合(he)的(de)決(jue)策(ce)
，並(bing)得(de)以(yi)執(zhi)行(xing)，這(zhe)些(xie)邏(luo)輯(ji)一(yi)般(ban)可(ke)用(yong)App的方式實現。

這就是數字孿生作為一種技術框架體係
，作為數字化工業應用架構的中間件的作用：它可以下啟物聯數據，連接現場；上承工業APP，輸送對現場狀態和行為的洞察認知，支撐管控現場的決策。

數字孿生的特征和作用

在數字化生產運營的層麵，製造業企業經過二十多年的信息化發展
，在產品和工藝設計過程中采用了各式設計軟件
，各種的CAD
，在原有的自動化生產的基礎上

，實現了業務管理流程的自動化和信息化。

但dan是shi，大da部bu分fen工gong業ye軟ruan件jian大da多duo用yong於yu管guan理li業ye務wu流liu程cheng，以yi及ji正zheng常chang狀zhuang況kuang下xia的de計ji劃hua生sheng產chan。在zai生sheng產chan過guo程cheng中zhong


，充chong分fen利li用yong生sheng產chan現xian場chang的de大da量liang設she備bei數shu據ju，進jin一yi步bu降jiang低di設she備bei的de故gu障zhang率lv、提高整體設備效率
、提升產品質量、降低能耗和物耗

、保障生產過程的合規性等方麵，還有大量的工作需要做。

現階段，對於生產異常判定

、根因分析以及應對策略，大多還是依賴於操作經驗
，靠手工作業完成。在新一輪數字化發展中，不管是在產品與工藝設計、還是在生產過程中
，如何利用來自於物理世界的數據，對實況做出精準的判定、智能化的決策、及時的執行
，成為企業的關注重點。

企(qi)業(ye)需(xu)要(yao)打(da)通(tong)生(sheng)產(chan)工(gong)序(xu)上(shang)下(xia)遊(you)多(duo)設(she)備(bei)的(de)高(gao)效(xiao)協(xie)同(tong)運(yun)行(xing)
，並(bing)能(neng)將(jiang)精(jing)益(yi)管(guan)理(li)的(de)原(yuan)則(ze)和(he)方(fang)法(fa)
，融(rong)入(ru)數(shu)字(zi)化(hua)生(sheng)產(chan)運(yun)營(ying)管(guan)理(li)中(zhong)，追(zhui)求(qiu)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)的(de)標(biao)準(zhun)化(hua)、穩定性和持續改善。數字孿生技術的誕生，恰好能利用物理實體的數字化虛擬複製，以計算解決現實問題。

數字孿生的特征作用有許多（見下圖），OT化和解耦式這兩點值得強調。

當我們利用數字孿生的方法論，建立一種新的技術框架時，在結構上從OTdejiaodu，yishebeizuoweizhutiduixiangjinxingjianmo，dingyishebeidetezhengshuju，jianlisuanfamoxingpandinghuoyuceshebeidexingwei。zheyangnenggouqingsongdirangshebeizhuanjiadingyishebeidetezhengshuju，rangdongshebeiyunxingheshengchangongyidezhuanjiayusuanfagongchengshihezuojianlisuanfamoxing
，shuangfangdeyitongguoshuziluanshengdejiegouronghezaiyiqi。

以yi這zhe種zhong方fang法fa對dui各ge類lei設she備bei建jian立li數shu字zi孿luan生sheng體ti，把ba數shu據ju定ding義yi和he算suan法fa封feng裝zhuang成cheng可ke以yi在zai多duo處chu以yi插cha件jian方fang式shi重zhong用yong複fu用yong的de軟ruan件jian組zu件jian。熟shu悉xi設she備bei的de設she備bei供gong應ying商shang或huo熟shu悉xi工gong藝yi過guo程cheng的de工gong業ye設she計ji院yuan所suo
，也ye可ke獨du立li構gou建jian和he提ti供gong某mou類lei設she備bei或huo生sheng產chan過guo程cheng的de數shu字zi孿luan生sheng，並bing可ke以yi支zhi持chi多duo個ge場chang景jing。

此外，數字孿生本身在軟件結構與其它業務性的軟件組件（如生產規則或用戶界麵）代(dai)碼(ma)解(jie)耦(ou)分(fen)離(li)。當(dang)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)的(de)算(suan)法(fa)迭(die)代(dai)提(ti)升(sheng)，比(bi)如(ru)提(ti)高(gao)了(le)某(mou)種(zhong)計(ji)算(suan)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)，隻(zhi)需(xu)獨(du)立(li)更(geng)新(xin)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)體(ti)
，不(bu)需(xu)要(yao)重(zhong)新(xin)修(xiu)改(gai)更(geng)改(gai)業(ye)務(wu)性(xing)的(de)軟(ruan)件(jian)代(dai)碼(ma)。

總而言之

，利用數字孿生
，用戶有機會建造一種可以有效支持數字化技術和工業知識的融合的技術框架，促進工業知識的沉澱
、積累與持續提升，推動生態型工業知識的廣泛重用共享。

用好“數字孿生”：複用、積累是關鍵

要實現數字孿生的價值
，需要多種技術和知識的融合，特別是數字化技術（IT）和工業知識（OT）的融合。對於製造業企業來講，經常遇到IT技術資源薄弱，OT知識積累單薄的窘境，要單獨利用數字孿生推進數字化生產運營管理的障礙重重。

工業領域想建立有效的數字孿生

，需要行業性生態合作夥伴的共力
，包括數字化技術供應商、設備供應商

、工業知識供應者（如工業研究院所和設計院所等）與作為甲方的企業一起來建設

、改善技術和係統。

在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，在(zai)行(xing)業(ye)生(sheng)態(tai)推(tui)進(jin)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)的(de)重(zhong)用(yong)複(fu)用(yong)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。可(ke)以(yi)設(she)想(xiang)
，在(zai)每(mei)一(yi)個(ge)企(qi)業(ye)的(de)場(chang)景(jing)，利(li)用(yong)軟(ruan)件(jian)對(dui)設(she)備(bei)和(he)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)特(te)征(zheng)狀(zhuang)態(tai)和(he)行(xing)為(wei)進(jin)行(xing)深(shen)度(du)、精準的表征映射
，單獨構建的門檻高、成本高、積累提升緩慢，事倍功半。

Tips：

muqianbushaodeqiyezaigoujianshuzihuayingyongxitong

，haishiyanyonglechuantongderuanjianxiangmuxingshishiguanlijizhi，shuyuyicixingdexiangmushishi，jiejuefangangongyingshangzhongbiaoshishijiaofuhou，baoyongyinianzhihouyibanmeiyouhouxuweihuhuogengxindekaolvhuojihui。xiacituidaozhonglai
，zheyangnanyijileihetisheng。

qiyexuyaoyujiejuefangangongyingshangweichichangjiudehezuoguanxi，tigongxiangyingdetouruzhichiruanjianyingyongdeweihuhetisheng，weisuojianlideshuzihuajiejuefanganliuchangyuanyidiandeshenglu，bimianyichuizimaimai。tongshi，qiyeyekeyiduokaolvcaiyongdisanfanggongyingshangdechanpin
，bimianwubiyaodezijianxiangmu，zheyangkeyijieligongyingshangchanpin，zuidahuazhongyongfuyongjileitishengdechengguo。

如果能夠在行業內建立相應的數字孿生共享技術框架和價值交易機製，促進數字孿生的重用複用，將能降低啟用成本
，加快其有效性、質量和性能的提升
，提高數字孿生應用的性價比。

從cong更geng廣guang的de範fan圍wei來lai說shuo
，軟ruan件jian可ke以yi說shuo是shi用yong出chu來lai的de。一yi件jian軟ruan件jian應ying用yong，用yong戶hu多duo了le，使shi用yong的de場chang景jing多duo了le，解jie決jue了le的de問wen題ti多duo了le
，它ta的de功gong能neng也ye會hui變bian得de豐feng富fu和he強qiang大da

，穩wen定ding性xing也ye會hui提ti高gao，這zhe是shi通tong過guo重zhong用yong複fu用yong積ji累lei的de結jie果guo。

這就是為什麼第三方的軟件產品一般會比自研的好，這是空間（場景）和(he)時(shi)間(jian)積(ji)累(lei)的(de)差(cha)異(yi)性(xing)所(suo)導(dao)致(zhi)的(de)，特(te)別(bie)是(shi)跨(kua)空(kong)間(jian)的(de)重(zhong)用(yong)複(fu)用(yong)的(de)優(you)勢(shi)。因(yin)此(ci)
，重(zhong)用(yong)複(fu)用(yong)並(bing)不(bu)是(shi)僅(jin)僅(jin)對(dui)於(yu)軟(ruan)件(jian)供(gong)應(ying)商(shang)有(you)利(li)，對(dui)軟(ruan)件(jian)的(de)用(yong)戶(hu)也(ye)是(shi)有(you)利(li)的(de)。