连载(3)数字孪生体发展综述

一、数字孪生体发展综述

当前,以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪潮席卷全球, 物理世界和与之对应的数字世界正形成两大体系平行发展、相互作用。数字世界 为了服务物理世界而存在,物理世界因为数字世界变得高效有序。在这种背景下, 数字孪生体技术应运而生。

数字孪生体最早的概念模型(图1)由当时的PLM咨询顾问Michael Grieves 博士(现任佛罗里达理工学院先进制造首席科学家)于2002年10月在美国制造 工程协会管理论坛上提出。数字孪生体(DigitalTwin)这一名称最早出现在美国 空军实验室2009年提出的“机身数字孪生(Airframe Digital Twin)”概念中。 2010年,NASA在《建模、仿真、信息技术和处理》和《材料、结构、机械系统 和制造》两份技术路线图中直接使用了 “数字孪生体(Digital Twin)”这一名称。

2011 Michael Grieves 博士在其新书《虚拟完美(Virtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management)》中弓|用了 NASA先进材料和制造领域首席技术专家John Vickers (现任马歇尔中心材料与工 艺实验室副主任和NASA国家先进制造中心主任)所建议的“数字孪生体(Digital Twin)”这一名称,作为其信息镜像模型(图1)的别名。2013年,美国空军将 数字孪生体和数字线程作为游戏规则改变者列入其《全球科技愿景》。

 

图1数字孪生体最初概念模型及其术语名称的前身——PLM的概念化理想

回顾数字孪生体的发展历程(图2),可以看到航天发射任务和航空武器装 备研制的需求拉动作用,也可以看到建模、仿真、系统工程等的技术推动作用。 总结数字孪生体的发展历程,可以分为四个阶段:

(1) I960-世纪之交,是数字孪生体的技术准备期,主要是指CAD/CAE建模仿 真、传统系统工程等预先技术的准备。

(2) 2002-2010,是数字孪生体的概念产生期,指数字孪生体模型的出现和英 文术语名称的确定。这段时间,预先技术继续成熟,出现了仿真驱动的设计、基 于模型的系统工程(MBSE )等先进设计范式。

(3) 2010-2020,是数字孪生体的领先应用期,主要指NASA、美军方和GE 航空航天、国防军工机构的领先应用。这段时间也是物联网、大数据、机器学习、 区块链、云计算等外围使能技术的准备期。目前数字孪生体的定义不下20个, 大部分IT厂商、工业巨头和咨询机构都有自己的定义或与自身业务相关的数字 孪生体解决方案。从2018年开始,ISO、IEC、IEEE三大标准化组织陆续开始着 手数字孪生体相关标准化工作,ISO第一个数字孪生体国际标准将于明年发布。

(4) 2020-2030,是数字孪生体技术的深度开发和大规模扩展应用期。从图2 可以看出,PLM领域,或者说以航空航天为代表的离散制造业,是数字孪生体概 念和应用的发源地。目前,数字孪生体技术的开发正与上述外围使能技术深度融 合,其应用领域也正从智能制造等工业化领域向智慧城市、数字政府等城市化、 全球化领域拓展。

Gartner公司认为数字孪生体技术目前正在进入主流应用。2017年数字孪生 体出现在Gartner新兴技术成熟度曲线的上升段,2018年到达曲线顶点。2019 年未出现在曲线中,标志着它已不再是新兴技术,而是进入主流技术行列。而且, 数字孪生体技术不是一般的新兴技术或主流技术。它从2017年到2019年,连续 三年入选Gartner十大战略技术趋势。战略技术趋势意味着具有重大颠覆性潜力 的趋势,正在从新兴状态中发展壮大,有望产生更广泛的影响及应用范围,或者 正在以巨大的波动性迅速增长,并预计能够在未来五年内跨越新兴技术成熟度曲 线的低谷到达成熟应用的平台期。

2019年2月Gartner公司发布调查和预测,实施物联网的组织中,有13% 经在使用数字孪生体,而62%的组织正在建立数字孪生体或正在计划这样做;预 计到2022年,实施物联网的公司超过2/3将使用数字孪生体,乐观估计,甚至 2020年就会达到这一比例“我们看到各种组织都在采用数字孪生体,但使用 物联网实现了产品互联的制造商是进步最快的。数字孪生体采用率快速增长的原 因,一方面归因于供应商的市场培育,更要归因于业界对于数字孪生体提升业务 价值的共识,进而将其纳入企业物联网和数字化转型战略”。

更进一步,Gartner公司2020年十大战略技术中的第一项 超自动化(指 通过多种机器学习、软件和自动化工具的打包组合来完成工作)认为,在模型驱 动的组织基础上,实现组织的数字孪生体是获得超自动化全部收益的预先要求和 前提;2019年7月,Gartner公司发布数字政府技术成熟度曲线,“政府的数字 孪生体”出现在曲线的起点;2019年9月,美国召开首次智慧城市和数字孪生 体融合研讨会。这些事件标志着数字孪生体技术从现在开始进入深度开发和大规 模扩展应用期。

以更大的视角回望人类历史的历次工业革命,表1选取工业化的视角,引入 技术经济学中的“通用目的技术”这一概念,来分析数字孪生体技术在即将到来 的第四次工业革命中的地位和作用。通用目的技术(GPT)是指一种单一的通用 技术,在其整个生命周期中都具有以下公认的四个特征:(1)最初有很大的改进 余地;(2)最终被广泛使用;(3)具有多种用途;(4)并具有许多溢出效应。目前 普遍认为,蒸汽机、电和内燃机、计算机分别是头三次工业革命的GPT。人工智 能将成为第四次工业革命的GPT。数字孪生体技术满足GPT的四个充分必要条件, 本白皮书认为数字孪生体技术也将成为第四次工业革命的通用目的技术。

表1数字孪生体在第四次工业革命中的地位和作用

工业革命

第一次 (1750-1850)

第二次 (1850-1950)

第三次

(1950-2020)

第四次

(2020-2080?)

特点/名称

机械化 /机械时代

电气化

/电气时代

数字化

/信息时代

智能化

/智能时代

理论基础

机械还原论

能量守恒

控制论+系统论 +信息论

量子理论

典型观点

人是机器

永动机不可行

信息是用来消除 不确定性的东西

万物源自比特

能量源

电力

核能

可再生能源/ 可控核聚变

动力装置

蒸汽机

内燃机/电动机

核动力/喷气推进

(待发明)

信息传输 处理

信号旗/塔

电报/电话/ 无线电

电子计算机

量子通信/计算

设计范式

手工作坊

->单人

单人-> 小团队

传统系统工程

于数字挙生体 的现代系统工程


工业革命

第一次 (1750-1850)

第二次 (1850-1950)

第三次

(1950-2020)

第四次

(2020-2080?)

制造范式

原始等材/减材

现代减材/等材

现代减材/等材

基于数字孪生体和增 材思维的工艺融合

生产管理

单台机器生产

基于装配流水线 的大规模生产

基于计算机 的自动化生产

基于数字孪生体和工 业互联的智能工厂

通用目的 技术

蒸汽机

电/内燃机

计算机/互联网

AI/数字孪生/IoT

数字孪生体为跨层级、跨尺度的现实世界和虚拟世界建立了沟通的桥梁,是 第四次工业革命的通用目的技术和核心技术体系之一,是支撑万物互联的综合技 术体系,是数字经济发展的基础,是未来智能时代的信息基础设施。接下来的十 年(21世纪20年代)将成为“数字孪生体时代”。在第四次工业革命进程中, 数字孪生体将贯穿城市化、全球化和工业化的方方面面,成为遍在的数字孪生体

(图 3)。

图3数字孪生体在第四次工业革命进程中的遍在性