Digital twins are becoming a business imperative, covering the entire lifecycle of anasset or process and forming the foundation for connected products andservices. Companies that fail to respond will be left behind.

——Thomas Kaiser, SAP SeniorVice President

【摘要】本文闡述了數字孿生這一新型數字化技術解決方案的定義、特點和功能，以及其在工業網際網路建設中的關鍵作用。在此基礎上，筆者提出了“連-聚-融-優-自”的工業網際網路思維方式。

在Gartner釋出的2019年Top10技術趨勢報告中，數字孿生（Digital Twin）名列其中。隨著近年來政府和諮詢機構對工業網際網路技術的廣泛宣傳，數字孿生已成了人們交談中的熱門詞。數字孿生驅動的產品研發，數字孿生驅動的生產運營，數字孿生驅動的服務支援，數字孿生驅動的城市治理，等等，成了IT服務廠商們開發數字化解決方案的新方向。筆者確信，作為一種新型的數字化技術解決方案，數字孿生必將給社會和企業的數字化轉型帶來一股新的浪潮，也必將把各類組織的數字化轉型工作推向一個新的高度。然後，要想應用好數字孿生技術，人們就要弄清楚其定義、特性、本質和應用正規化，並形成基於數字孿生驅動的工業網際網路思維；只有這樣，工業網際網路的建設實踐才有可能落到實處，這也正是本文的立意所在。

圖1：Gartner 2019 Top 10技術趨勢

1.數字孿生的定義

數字孿生是建立在數字化基礎上，對物理世界的數字化模型表達，是物（物理世界）、數（數字世界）和人（組織和人員）等三者的高度融合。在企業實踐中，物理世界可以是產品，過程，系統、員工、工廠，乃至整個企業。

圖2：數字孿生的定義

實際上，應用IT技術對物理世界進行建模和對映，一直是資訊化工作的主要內容。比如，ERP系統是從財務業務一體化的角度對企業運營進行對映，SCM系統是從供需動態平衡的角度對供應鏈進行對映，MES系統是從產品需求與資源轉化的角度對工廠和車間進行對映，等等。與前者所不同的是，數字孿生式對映，一是基於物件（Object-based），二是實時模擬（Real-time）。

物理世界、數字模型和連線資料是數字孿生的主要構成，其中的連線資料，包括自物理世界到數字模型的執行洞察，以及自數字模型到物理世界的行動指令。如圖2所示，通過物聯網技術，數字孿生獲得物理世界執行狀態的實時資料，並通過高階資料分析和機器學習等技術進行理解並形成業務洞察；在此基礎上，還可以做相關的業務模擬或預測，形成下一步的業務建議、決策和行動，並以指令形式下發給物理世界。

2.數字孿生的特性

作為工業網際網路時代的數字化技術解決方案，與ERP、MES等傳統IT系統相比較，數字孿生具有架構靈活、面向決策和高度融合等特性。

1）靈活架構

在架構搭建上，數字孿生的架構是低耦合、分散式架構，因而，在快速變化的企業環境中有很強的適應性。在這一點上，數字孿生要比ERP、MES等傳統IT系統要靈活得多，後者通常在相對穩態、規範的企業環境下才能應用好。

圖3：數字孿生的模型架構

縱向看，數字孿生之間可以形成上下級的層次關係，一臺裝置可以開發其數字孿生，多臺裝置所組成的產線可以開發其數字孿生，多條產線所組成的車間可以開發其數字孿生，多個車間所組成的工廠可以開發其數字孿生，多個工廠所組成的企業可以開發其數字孿生，……；而且，這種層次關係的調整是非常靈活的。

橫向看，數字孿生之間也可以組成雙向交流的網路。在這種網路中，裝置、IT系統、過程、工件、產品、人員等的數字孿生之間可以通過各自的代理進行溝通和協作。從這個意義來說，所謂的工業網際網路，就是基於物理世界的數字孿生的聯網，工業網際網路的每一個節點就是各種數字孿生。

2）面向決策

ERP、MES等IT系統是面向業務執行和交易處理（Business Running and TransactionProcessing Oriented）的IT解決方案，著重關注的是“How”；數字孿生則是面向業務優化和決策（BusinessOptimization and Decision Making Oriented）的IT解決方案，著重關注的是“Why”，視覺化、透明化、模擬、模擬、優化和預測，本質上都是為了運營決策。

ERP、MES等IT系統的執行是建立在業務記錄（Record）和關係型資料庫等技術基礎上，它們所能生成的各種業務報表也依賴於此。數字孿生的執行是建立在“物”（Thing）和物聯網等技術基礎上，而“物”則類似於“面向物件程式設計”建模思想中的“物件”。

圖4：數字孿生的技術生態和功能特性

從功能特點來看，ERP、MES等IT系統與數字孿生不應是相互替代，更應是相互補充。在數字孿生的語境中，ERP、MES等IT系統也可作為一個“物”，併為之建立相應的數字孿生。具體來說，ERP、MES等IT系統在交易處理上功能更強，數字孿生則在實時的資料分析、視覺化、透明化、業務優化和決策上表現的更好。

3）高度融合

通過數字孿生的應用，企業不僅可以實現運營技術（OT）和資訊科技（IT）的高度融合，還可以實現物（物理世界）、數（數字世界）和人（組織和員工）的高度融合。

圖5：基於數字孿生的物、數、人的融合

如果說工業網際網路是個“大宇宙”，其中，數字孿生就是形式和角色各異的小“宇宙”。

一方面，從物理世界的執行到數字世界的洞察，在洞察基礎上做模擬和預測，並形成業務優化建議、決策和行動，再從數字世界的指令返回到物理世界的調整，其中的核心支撐就是數字孿生。

另一方面，針對業務場景、人員崗位和角色的不同，數字孿生的關注焦點也可不同。舉例來說，針對同一條產線，工程技術人員關注的是產線的可製造性，生產運營人員關注的是產線的執行效率，現場作業人員關注的是環境的安全；企業可以根據不同人員的訴求，針對同一產線開發出不同形式的數字孿生。

就這樣，物理世界的實時互聯，數字世界的洞察和決策，以及基於人員和角色的主題設定，共同體現到數字孿生的開發和應用中；在這裡，物、數、人得以相會和融合。

3.工業網際網路思維

要想掌握和實踐好一門技術，就必須對它的工作正規化和思維特點予以詳細地了解。在筆者看來，如果有所謂的工業網際網路思維，那就是工業網際網路中“連-聚-融-優-自”的工作正規化；在其中，數字孿生起到了核心的承載作用。

圖6：工業網際網路的技術特點和工作正規化

所謂“連”，就是通過物聯網來連線一切。連線資源，連線裝置，連線流程，連線工具，連線系統，連線工件，連線產品，連線人員。只有先進行連線，才可能採集實時資料，或實現遠端監測和控制。

所謂“聚”，就是通過雲端計算、大資料、數字主線和“物（Thing）”的建模來聚合資料。通過資料聚合，細沙可成高塔，涓流可成江河。工業網際網路的“聚”，就是根據業務場景的需求，將資源、裝置、流程、工具等不同物件的資料聚合起來，以支援各種形式的深度分析和模擬。

所謂“融”，就是通過數字孿生的應用，來進行運營技術和資訊科技，物理世界、數字世界和人員的高度融合，以實現企業中的縱向整合和PDCA的運營閉環。

所謂“優”，就是通過數字孿生來展現資料，進行資料的分析、視覺化和透明化，並在此基礎上做進一步的模擬、模擬和優化，對業務的下一步發展進行預測，從而實現業務運營的持續優化。

所謂“自”，就是在前四個階段的基礎上，進一步應用人工智慧等技術，以實現生產運營PDCA全過程的自組織、自計劃和自決策，真正實現生產系統的自主管理，將人從重複式、高強度的日常性工作中解放出來。

如果說流程的資訊化是ERP、MES等IT建設的標誌和主要內容，那麼，企業中業務物件（產品、過程、工廠、人員，等等）和生產系統的數字孿生化就是工業網際網路建設的標誌和主要內容。通過數字孿生的應用，企業可以對業務物件和生產系統進行實時的監測、分析、視覺化、透明化和更優化，並對未來運營進行預測和針對性調整。有了數字孿生的技術支援，企業不僅可以為市場提供智慧互聯產品（Smart Connected Product，SCP），以實現服務型製造轉型；更可以建設智慧互聯企業和生態（Smart Connected Enterprise and Ecosystem，SCEE），以實現協同、精益、柔性、自主的智慧化轉型。

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