数字孪生平台
- 开放架构的价值
- 数字孪生体和信息物理系统的对比
- 对于数字孪生体的开放架构特点
- 数字孪生体参考架构主要分为两部分
平台生态是数字经济的典型特征,由于数字技术具有网络效应,通过自建或参与数字平台,已成为所有数字技术企业必然的选择。作为新一代数字技术,数字孪生体的核心技术自然少不了平台生态,而且数字孪生体平台具有与其他平台不同的特征,体现了物理世界和数字空间交互的核心价值,成为实体经济数字化转型必须关注的领域。
2002年,安娜贝拉·加威尔(Annabelle Gawer)和迈克尔·库苏麦诺(Michael Cusumano)联合撰写了《平台领导:英特尔、微软和思科如何推动行业创新》(Platform Leadership: How Intel, Microsoft and Cisco Drive Industry Innovation),阐述了硬件和软件产业的平台化发展策略。两位作者在2018年又联合戴维·约菲(David Yoffie)围绕平台再次撰写了《平台业务:数字竞争、创新和力量驱动的战略》(The Business of Platforms: Strategy in the Age of Digital Competition, Innovation, and Power),指出平台分为创新平台、交易平台和混合平台,2002年所写的主要是创新平台。
从经济学来说,平台是一种双边市场,即为一种有间接网络效应的市场,在这样的市场中,某个群体的使用者的效用会受到另一个群体使用者的影响。该经济学理论成为平台战略的基础,诸如英特尔、微软、谷歌和通用电气等知名企业的案例吸引了不少企业自建或加入数字平台。
数字孪生体平台作为数字孪生体核心技术之一,是数字孪生体产业专业化分工的产物。通过集中投入建设数字孪生体平台,可以解决实体产业困惑已久的数字化挑战,给第三方企业参与数字化转型提供了较低成本的解决方案。虽然数字孪生体平台的价值众所周知,但要成功建设并运营该平台,的确不是一件容易的事情,需要遵循平台生态演进的基本规律,发挥企业家精神,实现数字孪生体行业的颠覆性创新。
所幸数字孪生体产业化起步不久,传统的制造业、仿真、物联网和人工智能等企业还处于能力构建阶段,目前还没有公认的行业龙头,只要敢于创新并具有强大的执行能力,所有关注数字孪生体行业的企业都有成为数字孪生体行业翘楚的机会。
开放架构的价值
行业内对数字孪生体和信息物理系统之间的关系一直存在疑虑,部分行业专家认为两者是一回事,只是称谓不同罢了,但深入研究数字孪生体之后,大部分专家会发现,从技术本质来看,两者具有较大的差异。作为不过十年时间的概念体系,数字孪生体的工程实现为基于模型的系统工程,但信息物理系统在2006年提出之后一直与嵌入式系统息息相关。
信息物理系统由美国科学基金会在2006年提出,2011年被德国工业4.0工作小组引入到工业4.0体系中,成为其技术基础。我国从2015年开始关注信息物理系统在智能制造技术体系中的地位,并由工业和信息化部下属研究院开始相关研究。中国电子技术标准化研究院(工信部电子四院)2017年发布了《信息物理系统白皮书》,给出了信息物理系统的定义,强调“集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术”,这体现了传统嵌入式系统所承载的核心功能。
由于数字孪生体相关研究较为系统、成熟,其通用目的技术的特性开始被认同,部分行业专家开始利用数字孪生体来解释信息物理系统,其中就包括德国工业4.0平台和中国电子技术标准化研究院。后者指出,“将物理空间设备、产线、工厂等物理环境以及‘研发设计—生产制造—产品服务’等业务环节,在信息空间相对应地构建起数字孪生设计、数字孪生工艺、数字孪生流程、数字孪生生产线、数字孪生产品等,实现生产全生命周期流程在信息空间的数字孪生重构”。由此可见,数字孪生体在制造业的生命力很强,已成为其他概念体系的基础。
数字孪生体和信息物理系统的对比
数字孪生体被其他概念体系借用,展现了其通用目的技术之价值,但同时也给人们认识它带来了一定的混乱。数字孪生体之所以可以作为其他概念体系的基础,是因为它自身的开放架构要求有足够的抽象度,这样才可能有广泛的应用场景,诸如信息物理系统、智能制造、工业互联网等核心应用行业,可以称为数字孪生体的典型应用。
对于数字孪生体的开放架构特点
,可以类比个人电脑。IBM为了应对苹果等专有架构电脑给自己在信息技术领导地位带来的挑战,采取了开放架构方式,并让大量电脑制造商生产兼容的个人电脑,从而开创了个人电脑新时代,产生了英特尔和微软的联盟。美国国防部曾经希望利用个人电脑的开放架构,挑战德国和日本在工控系统的领导地位,在1989年启动了“下一代控制器”计划,其核心思路就是采取分层的架构,包括硬件、操作系统、输入输出服务、表示层、数据管理、几何模型服务、通信服务和通用执行环境等。
从技术上来看,美国国防部设计的开放架构工控系统拥有个人电脑的核心模块:硬件、操作系统和平台服务,前两项模块相差不大,包含输入输出服务、表示层、数据管理、几何模型服务、通信服务的平台服务与我们提出的数字孪生体平台有异曲同工之处。
通用执行环境的核心目的是为了隔离复杂的硬件操控功能,从而较大程度地降低开发者进一步创新的成本,这正是通用目的技术的一个基本要求。任何通用目的技术如果不能通过先导性行业验证和经验积累来降低研发成本,那么它很大程度上仍然是“非标”技术,除了可以解决问题之外,该技术并不具有变革性。
在建设数字孪生体平台的实践中,翼络数字设计了一个通用架构,分为数字孪生化、数字孪生体平台和数字孪生体应用三个层面。第一个层面是数字孪生化,其目的是为了构建物理世界和数字空间的数字表达,这为数字孪生体平台赋能提供了基础;第二个层面为数字孪生体平台,它主要根据不同行业的实际情况,提供通用能力,主要包括大数据分析、人工智能等方面的应用;第三个层面为数字孪生体应用,在制造业主要体现为工程设计、健康监测、实时控制、预测性维护和离线分析等。
数字孪生体参考架构主要分为两部分
一部分为数字孪生化所代表的硬件映射,这类似于个人电脑的操作系统核心,即对硬件的驱动程序控制下的交互,它的性能指标表现为“精度”;另一部分为数字孪生体平台和应用,它们构成了应用环境和能力,由于其开放架构的特性,除了企业内部可以在数字孪生体平台上开展应用外,外部经过认证的第三方力量也可以参与数字孪生体应用开发。