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智能制造:完整理解数字孪生(Digitl Twin)
2017-1-3  来源:转载  作者:赵敏
      
       
      中国发明协会常务理事,发明方法研究分会会长,国内著名创新方法专家、两化融合/智能制造专家,《三体智能革命》副主编,《走向智能论坛》核心专家赵敏教授
      
      数字孪生(Digital Twin),简称DT,自从概念诞生以来,如何准确地翻译这个词汇,成为了业界关注的焦点内容之一。往小处说,这是一个技术术语翻译的“信达雅”问题,往大处说,这是一个如何理解智能制造的实现机理之一的问题。笔者希望能借助此文,将个人思考的一些心得分享给读者。
   
      一、数字孪生的起源
    
      数字孪生到底是怎么发展出来的?尚无人给出详细的梳理。根据笔者30多年的制造业信息化经验和长期的观察与思考,大致认为数字孪生与计算机辅助(CAX)软件尤其是仿真软件的发展关系十分密切(详见笔者文章“数字虚体:推动软件定义世界”)。
    
      在工业界,人们用软件来模仿和增强人的行为方式,例如,绘图软件最早模仿的就是人在纸面上作画的行为。发展到人机交互技术比较成熟的阶段后,人们开始用CAD软件模仿产品的结构与外观,CAE软件模仿产品在各种物理场情况下的力学性能,CAM软件模仿零部件和夹具在加工过程中的刀轨情况,CAPP软件模仿工艺过程,CAT软件模仿产品的测量/测试过程,等等。
    
      在信息界,最早的模仿是模拟人脑的思考模式。冯•诺依曼的体系结构是把运算、存储与控制分开来进行,而人的大脑结构是运算、存储和控制一体化的,因此软件界人士不得不花费较多的时间和精力,用知识上更优化的算法和硬件上更快的芯片,来克服这种体系上的先天不足。这种对人脑思维的模拟导致了信息界人工智能学科分支的诞生。近些年新出现的神经突触芯片已经开始突破硬件结构限制问题。
   
      软件仿真的结果,最初是在数字虚体空间产生一些并没有与物理实体空间中的实体事物建立任何信息关联、但是画得比较像的二维图形,继而是经过精心渲染的、“长得非常像”某些实体事物的三维图形。
   
      近些年,当人们提出了希望数字虚体空间中的虚拟事物与物理实体空间中的实体事物之间具有可以联接通道、可以相互传输数据和指令的交互关系之后,数字孪生的概念就成形了。伴随着软件定义机器概念的落地,数字孪生作为智能制造中的一个基本要素,逐渐走进了人们的视野。
    
      二、“Digital Twin”原文出处
     
      Digital Twin这个英文术语的重点和难点在于对“Twin”的理解。
     
      根据目前所看到的资料,Digital Twin一词由美国密歇根大学的Michael Grieves教授,于2003年在他所讲授的PLM(产品生命周期管理)课程上引入,并且于2014年在其所撰写的“Digital Twin: Manufacturing Excellencethrough Virtual Factory Replication”白皮书中进行了详细的阐述。
     
      美国国防部、PTC公司、西门子公司、达索公司等都在2014年接受了“Digital Twin”这个术语,并开始在市场宣传中使用。需要指出的是,他们都是使用的“Digital Twin”,而不是“Digital Twins”。
    
      如果查词典,英文Twin的意思有如下选项:
    
      n.孪生儿之一,双胞胎之一;两个相像的人或物之一; 孪晶;双人床
    
      vt.使结成姊妹城市;使(两人或两事物)紧密结合;使偶合;使相连
   
      adj.成对的;成双的;双重的;双联的
     
      n.人名;(英)特温
    
      英文Twins的意思则是“双生子、双胞胎(twin的复数)”的意思。
    
      当然,英文的原意需要作为翻译为中文的参考,但是在翻译一个英文词汇时,对其所附加的前缀词、后缀词、应用场景、特殊用途、言外之意、拓展意思等,都应该加以统筹考虑。
    
      三、DT翻译结果的讨论
    
      任何一个重要的英文术语,在翻译成为中文的时候,都需要慎重考虑。不仅要翻译出来其准确的原意,更要考证其形成和应用的场景,这样才算是一个比较负责任的翻译结果。如果实在翻译不出来原文,就应该采用音译的方式暂时替代。现在翻译得比较失败的例子是“CPS(信息物理系统)”这个术语,因为CPS中的Cyber(赛博)并不是信息的意思,所以“信息物理系统”是一个不准确的翻译结果。笔者希望在DT的翻译上不要再重复CPS的翻译水平。
    
      现在对DT的翻译结果有很多,这些中文术语在含义上高度类似但是互有细微差别,个别翻译甚至差异较大。笔者逐一列出进行分析解读。
    
      数字镜像——几何镜像:在二维空间里,一个物体(或二维图形)在某平面镜中反射出来的虚像。镜像与原实物同样大小,但不尽相同。磁盘镜像:在数据管理中指保留数据完整特征的复制品。如果将二者的意思结合起来,是可以大致说明DT内涵的,但是有一点值得注意:镜像是左右或上下相反的对应关系。而DT并不完全是镜像的意思。
    
      数字映射——作为动词,映射一词既有照射的含义,也指“形成对应关系”的动作。作为名词,在数学上,映射指两个元素集之间具有元素相互“对应”的关系。PTC中国区技术总监纪丰伟博士说:“我们翻译Digital Twin的时候,感觉和照镜子类似,但也考虑到不可能完全一样。DT是要把关键的行为和形态映射出来,所以用了映射。”取其“形成对应关系”的“行为和形态”的意思,这个翻译结果是可用的。
    
      数字双胞胎——这是一个来自英文“Twins”的翻译结果。其实,无论是DT的创始人Michael Grieves 教授,还是三大工业软件公司,都是使用了“Digital Twin”而不是“Digital Twins”。从英文原意来看,似乎不应该把“Digital Twin”翻译成“数字双胞胎”。“双胞胎”是指同一母亲一胞所生的两个孩子,无论其相同或相像,都是指两个实体之间的对应关系。显然,DT并非是两个实体之间的比较,而是虚/实之间所具有的相像、相通与互动关系。
   
      数字孪生体——意思基本正确,数字孪生体就是物理实体在数字虚体中的精确映射结果。但如多一个“体”字,一是在翻译上略显不精简,二是有可能把人们最关注的虚实映射关系引导到了这个数字孪生体上,容易弱化虚实对应的关系。
   
      数字双生——基本意思类同“数字孪生”,较少使用。但是孪生与双生,毕竟有所不同。双生就具化到只有“两个”了。而孪生,则语义上更宽泛,未必是两个(例如一个实体事物对应两个或更多的虚拟事物)。这样为以后的词义拓展留下了空间。
    
      数字孪生——目前看来比较恰当的翻译结果。取Twin的“两个相像的人或物之一”以及“使耦合”的含义,本意就是在数字虚体空间中所构建的虚拟事物,与物理实体空间中的实体事物所对应的、在形态和举止上都相像的虚实精确映射关系。但需要指出的是,相像归相像,甚至虚拟事物看着就像真的实体事物一样,但是一实一虚,彼此在本质上不是一回事。这是理解该术语的关键点。
    
      由此,数字孪生、数字映射、数字孪生体、数字双生这四个翻译意思相近,都是可以接受的翻译结果。数字孪生和数字映射更为常用一些。数字镜像稍微有一点逊色。数字双胞胎则在原意上偏差大了一些。
     
      四、对DT术语的延伸理解
   
      为了准确理解DT这个术语,笔者与很多专家做过研讨,并经过了近一年的思考,在对DT的理解上延伸到了这个术语更为广泛的“知识场景”上。
   
      任何一个术语,在一个明确的字面意思的背后,其实都有其潜在的、不易见的、甚至是只能意会不可言传的知识场景。例如“创新”一词,不仅在定义上有20多个,人们对其的理解与解读,也是形形色色,千奇百怪。写一个术语容易,建立对该术语的共识(“共同的知识场景”)则很难。对DT的理解,也会大致如此。
    
      关于Twin所具有的“两个相像的人或物之一”的译意,其实还有一些可以辅助理解的词汇,例如复制、克隆、赝品、山寨等。
   
      如果使用“复制”这个词来对比Twin,显然有时序上的问题,Twin具有“同时生成”的意思,而复制是在看到一个物体并且了解了其各方面的特征数据后,以合法或非法的方式,重新制作了一个。像与不像,要看复制的“手艺”了,彼此并非双胞胎的关系。
    
      如果使用“克隆”这个词来对比Twin,也有时序上的先后。尽管克隆是一种生物复制技术,可以通过母体干细胞而培育一个与母体一模一样的生物体。但彼此不可能是双胞胎的关系。
    
      如果使用“山寨”和“赝品”来对比Twin,不仅有时序上的问题,还有法律上的著作权或专利权的问题。如前所述,在物理实体空间,如果复制一个物理实体,有做得像不像的“手艺”问题;在数字虚体空间,并无“手艺”限制,数字化的特性决定了人们可以随时随地来百分之百地复制一个数字虚拟事物(如三维设计模型、微信文章等),但是如果未经许可,则构成偷窃或抄袭。
   
      另外一个必须要考虑的问题,是物理实体和数字虚体的生命周期的问题。物理实体往往都是有年限的,有生命周期的,可以在本体上消亡的,因此,如果一定要使用实体化的“双胞胎”的概念,就难以避免这样的尴尬,双胞胎实体之一死了,另一个也就活不了多久了,因为谁都知道一对双胞胎彼此的寿命是差不多的。而数字化的虚拟事物,则可能远远超越它所对应的、具有数字孪生关系的物理事物,在数字虚体中实现永生——因为一旦把数据写入数字虚体(例如把数据发布或泄露到互联网上),基本上就是无法删除、长久存在的,更何况被人类作为智力资产而精心维护的所有的数字化虚拟事物(如数字化产品、管理数据等)。
   
      虚拟事物与实体事物之间的数字孪生关系如图1所示。
     
      
    
      图1  数字孪生示意图
     
      从图1可以清晰看出,“数”对“物”(虚体事物与实体事物)是数字孪生关系,“物”对“物”是物理复制或山寨关系,而“数”对“数”是数字镜像或拷贝关系。
    
      五、小结
    
      数字孪生所对应的英文是“Digital Twin”,而不是“Digital Twins”。“Digital Twin”应该译作数字孪生或数字映射更为贴切。
    
      数字孪生不是指在数字虚体空间中的两个一模一样的虚拟事物,那是数字拷贝或镜像。数字孪生是指在数字虚体空间中所构建的虚拟事物,与物理实体空间中的实体事物所对应的、在形态和举止上都相像的虚实精确映射关系。但需要指出的是,相像归相像,甚至虚拟事物看着就像真的实体事物一样,但是一实一虚,彼此在本质上不是一回事。这是理解该术语的关键点。

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