數(shù)字孿生與信息物理系統(tǒng)-比較與聯(lián)系

一、引言隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)進入了數(shù)字化時代。在數(shù)字化的背景下，全球制造業(yè)面臨著新的挑戰(zhàn)。在此背景下，德國、美國和中國相繼提出了工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等先進制造戰(zhàn)略，其共同目標是實現(xiàn)智能制造。智能制造可稱為“IntelligentManufacturing”或“SmartManufacturing”。作為人工智能（AI）和制造的結(jié)合，“IntelligentManufacturing”自20世紀80年代以來一直被研究者使用。然而，隨著AI逐漸演變?yōu)锳I2.0，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、信息物理系統(tǒng)（CPS）和數(shù)字孿生（DT）等智能技術(shù)逐漸在新一代智能制造（即“SmartManufacturing”）中占據(jù)中心位置。制造業(yè)正在從基于知識的智能制造轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)和知識雙驅(qū)動的智能制造，其中，“Smart”一詞是指數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和使用。因此，“SmartManufacturing”可被視為“IntelligentManufacturing”的新版本，它突出了使用先進信息和通信技術(shù)以及先進的數(shù)據(jù)分析。智能制造是指未來的制造狀態(tài)，是從整個產(chǎn)品生命周期中的數(shù)據(jù)實時傳輸和分析，以及基于模型的仿真和優(yōu)化來創(chuàng)造智能，從而對制造業(yè)的各個方面產(chǎn)生積極影響。信息物理融合是智能制造的重要前提。作為實現(xiàn)信息物理融合的首選手段，CPS和DT得到了學術(shù)界、工業(yè)界和政府的高度重視。CPS是一個集成了信息網(wǎng)絡(luò)世界和動態(tài)物理世界的多維復雜的系統(tǒng)。通過計算、通信和控制（3C）的集成和協(xié)作，CPS提供實時傳感、信息反饋、動態(tài)控制等服務(wù)。通過緊密連接和反饋循環(huán)，物理和計算過程高度相互依賴。通過這種方式，信息世界與物理過程高度集成和實時交互，以便以可靠、安全、協(xié)作、穩(wěn)健和高效的方式監(jiān)控物理實體。DT是與信息物理融合相關(guān)的另一個概念。DT是在虛擬空間中創(chuàng)建物理對象的高保真虛擬模型，以模擬其在現(xiàn)實世界中的行為并提供反饋。DT反映了雙向動態(tài)映射過程。它打破了產(chǎn)品生命周期的隔離，提供了完整的產(chǎn)品數(shù)字足跡。因此，DT使公司能夠更快、更準確地預測和檢測物理問題，優(yōu)化制造流程，并生產(chǎn)更好的產(chǎn)品。根據(jù)定義，CPS和DT都用于描述信息物理融合。但為什么兩個概念并行存在，為什么它們在不同的領(lǐng)域使用？它們之間的區(qū)別和相關(guān)性是什么？它們各自的側(cè)重點是什么？為了辨析CPS和DT之間的差異和相關(guān)性，本文從多個角度對其進行回顧和分析，包括其起源、信息物理映射、分層建模和側(cè)重點等。本文的其余部分按如下方式組織：第2節(jié)回顧了CPS和DT的起源和發(fā)展；第3節(jié)分析了信息世界和物理世界間的映射關(guān)系；第4節(jié)介紹了制造中的CPS和DT的分層模型；在第5節(jié)中，討論了兩者各自的側(cè)重點；然后在第6節(jié)中對CPS和DT進行了比較。二、CPS和DT的起源和發(fā)展如圖1所示，隨著傳統(tǒng)IT向新一代信息技術(shù)（NewIT）的演進，NewIT的低成本和先進功能對CPS和DT的出現(xiàn)和使用起到了重要促進作用。作為信息物理融合的首選方式，CPS和DT為智能制造的實施提供有效手段，能夠從根本上改變現(xiàn)有的制造系統(tǒng)和業(yè)務(wù)模式。

圖1.CPS和DT的起源和發(fā)展（一）CPS的起源和發(fā)展CPS源自嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用，可以追溯到2006年。美國國家科學基金會（NSF）的HelenGill用“信息物理系統(tǒng)”一詞來描述傳統(tǒng)的IT術(shù)語無法有效說明的日益復雜的系統(tǒng)。CPS隨后被列為美國研究投資的重中之重。在德國，CPS同樣被認為是工業(yè)4.0的內(nèi)核和基礎(chǔ)。毫無疑問，CPS可以帶來巨大的經(jīng)濟效益，并將從根本上改變現(xiàn)有的工業(yè)運營。然而，目前對CPS的研究主要集中在概念、架構(gòu)、技術(shù)和挑戰(zhàn)的討論上。與嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和其他技術(shù)相比，CPS更加基礎(chǔ)，因為CPS不直接涉及實現(xiàn)方法或特定應用。因此，正如NSF所言，CPS的研究計劃是尋找新的科學基礎(chǔ)和技術(shù)，CPS更側(cè)重科學研究。（二）

DT的起源和發(fā)展數(shù)字孿生一詞可追溯到由MichaelGrieves教授2003年在密歇根大學關(guān)于產(chǎn)品生命周期管理（PLM）的演講中提出的“物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化表達”。當時，由于技術(shù)的局限性和不成熟，幾乎沒有DT相關(guān)的研究或應用。為了解決日益復雜的工程系統(tǒng)問題，美國國家航空航天局（NASA）和美國空軍在航空器的健康維護和剩余使用壽命預測中應用了DT。目前，NewIT的發(fā)展正在催生DT的繁榮。由于DT開辟了一條物理活動與虛擬世界同步的新途徑，因此DT成為了一個熱門的研究課題。最近，DT被各個行業(yè)采用，包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)線設(shè)計、數(shù)字孿生車間、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、預測維護和運行狀況管理。美國通用電氣公司、德國西門子股份公司、美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）、法國達索系統(tǒng)公司、美國特斯拉公司等大型企業(yè)也將DT應用到工業(yè)實踐中，這些企業(yè)使用DT來增加其產(chǎn)品性能、制造靈活性和競爭力。DT的工程應用是普遍存在的。因此，從這個角度看，DT更側(cè)重工程應用。（三）小結(jié)從它們的起源和發(fā)展的角度來看，CPS和DT都受益于NewIT的進步，并幾乎同時出現(xiàn)。作為實現(xiàn)信息物理融合的有效手段，兩者都引起了相關(guān)領(lǐng)域研究人員和工業(yè)從業(yè)者的極大關(guān)注。但是，在工業(yè)實踐中，DT的應用更加廣泛，工程系統(tǒng)可以通過DT技術(shù)實現(xiàn)更高的精度和更好的管理。三、CPS和DT中的信息物理映射CPS被定義為計算和物理過程的集成。同時，使用物理系統(tǒng)的數(shù)字模型執(zhí)行實時優(yōu)化被稱為“數(shù)字孿生”。在制造中，CPS和DT都包括兩個部分：物理部分和信息部分。如圖2所示，物理部分由各種制造資源組成，可歸納為“人-機-物-環(huán)境”。制造活動由這些物理資源執(zhí)行。信息部分擁有各種無處不在的應用和服務(wù)，并融合了智能數(shù)據(jù)管理、分析和計算功能。服務(wù)和應用提供豐富的功能，能夠提高制造效率。物理部分感知和收集數(shù)據(jù)，而信息部分分析和處理數(shù)據(jù)，然后做出決策。通過這種緊密的聯(lián)系，信息部分可以影響物理過程，反之亦然。例如，在Wang等設(shè)計的Wise-ShopFloor中，信息物理交互為用戶提供了直觀的車間環(huán)境并進行實時監(jiān)控和遠程控制。由實時傳感器信號驅(qū)動的Java3D模型從不同角度為用戶提供可視化。授權(quán)用戶可以控制實際設(shè)備操作并查看受控設(shè)備運行時的狀態(tài)。

圖2.信息世界與物理世界映射（一）CPS中的信息物理映射CPS的本質(zhì)是使用與物理過程緊密交互的計算和通信向物理系統(tǒng)添加新功能。CPS通過3C之間緊密集成，為復雜系統(tǒng)提供實時傳感、動態(tài)控制和信息服務(wù)。與DT相比，CPS更強調(diào)信息世界的強大計算和通信能力，這可以提高物理世界的準確性和效率。此外，研究人員提出的所有CPS體系結(jié)構(gòu)無論是三層結(jié)構(gòu)、五層結(jié)構(gòu)，還是面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)都側(cè)重于控制，而不是鏡像模型。與DT類似，反饋循環(huán)在CPS中非常重要。信息和物理世界之間的相互映射、實時交互和高效協(xié)作支持CPS的功能。但信息系統(tǒng)可能會影響多個物理對象。例如，一個信息物理系統(tǒng)可能包含多個物理組件。因此，CPS的信息世界和物理世界之間的映射關(guān)系不是一對一的，而是一對多的對應關(guān)系。（二）DT中的信息物理映射DT的愿景是為組件、產(chǎn)品或系統(tǒng)提供全面的物理和功能描述。第一個也是最重要的步驟是創(chuàng)建高保真虛擬模型，以真實地再現(xiàn)物理世界的幾何形狀、物理屬性、行為和規(guī)則。這些虛擬模型不僅在幾何和結(jié)構(gòu)方面與物理部分高度一致，而且能夠模擬其時空狀態(tài)、行為、功能等。即虛擬模型和物理實體具有相似的外觀（就像孿生兄弟）和相同的行為（就像鏡像）。此外，數(shù)字環(huán)境中的模型可以直接優(yōu)化操作，并通過反饋調(diào)整物理過程。使用雙向動態(tài)映射，物理實體和虛擬模型共同演化。因此，DT的物理世界和信息世界之間的映射關(guān)系是一對一的對應關(guān)系。集成幾何、結(jié)構(gòu)、行為、規(guī)則和功能屬性的虛擬模型對應特定的物理對象。（三）CPS和DT中的控制控制的目的是使系統(tǒng)保持在可接受的正常運行水平，以應對干擾?？刂剖荂PS和DT的核心功能。CPS的信息物理交互至關(guān)重要。DT的虛擬模型和物理過程在產(chǎn)品或系統(tǒng)生命周期中共同演變。CPS和DT中的控制包括兩個部分：物理資產(chǎn)或流程影響信息表達，以及信息過程控制物理資產(chǎn)或流程。對于前者，物理世界是動態(tài)的，同一實體可能在不同的時間顯示不同的屬性。為了保持一致，使用傳感器收集來自物理世界的實時數(shù)據(jù)，并傳達到信息世界，以驅(qū)動信息元素與物理世界同步。特別是對于DT，物理實時數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬模型模擬物理過程及其演化。對于后者，信息世界使用感知數(shù)據(jù)來計算控制輸出并將其發(fā)送到執(zhí)行器進行物理實現(xiàn)。例如，通過數(shù)學模型和相關(guān)計算工具，可以預測未來狀態(tài)和故障，從而提前生成更好的服務(wù)和控制解決方案。通過信息物理交互，可控制消除某些干擾，包括意外和惡意威脅。（四）小結(jié)如上所述，CPS和DT都通過“狀態(tài)傳感、實時分析、科學決策和精確執(zhí)行”的閉環(huán)促進智能制造。然而，借助虛擬模型，DT提供了更加直觀和有效的手段。通過持續(xù)的數(shù)據(jù)集成，DT提供相關(guān)解決方案的能力被加強。如圖3所示，虛擬模型可用作補充以豐富CPS的組成和功能。因此，DT可被視為構(gòu)建和實現(xiàn)CPS的必要基礎(chǔ)。CPS和DT的組合將幫助制造商實現(xiàn)更精確、更好、更高效的管理。

圖3.DT和CPS的集成四、CPS和DT的分層模型智能制造是一個從設(shè)計到生產(chǎn)、物流和服務(wù)的價值創(chuàng)造過程，其中有多個主體參與。如圖4所示，從層次結(jié)構(gòu)的角度來看，CPS和DT可以按粒度分為單元級、系統(tǒng)級和復雜系統(tǒng)（systemofsytem,SoS）級。

圖4.CPS和DT的分層模型（一）單元級單元級是指參與制造活動的最小單位，如單一設(shè)備（如機床、機械臂等）、物料（如原材料和帶有RFID或傳感器的部件等），甚至是環(huán)境因素。這些生產(chǎn)要素構(gòu)成了單元級CPS和DT的物理部分。帶有傳感器、執(zhí)行器和嵌入式系統(tǒng)的機床可以被視為單元級CPS。通過數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理，單元級CPS可實現(xiàn)更高效、更具彈性的機器。單元級CPS和DT共享相同的物理對象。單元級CPS和DT都可以在信息物理交互過程中隨著物理加工、組裝和集成而發(fā)展。然而，對于單元級DT，它必須通過對幾何形狀、標識和功能信息以及單元級物理對象的操作狀態(tài)的描述和建模來形成。此外，由于DT更注重模型的構(gòu)建，包括幾何形狀模型、規(guī)則、行為和其他約束模型等，DT還可以進一步執(zhí)行高保真仿真。（二）系統(tǒng)級在單元級的基礎(chǔ)上，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，多個單元級CPS或DT互連和互操作，可實現(xiàn)更廣泛的數(shù)據(jù)流和資源協(xié)調(diào)。多個單元級CPS或DT的集成構(gòu)成了系統(tǒng)級CPS或DT。系統(tǒng)級CPS和DT生產(chǎn)系統(tǒng)可以是生產(chǎn)線、車間，甚至是工廠等?；凇案兄?分析-決策-執(zhí)行”的閉環(huán)，系統(tǒng)級CPS和DT可以實現(xiàn)制造資源的最優(yōu)配置，提高各種資源之間的協(xié)作效率。系統(tǒng)級CPS和DT具有相同的系統(tǒng)級物理制造系統(tǒng)（如生產(chǎn)線、車間、工廠等）。系統(tǒng)級CPS的信息部分與單元級CPS沒有太大差別。但是系統(tǒng)級DT的虛擬模型需要通過多個單元級模型的集成和協(xié)作來形成。此外，復雜產(chǎn)品可以被視為系統(tǒng)級DT。例如，對于由大量零部件組成的飛機，發(fā)動機數(shù)字孿生用于評估運行狀態(tài)，預測和診斷損壞，而機翼數(shù)字孿生用于評估飛行姿態(tài)。這些相關(guān)的數(shù)字孿生部分被組合以形成復雜的產(chǎn)品數(shù)字孿生。（三）SoS級在系統(tǒng)級的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建智能服務(wù)平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)級CPS或DT之間的跨系統(tǒng)互聯(lián)、互操作和協(xié)同優(yōu)化。在此級別，通過服務(wù)平臺，多個系統(tǒng)級CPS或DT形成SoS級CPS或DT

。與系統(tǒng)級CPS相比，SoS級CPS更注重企業(yè)級集成，甚至跨企業(yè)協(xié)作。企業(yè)協(xié)作將提供不同類型的協(xié)作應用，如商務(wù)協(xié)作、供應鏈協(xié)作、制造協(xié)作等。例如，生產(chǎn)、設(shè)計和服務(wù)公司之間的協(xié)作可以實現(xiàn)個性化定制、智能設(shè)計、遠程維護等。至于DT，仿真和從生命周期的一個階段到后續(xù)階段的無縫數(shù)據(jù)傳輸是核心。因此，SoS級DT是產(chǎn)品生命周期各個階段的集成。它將來自產(chǎn)品生命周期各個方面的數(shù)據(jù)整合在一起，這可能在各個生命周期階段甚至下一個生命周期中都很有用。SoS級DT為產(chǎn)品創(chuàng)新和質(zhì)量可追溯性奠定了基礎(chǔ)。例如，來自制造和維護階段的數(shù)據(jù)也可以幫助改進下一代設(shè)計。SoS級數(shù)字孿生不僅可以縮短設(shè)計周期，還可以大大降低時間和成本。（四）小結(jié)實施CPS和DT是一個長期的過程。根據(jù)層次結(jié)構(gòu)，CPS和DT可以分三個步驟實現(xiàn)。第一步是構(gòu)建單元級CPS和DT?；谠O(shè)備DT，可實現(xiàn)設(shè)備的智能監(jiān)控、智能控制、健康管理。第二步是構(gòu)建系統(tǒng)級CPS和DT。多個單元級可以形成系統(tǒng)級，從而實現(xiàn)智能生產(chǎn)。最后，根據(jù)單元級和系統(tǒng)級，實現(xiàn)了SoS級。五、CPS和DT的功能實現(xiàn)CPS和DT都旨在實現(xiàn)信息物理融合。然而，在進行功能實現(xiàn)時，它們各有側(cè)重。CPS將傳感器和執(zhí)行器視為主要模塊，而DT則采用基于模型的系統(tǒng)工程方法，強調(diào)數(shù)據(jù)和模型。CPS和DT都與NewIT密不可分，NewIT為CPS和DT提供了技術(shù)基礎(chǔ)。（一）CPS的功能實現(xiàn)CPS集成了3C技術(shù)，使物理流程具有精確控制、遠程協(xié)作、自主管理和其他功能。CPS與物理過程緊密耦合。智能來自數(shù)據(jù)。傳感器和執(zhí)行器與物理世界交互以進行數(shù)據(jù)交換是CPS最重要的功能。它們負責從物理機器和環(huán)境感知狀態(tài)，以及執(zhí)行控制命令。如圖5所示，通過分布在物理設(shè)備和環(huán)境中的多個傳感器，進行大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)采集（如材料屬性、實時性能和環(huán)境條件）和狀態(tài)標識，以實現(xiàn)使信息世界和物理世界之間的交互。通過信息世界的數(shù)據(jù)管理、處理和分析，基于預定義的規(guī)則和控制語義生成控制命令?？刂泼畋环答伣o執(zhí)行器，而后執(zhí)行器根據(jù)控制命令執(zhí)行操作并適應變化。數(shù)據(jù)和控制總線為實時通信和數(shù)據(jù)交換提供支持。通過傳感器和執(zhí)行器，物理過程的任何變化（如行為、條件或性能）都會導致信息世界的變化，反之亦然。因此，CPS的側(cè)重點是傳感器和執(zhí)行器。

圖5.CPS的功能實現(xiàn)（二）DT的功能實現(xiàn)DT的主要思想是為物理實體創(chuàng)建數(shù)字副本（即虛擬模型），以便通過建模和仿真分析來模擬和反映其狀態(tài)和行為，并通過反饋，預測和控制它們的狀態(tài)和行為。由于物理世界的狀態(tài)，行為和屬性是動態(tài)變化的，所以從產(chǎn)品設(shè)計開始到產(chǎn)品生產(chǎn)、服務(wù)不斷產(chǎn)生、使用和存儲各種數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生集成了全要素、全業(yè)務(wù)和全流程數(shù)據(jù)，以確保一致性。如圖6所示，集成幾何、結(jié)構(gòu)、材料屬性、規(guī)則和過程等的模型使生產(chǎn)系統(tǒng)和過程的數(shù)字化和可視化成為可能。結(jié)合數(shù)據(jù)分析，數(shù)字孿生使制造商能夠做出更準確的預測、合理的決策和智能的生產(chǎn)。此外，在模型和物理過程的共同演化過程中，模型也會生成新數(shù)據(jù)。這些模型用作通信和記錄機制，幫助解釋機器或系統(tǒng)的行為，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、經(jīng)驗和知識以及模型數(shù)據(jù)預測其未來狀態(tài)。因此，DT的側(cè)重點是數(shù)據(jù)和模型。

圖6.DT的功能實現(xiàn)（三）CPS和DT與NewIT的集成目前，NewIT還沒有通用的單一定義。NewIT可以看作是工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成。NewIT既是信息技術(shù)的縱向升級，也是信息技術(shù)與不同行業(yè)和領(lǐng)域的橫向整合。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能是NewIT的核心元素。在制造業(yè)中，由于數(shù)字化，制造資源會產(chǎn)生大量的各種數(shù)據(jù)（圖7）。通過物聯(lián)網(wǎng)可以實時收集數(shù)據(jù)以進行存儲和計算。通過統(tǒng)一調(diào)配計算和存儲資源，云計算可以有效地滿足數(shù)據(jù)計算和存儲的需求，而大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效地挖掘隱藏的有用信息和知識，從而提高智能，更好地滿足動態(tài)服務(wù)需求。因此，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能在NewIT中扮演著重要的角色。

圖7.工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成NewIT的進步對CPS和DT產(chǎn)生了深遠的影響。首先，CPS與NewIT密不可分。物聯(lián)網(wǎng)和基于云的制造可被看作是制造中的特殊CPS；當在CPS中應用時，大數(shù)據(jù)更有意義。Wan等認為通過引入更智能、更具交互性的操作，CPS是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下嵌入式計算系統(tǒng)的演變。集成了云的CPS可以實現(xiàn)以前無法實現(xiàn)的應用，以滿足工業(yè)4.0的要求。人工智能使整個系統(tǒng)變得智能，允許它“像人一樣思考”和“像人一樣行動”。至于DT，它被認為是管理工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一種新方式。將云技術(shù)集成到DT中，對于確保存儲、計算和通信的可擴展性具有重要意義。大數(shù)據(jù)分析、人工智能和相應的算法也被視為DT的重要基礎(chǔ)。在多個DT潛在應用探索中，NewIT也起著重要的作用。與CPS相比，DT在集成NewIT時更快、更方便。例如，許多公司在其DT應用中添加了NewIT，包括美國通用電氣公司、德國西門子股份公司、PTC、法國達索公司和美國特斯拉公司。（四）小結(jié)CPS和DT的功能實現(xiàn)旨在賦予物理過程更高的效率、彈性和智能。鑒于它們各自的側(cè)重點（即CPS中的傳感器和執(zhí)行器以及DT中的模型和數(shù)據(jù)），CPS和DT具有不同的應用重點。但是，兩者都必須與NewIT集成。六、CPS和DT的對比分析從廣義