數(shù)字孿生化水平五大等級L1-L5
無論是初期DARPA提出的數(shù)字孿生體，還是在美國空軍研究實驗室提出的機身數(shù)字孿生體，抑或2019年帕梅拉·科布倫在“工程前沿學術研討會”的演講中對數(shù)字孿生體的論述，都闡釋了一個基本事實：數(shù)字孿生體應用都是基于對物理世界設備或產品的數(shù)字表達（Digital Representation）。由此可見，在數(shù)字空間給出物理世界的物體對應的表達方法，成為數(shù)字孿生體工程的基礎工作。
部分行業(yè)人士把數(shù)字孿生體概念擴大化，將一些簡單的傳感器數(shù)據(jù)在信息系統(tǒng)中的表示，也簡單地認為是數(shù)字孿生體；還有一些專家把嵌入式系統(tǒng)或信息物理系統(tǒng)看成數(shù)字孿生體，并撰寫了不少論文。事實上，這些工作并沒有數(shù)字孿生體概念的參與，不會提升或降低其價值。
既然數(shù)字孿生體是第四次工業(yè)革命的通用目的技術，那么它將應用到多個領域，不能用某個特定場景的非標準化工程方法來展示，應該考慮更廣泛的應用要求，此時設計一個全新的概念就顯得很有必要。筆者提出數(shù)字孿生化（Digital Twinning）的說法，以表示物理世界和數(shù)字空間不同目標的轉化過程，這種過程的衡量標準為“精度”，它們表現(xiàn)為從形似、仿真、神似（包含靜態(tài)和動態(tài)）到難分真假，通過這樣的方式，體現(xiàn)了數(shù)字孿生化水平的高低。
數(shù)字孿生化的基礎是物理世界中物體的幾何模型，這是不容易改變的數(shù)據(jù)源，通過對該數(shù)據(jù)的獲取，可以實現(xiàn)對該物體基本情況的數(shù)字表達。ISO 23247、IEEE P2806等與數(shù)字孿生體相關的標準都采用了這樣的描述方法，并把數(shù)字表達作為數(shù)字孿生體工程的基本前提。
當然，數(shù)字孿生化的精度各不相同，這既與應用場景的實際需求有關，還與投入代價有直接聯(lián)系。在機械加工，特別是精密加工領域，數(shù)字孿生化的要求非常高，例如航天軍工的設備加工經常需要達到微米級別的精度要求，但對于城市管理來說，其精度大部分不需要那么高，部分要求只需要達到厘米級別即可。
因此，數(shù)字孿生化的精度并不是越高越好，而是需要根據(jù)應用場景和投入能力兩者均衡確定。一些行業(yè)專家把航空航天領域的數(shù)字孿生化案例作為參考來啟發(fā)對數(shù)字孿生體的理解是可以的，但如果把它作為標桿對象就有可能東施效顰了。
因此，數(shù)字孿生化把精度作為目標，形成了不同層次的要求，這在不同的應用場景中體現(xiàn)出來的效果也有一定的差異。數(shù)字孿生化水平的五大等級情況如下，下面具體展開介紹。
第一級
以建立幾何模型為目標
數(shù)字孿生體工程以建立幾何模型為基礎，部分工程項目不建立幾何模型，因而通常無須把該項目稱為數(shù)字孿生體。幾何模型是任何物理世界設備或產品的第一個特征，通常在特定時間，該幾何模型是一個確定的狀態(tài)，因此，把它作為數(shù)字孿生化的首要目標，比較容易實現(xiàn)。一些直接以幾何模型建設為目標的項目，通常是為了實現(xiàn)“可視化”，它的好處通常有幾方面：一是為管理層提供了直觀可見的數(shù)據(jù)或場景，降低了管理的復雜度和難度；二是部分項目成果難以顯性化，為了讓上級部門、主管領導或客戶了解效果，把這些不可見的結果用可視化方式展現(xiàn)出來；三是為更復雜的系統(tǒng)確定單一數(shù)據(jù)源，其他系統(tǒng)可以基于該可見的信息源做進一步開發(fā)。客觀來說，以上三個方面的可視化都有價值，前兩個不是數(shù)字孿生體的核心目標，第三個是數(shù)字孿生體工程的要求。通過幾何模型錨定單一數(shù)據(jù)源，分部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)和系統(tǒng)之系統(tǒng)等多個層次建立幾何模型，可以為各個參與方提供一個客觀的參照標準。
第二級
以仿真為目標的數(shù)據(jù)描述
為了使數(shù)字空間與物理世界的設備或產品對應的數(shù)字孿生化后的模型更有價值，通常需要對它的材料和物理特征進行描述，以便數(shù)字線程傳遞相關數(shù)據(jù)的時候，可以有更豐富的信息。這個階段完成的仿真工作，成為數(shù)字孿生化最具挑戰(zhàn)的工作之一，雖然有超級計算或云計算等仿真利器，但由于部分仿真涉及的計算量實在太過巨大，如果不采用降階模型技術等，仍然無法實現(xiàn)真正的工程應用。第二級數(shù)字孿生化對于高端制造可能是常態(tài)，但對于大量中低端行業(yè)或者建筑、城市、能源等領域，利用傳統(tǒng)仿真工具的成本往往太高，不具有實際的應用價值，這意味著，數(shù)字孿生體在多個行業(yè)的應用需求，呼喚低成本的數(shù)據(jù)描述工具。
第三級
多尺度場景的數(shù)據(jù)融合
當實現(xiàn)了設備和產品的仿真之后，數(shù)字孿生化即進入了滿足多尺度場景的數(shù)據(jù)融合的需求階段，這個階段既需要考慮設備和產品的數(shù)據(jù)建模，還需要考慮場景或環(huán)境的建模，通過兩者的共同數(shù)字孿生化，才可以形成豐富的數(shù)字孿生系統(tǒng)。需要指出的是，設備和產品的建模和仿真有可能在設計的時候就已經實現(xiàn)了，或者事后需要重構出原有的幾何模型和仿真特征，通常情況下，對環(huán)境的數(shù)字孿生化是進一步建立物理世界和數(shù)字空間交互的關鍵。從技術的應用來看，人工智能在實現(xiàn)兩者無縫數(shù)據(jù)融合方面至關重要，從國際上多家企業(yè)的實踐來看，解決多尺度場景的數(shù)據(jù)融合，對數(shù)字孿生體產業(yè)化非常重要，考慮到成本問題，這也是數(shù)字孿生化的難點所在。
第四級
面向建造和運行的動態(tài)孿生
第三級數(shù)字孿生化水平滿足了靜態(tài)的神似，但還不具有時間軸上的孿生特征，只有實現(xiàn)了建造和運行過程的動態(tài)孿生，才可以稱之為第四級數(shù)字孿生化。這個階段的數(shù)字孿生化有較大的挑戰(zhàn)，涉及建造體系和管理體系的數(shù)字化轉型，如果建造流程和管理流程無法與數(shù)字孿生化工作融合，相關數(shù)據(jù)難以貢獻，自然實現(xiàn)不了這個階段的動態(tài)孿生。在一些簡單的應用場景中，建造體系和管理體系與人關聯(lián)不大，或者可以通過數(shù)據(jù)自動化替代人的角色，那么這個階段的動態(tài)孿生就有可能實現(xiàn)了。
第五級
具有自適應能力的自主孿生
如果數(shù)字孿生化發(fā)展到能夠根據(jù)各種環(huán)境變化自行實現(xiàn)第一級到第四級數(shù)字孿生化工作，那么它就達到了最高等級的自主孿生水平。這樣的目標需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化，需要建立在數(shù)字化、網絡化和智能化的基礎上。毫無疑問，人工智能、物聯(lián)網和數(shù)據(jù)科學等將在這個等級具有至關重要的作用，迄今為止，相關理論和技術尚未成熟，只有一些較簡單的應用出現(xiàn)。例如，NASA在空間制造體系中產生了一些概念，目前也只是在增材制造模式上有一些突破，但要真正達到那樣的水平，還需要長達數(shù)十年的努力。數(shù)字孿生化技術是數(shù)字孿生體的基礎部分，它的實現(xiàn)程度決定了數(shù)字孿生體的應用效果，在不同的行業(yè)，數(shù)字孿生化水平具有不同的判定標準，以上只是就基本的概念和特征做了描述，后續(xù)還需要根據(jù)具體的應用場景做相應的調整。從傳統(tǒng)學科或研究領域來看，數(shù)字孿生化的前三個等級屬于傳統(tǒng)的建模和仿真，動態(tài)孿生和自主孿生對應的第四級、第五級則需要動態(tài)數(shù)據(jù)驅動和人工智能等新一代技術的參與，特別是動態(tài)數(shù)據(jù)驅動的仿真，成為過去十年各位專家學者力求突破的地方，這也是數(shù)字孿生體的主要研究領域之一。
轉載來源：AI智勝未來
