以下文章來源於數字孿生體實驗室 ，作者邢軍
作者：邢軍丨來源：數字孿生體實驗室 本文經授權轉載發布
摘 要：
本文從詳細分析數字孿生根本概念入手提出構建數字孿生業務的理論體系——基於模型的體系工程MBSoSE，提出基於此理論的數字孿生業務架構，並進一步給出實現此業務架構的數字孿生軟體產品架構。基於所提出的業務架構，在數字孿生應用和發展的三維範式框架下，以工業應用場景為例進行了分析。
視頻主題：數字孿生是基於模型的體系工程
分享人：安世亞太戰略及合作副總裁邢軍
關鍵詞：數字孿生、基於模型的體系工程MBSoSE、綜合建模、廣義仿真、業務驅動、模型驅動、數據驅動
隨著新一代通信技術以及物聯網、雲計算、大數據、人工智慧等新一代IT和OT技術的發展和廣泛應用，作為以上技術集大成者的數字孿生技術，正代表著數位化轉型和智能化升級的實現途徑，在工業、城市、軍事等眾多領域得到了迅速廣泛地應用，且發展方興未艾。
由於數字孿生涉及到的技術內涵、業務邏輯、應用體系等方面相對繁複，能否快速地對這一領域有一個全面且體系的認知，本文試圖就此做一嘗試。
首先從一個簡單問題開始：到底什麼是數字孿生？
數字孿生是體系級的
虛實映射
數字孿生是什麼？這裡先給出一個最簡單的描述：數字孿生是體系級的虛實映射。
先看一下虛實之間到底在映射什麼？在這裡物理世界作為基礎和前提條件，首先就需要有一個針對這個物理世界的業務目標，基於業務目標來構建數字孿生體，這是數字孿生存在的價值基礎。
例如，我們要對一台裝備的運行過程狀態進行監控，並依據它的健康狀態預測進行維保及生產排程，那我們就需要建立一個基於該裝備PHM（故障預測和健康管理）模型的數字孿生體及應用。也就是說，基於要預測該裝備的健康狀態這個業務目標，我們需要建立該裝備的數字孿生世界，並在數字世界中構建對應業務目標的模型和模型組合，通過該裝備物理實體和孿生世界的數據傳輸，實現模型的融合與演進來描述、指導、預測甚至是控制裝備物理實體，這就是數字孿生的本質。
對上例做個總結：數字孿生體是物理實體的虛擬映射，不僅能夠實時反映其各種真實狀態，而且能夠有效預測其未來趨勢。同時，數字孿生體也能生成反饋控制信號，對真實物理實體進行實時驅動控制和持續優化改進指導。數字孿生是綜合運用智能感知、計算、數據建模等信息技術，通過軟體定義，對物理空間進行描述、診斷、預測和決策，進而實現物理空間與虛擬空間的交互映射。
這其中，數據是基礎、模型是核心、軟體實現是載體。數字孿生是體系級思維的體現，實體產品在物理空間中產生互相作用，虛擬產品在虛擬空間中表現為模型的動態融合和互動共智演化。
數字孿生技術最早是在1969年被NASA應用於阿波羅計劃中，用於構建航天飛行器的孿生體，反映太空飛行器在軌工作狀態，輔助緊急事件的處置。美國國防部高級研究計劃局DARPA於2009年首次提出數字孿生體（ Digital twin）概念，之後美國空軍研究實驗室（AFRL）和NASA迅速成為數字孿生體的擁躉。AFRL在2012年啟動了「機身數字孿生體」工程驗證項目，NASA則在未來技術規劃中提出要在2027年實現數字孿生體。
我們可以用孿生體成熟度、孿生體時間和孿生體空間來觀察、評價數字孿生體發展及應用水平，構建數字孿生體三維發展範式矩陣，如下圖所示。在成熟度維度，安世亞太率先提出了數字孿生體「數化、互動、先知、先覺、共智」五級成熟度進化模型。
數字孿生(體)深度拆解
承接著第一章的論述，通過下圖我們再進一步深入底層邏輯，一步步拆解看透數字孿生(體)。
如上所述，數字孿生體是基於一個物理實體建立一個孿生體對象，二者依業務目標起始驅動和價值實現，即上圖中所描述的用途：針對業務目標進行數字孿生體的構建。構建的數字孿生體包含基礎和擴展兩個層面。
基礎：
指對象在業務活動中演化的數位化表達。
結合上圖左下角的三維坐標系能夠看到：不同類別的業務對象在不同的業務場景活動中、基於時間維度的發展演化，整個過程中通過對應業務目標的不同模型和模型組的融合與演進來進行數位化表達，這就是數字孿生體的本質基礎。
擴展：
指基於業務需要的深層次知識獲取與表達。
數字孿生體的基礎是針對用戶的業務目標在數字世界中進行綜合建模並給出對實體世界的描述、預測乃至控制，而面對在數字世界推演出來的孿生結果需要針對用戶進行顯性化和知識化的封裝與呈現，讓數字孿生體的用戶能夠理解和可以復用。舉一個相關例子便於理解：雖然用戶不一定能理解為什麼啤酒與尿布就近放置能夠增加超市銷量，但並不妨礙把它當做一條知識作為超市理貨規範而推廣復用。
第一章我們提出了數字孿生是體系級的虛實映射，至於為什麼是體系闡述到這裡可以說清了。在圖中(孿生)對象的維度可以看到，實際應用中數字孿生體的對象有不同的類型和層次，如實體、功能、行為模式等等。例如當對象的應用深度從零件到部件到組件直至整機，這已經到達系統級了——可用MBSE（基於模型的系統工程）來描述和解決相關問題。然而實際的應用需求並不會止步於此：基於多台整機構成的整個生產線，由多條生產線及包括人機料法環測(5M1E)環境構成的整個工廠，甚至城市、戰場等等，這已經遠不是系統工程所能夠描述和解決的場景了，因而我們需要進入更高一級的應用範疇，即體系工程（系統的系統SoS）。
因而與此對應的，數字孿生體也必須是對一個體系(SoS)的映射，我們可依應用的技術和對應的成熟度從三個層次對數字孿生體進行表徵，如上圖：
- 基礎級是實體快照：在數字孿生體中映射實體對象的系統構成和行為狀態，技術支撐以系統建模為主，實現的成熟度為1-2級即數化和互動。
- 當業務目標需要數字孿生體擴展到精確性程度予以支撐，在此層次要進行較精確的機理建模和仿真，成熟度等級3即先知。
- 對應業務目標更高的要求，需要進行數據建模以及整體的系統仿真，並對結果進行知識的體系化與封裝，支持用戶體系從知識向智慧的進化。對應的成熟度4-5級即先覺到共智。
數字孿生體的三級層次匯總了不同的技術體系、各類建模手段，以數字孿生體的各層次構型對應著其應用成熟度從第一級到第五級的進化，因而可以說，數字孿生是一個綜合技術集成體。
體系工程的產生背景以及
與系統工程之間的關係分析
第二章論述了數字孿生是對體系工程應用的映射，這章對體系工程的背景及與系統工程的關係略作闡述。
90年代的海灣戰爭拉開了現代化戰爭的序幕，也讓美軍認識到聯合作戰對於提升作戰能力的重要性。裝備的研製過程通常使用系統工程方法來組織和管理，美國國防部在組織聯合作戰裝備研製過程中發現，傳統的系統工程方法已無法滿足，需要用一種新的概念來描述聯合作戰系統，這就是體系（System of Systems，SoS），而體系研製的工程過程也應該有相應的工程方法與之對應。
所以美國國防部在一些學者研究成果的基礎上，結合多個聯合作戰系統開發的實踐經驗，於2004年推出了體系的工程指南（Systems Engineering Guide for Systems of Systems，SoSE），作為美軍聯合作戰體系開發和裝備研製過程的工程指導。
該體系工程指南提出了傳統系統工程之外的7個核心要素和過程。隨後體系工程在美國陸軍作戰指揮系統、空軍作戰重心（AOC）武器系統、彈道飛彈防禦系統（BMDS）、空軍分布式通用地面系統（DCGS）、國防部情報信息系統（DoDIIS）、未來作戰系統（FCS）、軍事衛星通信（MILSATCOM）、海軍一體化火控-防空（NIFC-CA）系統、太空雷達系統（SR IPO）、戰區聯合戰術網絡等聯合作戰項目中開展了大量的應用與驗證。
與傳統的系統工程理論相比，體系工程在分析和解決不同種類的、獨立的、大型的複雜系統之間的相互協調與相互操作問題時更具有針對性。體系工程是對系統工程的延伸和拓展，它更加關注於將能力需求轉化為體系解決方案，最終轉化為現實系統。
通過上述圖中，我們可以看出體系工程以解決體系的構建與演化問題為目標，其研究對象是體系，區別於系統工程所針對的簡單系統對象，在過程原理上兩者間存在本質的差異。體系工程過程存在需求分析循環、設計分析循環與設計驗證循環，除此之外，還存在對體系環境與邊界能力的分析。體系環境與邊界能力分析同需求分析循環、設計分析循環和設計驗證循環並行進行，體系工程4個方面的過程分析通過體系分析與控制活動進行平衡，通過平衡找到體系設計的合適的方案。
數字孿生是基於模型的
體系工程MBSoSE及其業務架構
、
基於上述分析，到這裡可以得出本文的主題：「數字孿生是基於模型的體系工程MBSoSE」，並基於此進一步提出了我們的數字孿生業務架構，包括如下四個維度：
1）首先是基於業務場景化的定義，即必須是業務目標驅動的數字孿生；
2）然後通過不同的模型和模型組構建對應業務目標的數字孿生體；
3）接著經由與實體世界的數據傳輸通過多輪數字孿生體模型的融合與演進，對實體世界進行描述、預測甚至控制，實現業務目標；
4）最後把數字孿生體動態融合演化和預測的孿生結果封裝成用戶能夠接受和可以復用的知識體系，實現智慧表達並形成一個完整的數字孿生業務閉環。
在此業務架構中，其實際應用環節還包含了兩次降維和一次升維過程，而這也是傳統的信息化和時下的數位化本質差別之一。
1）最初是基於用戶的業務驅動來描述業務場景和形成數字孿生體的，但由於用戶的業務目標是複雜的，所以我們需要先把複雜的業務目標通過模型和模型的組合來形成數字孿生體，實現從業務驅動到模型驅動的第一次降維；第二次是將模型驅動降維成數據驅動，通過實際的數據用仿真推演給出用戶業務目標的分析結果。於用戶而言，紛繁複雜的數字孿生的業務、技術、架構等等難題全部包含在黑盒裡，通過兩次降維過程，僅僅依據業務目標和實際數據，就可以達成業務價值，這是降維的化繁為簡。
2）一次升維過程指的是通過兩次降維過程獲得的數字孿生體的分析結果，以用戶所能接受和理解、可以復用的知識體系，通過知識結構化的融合與表達，形成智慧的應用，這是升維的聚水成涓。
3）最終通過這兩次降維和一次升維過程，經由數字孿生過程實現了業務的完整閉環，展示了數位化的價值邏輯。
通過下圖所示的工業體系場景，再來梳理一遍數字孿生的業務架構，同時也體會一下數字孿生是基於模型的體系工程。
從上圖中我們可以看到，該場景包含了從組件到系統、到體系，不同對象並對應著不同的業務目標——也就是業務驅動，數字孿生實現從業務驅動降維到不同的模型來支撐，也就是模型驅動。進而到再往下降維到數據驅動，就可以通過收集和獲取到的不同數據及數據組合，驅動模型的實例化，並通過模型實例化預測出結果，來實現具體的業務目標。所以通過綜合建模和廣義仿真，實現從數據到模型，從模型到業務價值，完整的數字孿生體構建就是一個體系工程的實現。
至此我們通過一步步推導，提出了數字孿生是基於模型的體系工程MBSoSE的核心概念，而其實質就是通過綜合建模和廣義仿真構建數字孿生體，來實現用戶的業務目標與價值。
數字孿生的產品架構
基於對上述數字孿生業務架構的實現，我們進一步給出安世亞太從業務視角透視的數字孿生產品整體架構，從下到上共分為四層：
1）第一層是數據源，包含了數字孿生體構建所需要的IT和OT數據；
2）第二層是統一數據管理平台，通過數據匯聚平台工具將所有的數據源匯聚起來進行統一的數據治理和大數據處理；
3）第三層是產品架構的核心層，主要包括兩個核心的數字孿生產品平台：
一是綜合建模平台，它支撐各種不同方法、不同維度包括機理建模、數據建模和體系統建模等各類建模技術，也包含不同的模型算法，通過可視化的建模過程，實現數字孿生的快速構建和部署。
第二是模型調度和運行平台，也是我們的Model OS模型作業系統，支持用戶將各種模型進行融合和演進，並通過數據的實例化進行廣義仿真及給出相應的運行結果。
4）最上層是各類業務平台，通過產品核心層的綜合建模和廣義仿真給出的最終運行結果，採取知識化的封裝形式傳遞至各類業務系統，以實現用戶業務的智慧化應用。
以數字孿生體三維體系發展範式
看工業領域的應用
在第一章節提出的數字孿生體三維發展範式矩陣中，以工業數字孿生應用為例做些簡要分析。
上圖所示的是孿生體時間維度的展開，以民用飛機的應用為例，我們可以看出數字孿生的應用，從最前端的設計研發至生產製造、測試驗證，直到最後的報廢回收，覆蓋了產品的全生命周期過程。
在每個過程階段，可以看到數字孿生體應用在該過程階段的業務目標是什麼？需要構建什麼樣的孿生體模型來支撐？需要匯聚什麼樣的數據，才能最終得到該過程階段業務目標驅動的結果。同時我們也可以發現，現階段整個產品全生命周期各過程階段的數字孿生都有了逐步的應用，並且會越來越多，未來會構成一個閉環，從而整體提升產品的研製水平。
再以上圖為例，進行孿生體空間維度的展開。從飛機的部件，到不同整機的系統，再到航空公司層級的體系，不同層次對象的數字孿生體對應不同的業務目標，比如部件故障預測、裝備的OEE，航空公司降低運維成本等；從最右側的業務驅動往左側降維到了模型驅動，進而降維至數據驅動，用不同的數據來支撐實現不同的業務目標。
而孿生體成熟度維度含在了時間、空間兩維應用中了，因為不同業務對象的不同業務目標是對應著不同的數字孿生體成熟度等級。
在工業領域的體系化應用和工業客戶所關注的業務目標中，還可以有一個不同的關注維度，即工業場景常提到的人機料法環測（5M1E）。雖然5M1E的應用場景在三維發展範式矩陣中基本能夠被覆蓋，但面對工業用戶從5M1E這六個維度入手的業務目標更能體現工業企業運營和產品持續改進需求，也更容易瞄準數字孿生體在工業領域的應用價值，因而如下圖所示，我們也列舉出了針對場景的業務驅動。
結論與未來展望
綜上所述，數字孿生作為基於模型的體系工程，將持續動態改進物理世界和數字空間的交互與融合，在眾多領域具有廣泛應用的潛力，其應用與價值的展現才剛剛開始、方興未艾。安世亞太將會持續優化數字孿生業務、產品和技術體系架構，構建合作夥伴生態，並在工業製造、智慧城市和國防領域的數位化轉型與升級過程中貢獻自己的力量。