數字化中的數字孿生和數據進程及其應用架構
李明（上海大學）
在製造業數字化、信息化的歷程中，出現了數字孿生（Digital Twin）和數字進程（Digital Thread）等幾個重要概念。面對未來，用現有的概念去理解這些新概念顯然是不妥的，它不僅會使我們的理解不到位，還會對整個數字化過程造成影響，甚至誤導進程。下面是筆者基於數字化、信息化工程實踐對這些概念進行的相關理解和解讀，供讀者們參考。
一、對數字孿生（Digital Twin）的解讀
這裡引用NIST網站上由DAG給出的數字孿生（Digital Twin）概念：
在數字進程（Digital Thread）支持下，使用最佳的可用模型、傳感器信息和輸入數據來映射和預測相應物理孿生體生命週期內活動/性能的一種多物理、多尺度、概率模擬集成系統。
Digital Twin（DAG）
An integratedmultiphysics , multiscale, probabilistic simulation of an as-built system,enabled by Digital Thread, that uses the best available models, sensorinformation, and input data to mirror and predict activities/performance overthe life of its corresponding physical twin。
這裡有幾個關鍵點需要討論：
- 最佳的模型：基於對物理孿生體的充分認識、應用場景的有效定義、傳感體系的有效操作、輸入數據的完整合理、系統運行的有效掌控、孿生模型的有效驗證
- 物理孿生體的映射：對於複雜系統而言，必然是一個能表徵物理孿生體的全方位、全功能、全性能、全場景的映射
- 全生命週期：這裡的關鍵是全生命週期如何達成？
於是，我們就能看到數字孿生（Digital Twin）與基於模型的虛擬仿真有著本質的區別。同時，也能看到這個模型的建立過程和使用目的。從某種角度講，這是一個基於數字化，始終在迭代（驗證、完善）的模型構建過程，也是一個從簡要到成熟的模型成長過程，並最終是一個全自動運行的模型。
從上面可以看到，數字孿生（Digital Twin）實質是一個模型，那這個模型又如何應用呢？系統中有多少數字孿生（Digital Twin）、它們之間成什麼關係？如何運行併發生作用呢？
二、對數字進程（Digital Thread）的解讀
對於數字孿生（Digital Twin）的應用，涉及到另一個數字化過程中非常關鍵的概念——數字進程（Digital Thread），DAG同樣給出了相應的定義：
一個基於數字系統模型模板，具有可擴展、可配置和組件式功能的企業級解析架構。在系統的生命週期內為決策者提供訪問、集成不同數據並將其轉換為可操作信息的能力，無縫加速企業數據信息知識系統中權威技術數據、軟件、信息和知識的受控交互。
Digital Thread（DAG）
An extensible,configurable and component enterprise-level analytical framework that seamlesslyexpedites the controlled interplay of authoritative technical data, software,information, and knowledge in the enterprise data-information-knowledge systems,based on the Digital System Model template, to inform decision makersthroughout a system's life cycle by providing the capability to access,integrate and transform disparate data into actionable information。
這裡同樣有幾個關鍵點需要討論：
- 數字系統模型模板：模型實現的往往是一點上的功能，要讓整個系統基於模型跑起來，需要的是關聯架構和數據的驅動。對於信息化系統而言，就是採用模板，它描述了架構、定義了數據流向，並能在數據的驅動下自動、甚至智能地工作。它與數字孿生（ Digital Twin）一起形成了解析架構。
- 可擴展、可配置和組件式功能：根據系統的複雜性和數字化操作需求，模型將會在學科融合、過程集成、層次細化等多個維度上深化展開，形成衍生、分支和階段模型，這些模型需要關聯、互動，適應變更，實現靈活配置和重組等管理。在這裡，模型管理將是數字進程（Digital Thread）的一個重要工作內容
- 決策生成：基於數字孿生（Digital Twin）和數字系統模型模板（Digital System Model template）的決策，至少是智能輔助決策的，於是，知識的介入將是必不可少的
- 信息受控：數據/信息是整個系統運轉的驅動源，其受控應包括正實、肯定、正確、且被專業、規範地描述，在這樣的要求下，驗證和認證將是必不可少的
關於Digital Thread ，國內也有譯為數字主線，但從其工作實質來看，稱為數字進程（Digital Thread）應該更為貼切。
三、數字化操作和體系架構的構想
從上面對數字孿生（Digital Twin）和數字進程（Digital Thread）的討論來看，這是一個在知識體系/智能輔助下，由數據驅動的全新模型和運作架構，圖1對該架構進行了描繪和討論：
圖1數字孿生（Digital Twin）和數字進程（Digital Thread）使能機制
1. 數字孿生（Digital Twin）的構建
圖中左側給出了一個工作循環，從知識、認知、假設、建模、感知、驗證，最後通過知識工程提升並返回到“知識”，其實際上是一個數字化的建模和驗證過程，同時也是一個基於數字模型的迭代過程，最終將給出一個完善的，可重用的數字孿生（Digital Twin）模型。這個模型還可在數據驅動下自動運轉、實現快速變更控制及具有與其他數字孿生（Digital Twin）模型和數字進程（Digital Thread）的關聯集成功能。在這裡，可重用需要認證的確認，變更也許是數字孿生（Digital Twin）中最難處理的問題、而可關聯和集成是應用的基本需求
2. 數字進程（Digital Thread）的運作
從某種角度講，這是一個基於信息化的運作架構，形成一個用模板和數字孿生（Digital Twin ）組裝成了的運行結構和基於智能技術的使能機制。於是信息的輸入就能起到驅動的作用，這個驅動體現在隨場景的生成、模板的自動套用、決策的自動生成（或輔助生成），以及系統的自動迭代。這個體系可以是系統的，也可以是企業級的，對應企業級的就是基於模型的企業（Model Based Enterprise, MBE）,此時的數字孿生（Digital Twin）對應的已不僅實際物理對象，還可以是流程和方法。
3. 信息和知識系統（LOTIK）的支持
無論是數字孿生（Digital Twin）和數字進程（Digital Thread）都需要有一個強大的知識和信息系統的支持，特別是當這樣的數字系統藉助智能技術自動運作時，知識和信息的合理性和正確性就極為重要，此時，認證將是一個不可或缺的技術手段。
從美國國家標準與技術研究院（NIST）舉辦的關於MBD的技術研討中，我們可以看到一個詞“檔案信息系統（LOng Tern Archiving and Retrieval, LOTAR ）”，這是國際航空航天行業的一個專門文檔管理系統，美國和歐盟還專門構建了標準（EN 9300 / NAS 9300系列標準），主要用於業務、法律和認證，以及信息重用。所有信息都是經過認證處理操作後入庫並投入使用的。
類似的操作在數字化過程中同樣需求，但對於智能製造而言，它不僅是一個文檔系統，更應該是一個基於認證的信息和知識系統，這裡借鑑LOTAR中的LOng term, 稱為知識信息系統（LOng Term Information andKnowledge , LOTIK）,它將為數字孿生（Digital Twin）的設計、迭代和應用，以及數字進程（Digital Thread）的智能化運作提供全面支撐。
總之，數字孿生（Digital Twin）的建立和應用絕不簡單，數字進程（Digital Thread）更是下一代數字系統的運作架構和使能機制。而當LOTIK形成系統後，數字化系統才剛剛漸入佳景，製造的智能時代才真正來臨。
而對於企業而言，更新理念，用數字化的系統思維、先進的數字化工具，並從補齊數據開始才是正道，畢竟千里之行始於足下。
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