数字孪生体(Digital Twin)是谁提出的?

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2018-07-09 来源:工业互联网沙龙

    工业互联网的基础模型和技术依托于数字孪生体(Digital Twin),虽然这个概念产生于军事领域,但很快得到了领先工业企业的认同,并投入大量资源做研究,其中,美国通用电气和德国西门子最为积极。不过,由于这个概念比较新颖,同行业人士了解的不多,有必要通过追根溯源的方式做一个介绍。
    从可以找到的书面证据来看,2011年3月美国空军研究实验室(AFRL,Air Force Research Laboratory)做的一次演讲,明确提到了数字孪生体,是最早的提出机构。

图1


    据有限的资料显示,美国国家航空航天局(NASA,National Aeronautics and Space Administration)也在同期开始关注数字孪生体,但后续对数字孪生体体系的构建贡献并不多,反而是美国国防部立刻意识到数字孪生体是颇具价值的工程工具,值得全面研发。与此同时,美国通用电气在为美国国防部提供F-35联合攻击机解决方案的时候,也发现数字孪生体是工业数字化过程中的有效工程工具,并开始利用数字孪生体去构建工业互联网体系。
    在2015年,工业4.0研究院已经对德国工业4.0有了非常深入的研究,开始发现信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)不如美国工业互联网联盟(IIC,Industrial Internet Consortium)采用的数字孪生体有效,为了加深对数字孪生体的理解,工业4.0研究院启动了“数字孪生体概念及历史”(Concept and Origins of Digital Twin)的研究课题。
    与国内初步接触数字孪生体的行业人士一样,工业4.0研究院首先接触到的是美国研究教授(Research Professor)Michael W. Grieves在2014年撰写的Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication,虽然Grieves强调这是一份白皮书,但实际上只有6页多的正文文字,总计字数约为3000英文单词。工业4.0研究院还发现,Grieves在2008年也发布了Product Specification Management (PSM): Enabling Manufacturing Quality,同样把这份正文内容只有4页多的文章称为“白皮书”(Whitepaper)。

图2


    在Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication这篇文章中,Grieves明确指出,他在2003年密歇根的高管培训上提出了(was introduced)物理产品的数字等同体或数字孪生体概念。这个声明被国内一些专家认为是Grieves首先提出数字孪生体概念的证据。
    可是,在2014年发布的文章中,“追溯”自己10多年前就有此想法恐怕难以让人认同,如果还毫无书面证据称自己是概念提出者,就更难具有说服力了。
    事实上,如果我们多花一些时间去看看Grieves写的其他文章,例如,Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems,在这篇文章中,Grieves似乎不太强调自己是提出者(introducer),他开始谨慎的提出数字孪生体的概念可以追溯到(dates back)自己2002年在密歇根大学PLM中心对产业界做的一次演讲。
    虽然工业4.0研究院项目组阅读了几乎所有可以找到的数字孪生体文章、报告及演讲资料,但都没有发现有确凿的证据可以表明Grieves首先提出数字孪生体概念。即便是Grieves的友好单位美国国家航空航天局,在提到数字孪生体的时候,也没有提及是Grieves首次提出该概念。
    对于数字孪生体概念的提出,工业4.0研究院项目组找到了一份2011年3月的演讲资料,其题目就是Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin,演讲人是Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel,他们就职于美国空军研究实验室结构力学部门(Structural Mechanics Branch)。

图3


    从演讲资料可以看出,美国空军研究实验室希望利用数字孪生体这个概念来解决战斗机机体(Airframe)的维护问题,这也是当时美国国防部正在进行的一个项目——基于状态的维护+(CBM+,Condition-based Maintenance Plus),而美国空军研究实验室希望实现飞机的维护可以数字化,数字孪生体被寄予达到该目的的创新工具。
    至此,对于谁首先提出数字孪生体这个概念,应该有基本的判定,目前没有任何书面证据显示Grieves提出了数字孪生体这个概念,而且,正式对外公开的资料显示,美国空军研究实验室在2011年3月提出了数字孪生体这个概念。
    在与国内外一些专家交流数字孪生体这个概念起源这个问题时,工业4.0研究院发现即便按照Grieves勉强称自己是发现数字孪生体的基本作用,也是难以得到支持的。
    一直以来,Grieves主要围绕产品生命周期(PLM,Product Lifecycle Management)在做一些工作,但从他各种研究成果来看,他主要强调的是通过数字化来实现可视化,这一点跟海尔强调的透明工厂如出一辙。毫无疑问,利用数字化实现管理现场的透明化,或者实现产品生命周期的透明化,是有意义的,但不是数字孪生体的全部。
    对比美国国防部利用数字孪生体的情况,它首先对应的就是基于状态的维护+(CBM+),这就是说,美国国防部把数字孪生体看成降低维护成本、提高维护效果的工具,这跟后来美国通用电气的资产性能管理(APM,Assets Performance Management)是一致的。
    由此可见,国内一些专家强调数字孪生体的仿真功能,是与其产生初期的核心价值不同的,简单把数字孪生体理解为建模、仿真甚至于CAD等,过于简单的理解数字孪生体的含义,这对于中国制造业转型升级,利用数字孪生体来实现工业互联网是不利的。
    希望通过本文的介绍,可以帮助行业人士更好理解数字孪生体的渊源、历史和价值,从而进一步推动中国工业互联网创新发展。

 

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