楊連臣， 白碩瑋， 呂虹朋

（1.西人馬科技（深圳）有限責(zé)任公司， 廣東 深圳 518000； 2.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266100）

0 引言

從學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對 “工業(yè)4.0” 的論述可以看出，“物理信息融合”為其核心技術(shù)要素，“智能制造”是主要的生產(chǎn)力變革表征[1-3]。 其中，在系統(tǒng)維度中主要是構(gòu)建“信息物理系統(tǒng)”以形成數(shù)字虛擬空間，需要通過數(shù)字孿生技術(shù)將物理世界中的生產(chǎn)對象轉(zhuǎn)化成虛擬空間中的數(shù)字孿生體。 本文中數(shù)字孿生的含義包含數(shù)字孿生體及產(chǎn)生和呈現(xiàn)其相關(guān)的技術(shù)。 數(shù)字孿生是伴隨著信息技術(shù)發(fā)展到一定階段而產(chǎn)生的更高級別的信息應(yīng)用， 它可以更全面、更徹底地實(shí)現(xiàn)人與物理世界的交互，帶有一定的復(fù)雜性和持續(xù)性[4-7]。

從學(xué)術(shù)理論的角度追溯，數(shù)字孿生思想是由密歇根大學(xué)的Michael Grieves 命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變?yōu)椤皵?shù)字孿生”這一術(shù)語。 2011年，Michael Grieves 教授在《幾乎完美：通過PLM 驅(qū)動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》給出了數(shù)字孿生的三個組成部分：物理空間的實(shí)體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品、物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口[8]。

在當(dāng)今的數(shù)字化世界演化中， 數(shù)字孿生技術(shù)是任何一個組織在數(shù)字化建設(shè)和轉(zhuǎn)型中必須重視的部分。 為了做好圍繞數(shù)字孿生的數(shù)字化戰(zhàn)略規(guī)劃， 近年來企業(yè)界和學(xué)術(shù)界都圍繞著數(shù)字孿生技術(shù)和服務(wù)展開了大量研究，這也為數(shù)字孿生實(shí)踐推廣打下了基礎(chǔ)[9]，但缺少從企業(yè)架構(gòu)的角度看數(shù)字孿生的影響和關(guān)系。 本文從企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的角度，以制造業(yè)為企業(yè)背景，論述數(shù)字孿生技術(shù)對內(nèi)部以及上下游企業(yè)信息架構(gòu)的影響。

1 數(shù)字孿生概念及技術(shù)要素

從數(shù)字孿生定義分析可抽象其核心技術(shù)構(gòu)成有3 部分：數(shù)字孿生體本身、管理數(shù)字孿生體的系統(tǒng)平臺和支撐數(shù)字孿生體動態(tài)更新的數(shù)字線程。 依靠數(shù)字線程（Digital Thread），所有數(shù)據(jù)模型都能夠雙向溝通。這些在圖1 中給出了直觀性圖示。 因此真實(shí)物理產(chǎn)品的狀態(tài)和參數(shù)將通過與智能生產(chǎn)系統(tǒng)集成的賽博物理系統(tǒng)CPS 向數(shù)字化模型反饋， 這樣確保生命周期各個環(huán)節(jié)的數(shù)字化模型保持一致。 數(shù)字線程貫穿的數(shù)據(jù)交換和分享，這是數(shù)字孿生體和數(shù)字線程技術(shù)的核心價值[10-11]。

圖1 數(shù)字孿生概念和技術(shù)要素

ISO 23247 標(biāo)準(zhǔn)給出了制造業(yè)行業(yè)情境中數(shù)字孿生的參考架構(gòu)[11]，分為用戶層、面向制造的數(shù)字孿生和通訊層等。 能夠?qū)崿F(xiàn)多視圖模型數(shù)據(jù)融合的機(jī)制或引擎是數(shù)字孿生管理平臺的核心部分。

在過去的幾十年，在企業(yè)組織級別上通過企業(yè)架構(gòu)來指導(dǎo)信息化規(guī)劃受到了業(yè)界的認(rèn)可， 取得了很好的效果。針對數(shù)字孿生的相關(guān)應(yīng)用，有些組織直接沿用已經(jīng)有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，比如PLM 或MDM 來進(jìn)行數(shù)字孿生體管理。 但從長遠(yuǎn)來看，需要建立獨(dú)立的平臺，其會與其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)有交互。 為了實(shí)現(xiàn)平滑導(dǎo)入數(shù)字孿生，必須結(jié)合企業(yè)架構(gòu)進(jìn)行分析，將數(shù)字孿生相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)融合到企業(yè)架構(gòu)中。

2 數(shù)字孿生在企業(yè)架構(gòu)中的映射及層級分析

2.1 傳統(tǒng)企業(yè)信息架構(gòu)

在國際上一般用企業(yè)架構(gòu)來進(jìn)行整個企業(yè)的規(guī)劃，保持信息戰(zhàn)略的一致。有時狹義上也稱為企業(yè)信息架構(gòu)。企業(yè)架構(gòu)的目的是確定如何最有效地實(shí)現(xiàn)其當(dāng)前和未來的業(yè)務(wù)目標(biāo)[12]。 在傳統(tǒng)企業(yè)架構(gòu)中，一般分為業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和技術(shù)層，見圖2。

圖2 企業(yè)架構(gòu)層級概念

業(yè)務(wù)層： 主要是從業(yè)務(wù)視角進(jìn)行業(yè)務(wù)活動的架構(gòu)設(shè)計，反映企業(yè)組織的業(yè)務(wù)模式、主要的業(yè)務(wù)活動，特別是對信息使用的依賴。

數(shù)據(jù)層： 描述了組織的邏輯和物理數(shù)據(jù)資產(chǎn)和數(shù)據(jù)管理資源的結(jié)構(gòu)。特別是進(jìn)入數(shù)字化時代以來，數(shù)據(jù)資產(chǎn)的概念和地位愈發(fā)突出，對企業(yè)架構(gòu)的影響也越來越大。

應(yīng)用層：描述了各個應(yīng)用程序、它們的交互以及它們與組織核心業(yè)務(wù)流程的關(guān)系， 應(yīng)用程序架構(gòu)解決了如何實(shí)現(xiàn)的問題。

技術(shù)層：描述實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序服務(wù)所需的軟件和硬件。 這些領(lǐng)域中的每一個都有眾所周知的工件、圖表和實(shí)踐。 這些是具體的物理載體，是為上面幾個層次服務(wù)的。

企業(yè)架構(gòu)對現(xiàn)代企業(yè)的信息規(guī)劃及產(chǎn)品已經(jīng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 在企業(yè)引入新的數(shù)字對象和服務(wù)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型時，不能忽略既有的企業(yè)架構(gòu)，而應(yīng)該基于企業(yè)架構(gòu)迭代周期的模式來進(jìn)行演化。 決策者和管理者需要考慮企業(yè)架構(gòu)的平滑性升級，避免出現(xiàn)服務(wù)水平影響。下面就針對數(shù)字孿生對這4 個層級的影響逐一分析。

2.2 數(shù)字孿生對業(yè)務(wù)層的影響

基于前面的論述， 數(shù)字孿生是智能制造的核心技術(shù)載體。 數(shù)字孿生對現(xiàn)代企業(yè)的經(jīng)營影響是深入的、多層次的，從企業(yè)經(jīng)營模式和核心流程都有不同程度的反映。針對高科技制造型企業(yè)，相對于傳統(tǒng)的研發(fā)模式， 在研發(fā)層產(chǎn)生了基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）。 MBSE 是一種與數(shù)字孿生伴隨的工程策略，旨在通過使用基于3D 模型的定義來闡明制造過程中的設(shè)計意圖， 其中包括與制造產(chǎn)品相關(guān)的所有產(chǎn)品和制造信息（PMI）。 MBSE 的目標(biāo)是通過加強(qiáng)產(chǎn)品信息的結(jié)構(gòu)性傳遞，便于智能制造集成，提高跨組織協(xié)作效率，并降低總成本[13]。

在制造環(huán)節(jié)， 最為明顯的是以數(shù)控為基礎(chǔ)的智能制造， 與數(shù)字孿生結(jié)合比較緊密的制造模式是增材制造[9]。增材制造是通過一次構(gòu)建一層來創(chuàng)建對象的過程， 數(shù)字孿生體信息可以直接作為智能制造系統(tǒng)的輸入進(jìn)行制造，最為直觀的是3D 打印。它與傳統(tǒng)制造的減材制造相反，增材制造可以指通過逐級構(gòu)建某種東西 （例如直接壓模成型）來創(chuàng)建產(chǎn)品的任何過程。

實(shí)際上，未來企業(yè)整體會變?yōu)閿?shù)字孿生模式，不僅僅是產(chǎn)品或制造， 包括企業(yè)的其它要素例如員工、 建筑環(huán)境、機(jī)器設(shè)備、知識流程等。 在企業(yè)架構(gòu)的業(yè)務(wù)層必須體現(xiàn)業(yè)務(wù)模式及創(chuàng)新、產(chǎn)品與服務(wù)、企業(yè)競爭優(yōu)勢、員工知識與能力、供應(yīng)鏈及運(yùn)營流程等。

2.3 數(shù)字孿生對數(shù)據(jù)層的影響

數(shù)字孿生體本質(zhì)上是數(shù)據(jù)按照一定格式組合起來反映物理世界的對象，相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，數(shù)字孿生帶來的數(shù)據(jù)管理體現(xiàn)在如下幾個方面：

首先是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)字孿生體需要更多維度的數(shù)據(jù)來描述物理對象。圖3 左側(cè)體現(xiàn)了國際標(biāo)準(zhǔn)要求的一些必須項[11]。 由此可看出，除了對象的一些特征值（傳統(tǒng)維度）外，還包含位置、狀態(tài)、關(guān)系等屬性值。另外，還有數(shù)據(jù)的動態(tài)變化及生命周期。 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)無論是產(chǎn)品數(shù)據(jù)和經(jīng)營性數(shù)據(jù)，相對更新頻率不高。但數(shù)字孿生體是為了實(shí)時反映物理世界對象的變化就必須根據(jù)物理對象實(shí)際狀態(tài)變化而持續(xù)更新數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)孿生效果。

與此相關(guān)的是數(shù)字孿生體在生命周期的各個節(jié)點(diǎn)的更新和操作需與其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)各種形式接口的交互，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表達(dá)算式都有很大的特殊需求（適用于MBSE的SysML，用于數(shù)據(jù)交互的AutomationML）[14]。 數(shù)字孿生體的交互對象廣泛，從市場到研發(fā)、生產(chǎn)運(yùn)營，從內(nèi)部到外部客戶及供應(yīng)商（圖3）。特別是在研發(fā)、生產(chǎn)及服務(wù)診斷場景中這些交互雙向的，具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時性要求[15]。

圖3 數(shù)字孿生平臺、MDM 關(guān)系及跨企業(yè)交互

數(shù)字孿生體從本質(zhì)上來說是主數(shù)據(jù)對象， 但又不同于傳統(tǒng)信息系統(tǒng)中的主數(shù)據(jù)對象[16]。數(shù)字孿生體的屬性信息是在變化的，所以對傳統(tǒng)的主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提出了新的要求。IBM 公司產(chǎn)品針對這種情景也有不同的論述[17]。 針對數(shù)字孿生體這種特殊的對象，需要特定的管理平臺。數(shù)字孿生體的元數(shù)據(jù)信息還是在MDM 中， 但具體的信息和更新交互在數(shù)字孿生平臺中實(shí)現(xiàn)。 另外，針對數(shù)字孿生體流動性的特點(diǎn)，在跨組織的交互及傳輸中引入了借助與計算技術(shù)或云服務(wù)來實(shí)現(xiàn)多方共享主數(shù)據(jù)機(jī)制[18-19]，這會繼續(xù)在下面的應(yīng)用層部分介紹。

結(jié)合著國際標(biāo)準(zhǔn)組織的定義[11]，總體來講數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)方面的基本要求有狀態(tài)準(zhǔn)確性、同步特性（基于時間的、基于事件的）、感知采集與傳輸、完整性（數(shù)字孿生是整體的）、擴(kuò)展性（到其它應(yīng)用系統(tǒng)）、顆粒度（反映現(xiàn)實(shí)對象需要適當(dāng)?shù)念w粒度）、唯一標(biāo)示性、可管理性、生命周期特點(diǎn)、安全性、可模擬性、多視角層級建模和分析（不同目的和階段的要求）。

2.4 數(shù)字孿生對應(yīng)用層的影響

若要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的生命周期管理， 首先需要在應(yīng)用層引入數(shù)字孿生平臺。 這是數(shù)字孿生構(gòu)成的3 個部分之一，負(fù)責(zé)數(shù)字孿生體的各個環(huán)節(jié)的管理，數(shù)字孿生體包含了資產(chǎn)對象整個生命周期的數(shù)據(jù)。 需要分析與現(xiàn)存的應(yīng)用層發(fā)生聯(lián)系，并調(diào)整定位。圖4 描述了從應(yīng)用層角度數(shù)字孿生管理平臺與傳統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的交互：通過SRM交換物料及物流信息、與PLM 交互與更新物料、產(chǎn)品及相關(guān)設(shè)計模型等、與ERP 更新產(chǎn)品成本等、與MES 更新產(chǎn)品生產(chǎn)狀況及形態(tài)變化，最后通過CRM 與客戶更新更新產(chǎn)品交付及后續(xù)服務(wù)的信息。除了內(nèi)部流動外，數(shù)字孿生應(yīng)由開放（云平臺）支持，以在制造商、服務(wù)合作伙伴、客戶、OEM 合作伙伴之間交換實(shí)時資產(chǎn)信息， 并促進(jìn)合作伙伴ECO 系統(tǒng)和其他數(shù)字孿生之間的協(xié)作。這決定了數(shù)字孿生管理平臺除了具備傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)特點(diǎn)外， 必須適應(yīng)數(shù)字孿生管理的特點(diǎn)，比如多業(yè)務(wù)接口、快速傳輸及輔助的孿生體呈現(xiàn)等功能。隨著數(shù)字化世界的演化，圍繞著數(shù)字孿生管理平臺還會產(chǎn)生潛在的新的應(yīng)用[20]。

圖4 數(shù)字孿生與企業(yè)信息系統(tǒng)的交互

2.5 數(shù)字孿生對技術(shù)層的影響

基于前面數(shù)字孿生概念及系統(tǒng)參考架構(gòu)可以看出，建模、 仿真分析和基于數(shù)據(jù)融合的數(shù)字線程是數(shù)字孿生體的三項核心功能。

傳統(tǒng)通過CAD/CAM 軟件實(shí)現(xiàn)3 維一次性產(chǎn)生，按照數(shù)字孿生的要求還缺失一些維度信息，比如狀態(tài)、周期、互動等方面。 MBSE 是為了應(yīng)對基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程工作模式在負(fù)責(zé)產(chǎn)品和系統(tǒng)研發(fā)時所面臨的挑戰(zhàn)，以邏輯和格式一致的多視角通用系統(tǒng)模型為橋梁和框架，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域模型的可追蹤、 可驗(yàn)證和全生命期內(nèi)的動態(tài)關(guān)系。 MBSE 強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一的中央型系統(tǒng)模型，并同時獲取系統(tǒng)需求以及滿足需求的設(shè)計決策。 MBSE 一般是使用SysML 來實(shí)現(xiàn)了對象的結(jié)構(gòu)化、層級化表示[21]。

前面業(yè)務(wù)層的仿真分析中， 虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其提供的深度沉浸的交互方式讓人類與數(shù)字世界的交互方式與物理世界的交互方式類似，讓“孿生”一詞變得更為精妙。 結(jié)合第2 節(jié)中數(shù)字孿生概念中，將數(shù)字線程表示為模型數(shù)據(jù)融合引擎和一系列數(shù)字孿生體的集合， 以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的流動。STEP（Standard for the Exchange of Product） 一般是CAD 或CAM 系統(tǒng)之間關(guān)于產(chǎn)品初始傳輸， 基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML （eXtensible Markup Language）和CAEX（Computer Aided Engineering Exchange）定義了面向?qū)ο蟮母袷矫枋觥?為進(jìn)一步滿足數(shù)字孿生相關(guān)要求，發(fā)展了AutomationML，在其規(guī)范中，CAEX 定義其元數(shù)據(jù)。在建立了結(jié)構(gòu)之后，數(shù)字線程技術(shù)可通過標(biāo)記語言AutomationML 等進(jìn)行傳輸[14]，具有很好地結(jié)構(gòu)標(biāo)記性特征。 區(qū)塊鏈提供的去中心化的交易機(jī)制很好地支持分布、實(shí)時和精細(xì)化的數(shù)字資產(chǎn)交易。也成為數(shù)字線程技術(shù)中的一個核心部件選項，目前國內(nèi)也有研究[17，22]。

其它相關(guān)技術(shù)有物聯(lián)網(wǎng)、云及邊緣計算、大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)。 云計算相關(guān)的技術(shù)和服務(wù)是體系級數(shù)字孿生體分析的理想技術(shù)。 物聯(lián)網(wǎng)作為工業(yè)4.0 時代的基礎(chǔ)設(shè)施，一項重要作用是收集和傳輸來自物理世界的數(shù)據(jù)。 數(shù)字孿生技術(shù)利用這大數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)， 根據(jù)設(shè)定的模式進(jìn)行預(yù)測性分析或仿真[9]。

3 包含數(shù)字孿生的數(shù)字生態(tài)中的企業(yè)架構(gòu)

由上面分析， 數(shù)字孿生體對企業(yè)信息架構(gòu)各個層級都產(chǎn)生了很大的影響。為了更好地指導(dǎo)實(shí)踐，需要整體融合各個層級的影響形成整體企業(yè)架構(gòu)。 國際也有從這個角度進(jìn)行的的研究，集成了相關(guān)技術(shù)和模塊[23]。 新的企業(yè)架構(gòu)必須適應(yīng)數(shù)字孿生的流動和交互， 需要放到整個生態(tài)鏈中進(jìn)行構(gòu)建，建議的參考企業(yè)/企業(yè)間架構(gòu)見圖5。

圖5 適應(yīng)數(shù)字孿生要求的建議企業(yè)架構(gòu)

在業(yè)務(wù)層面， 企業(yè)首先要擁抱整體的數(shù)字化運(yùn)營模式，包括基于MBSE 的研發(fā)、增材制造和上下游生態(tài)的數(shù)字化協(xié)作。 基于現(xiàn)有的運(yùn)營特點(diǎn)，需要制定相適應(yīng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型流程再造。為了更高地支撐以數(shù)字孿生為核心的經(jīng)營模式，數(shù)據(jù)層上必須擴(kuò)展或建立MDM，定義數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并建立組織間數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)交換機(jī)制。 應(yīng)用架構(gòu)層面，建立相適應(yīng)的數(shù)字孿生管理平臺、擴(kuò)展或建立主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并建立組織內(nèi)系統(tǒng)間和外部跨組織的交互。 處于底層的技術(shù)架構(gòu)必須引入數(shù)字孿生整個生命周期支撐所需要的技術(shù)， 包括MBSE 需要的建模技術(shù)SysML，數(shù)字孿生數(shù)字線程需要的AutomationML，大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)及AI，物聯(lián)網(wǎng)承載的數(shù)據(jù)采集、控制及傳輸、區(qū)塊鏈及數(shù)字孿生安全技術(shù)。 跨組織數(shù)字孿生體信息交互也是要考慮的。 同時滿足數(shù)字孿生時代的相關(guān)信息治理和安全。

4 結(jié)論

本文結(jié)合著數(shù)字孿生概念與結(jié)構(gòu)， 分析了其在傳統(tǒng)企業(yè)架構(gòu)各個層次的影響。 為了很好地將數(shù)字孿生引入到企業(yè)信息環(huán)境里，更好地支撐業(yè)務(wù)創(chuàng)新，需要重新思考和設(shè)計企業(yè)架構(gòu)，需要引入數(shù)字孿生模塊。受數(shù)字孿生的要求，在企業(yè)架構(gòu)里面需要建設(shè)MDM 的功能模塊或擴(kuò)展已有的MDM。 在這其間，需要處理好內(nèi)部業(yè)務(wù)系統(tǒng)與數(shù)字孿生模塊的數(shù)據(jù)交互，定義好技術(shù)接口。同時必須考慮支撐數(shù)字孿生整個生命周期的相關(guān)技術(shù)， 包括產(chǎn)生、傳輸、交互、更新及應(yīng)用。在最后一部分，給出了融合數(shù)字孿生及生態(tài)視角的參考企業(yè)架構(gòu)。

數(shù)字孿生及其相關(guān)技術(shù)剛剛興起， 其對企業(yè)架構(gòu)的演化是多方面的。目前圍繞著企業(yè)架構(gòu)，持續(xù)研究數(shù)字孿生體對ERP、PLM、MES、CRM 及SRM 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響，比如數(shù)據(jù)對象屬性擴(kuò)展、數(shù)據(jù)交互方式、系統(tǒng)接口等。 探討外延企業(yè)架構(gòu)至企業(yè)間機(jī)構(gòu)，包括MDM 和數(shù)字孿生的擴(kuò)展和融合。關(guān)注數(shù)字孿生體國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善，并適時地考慮到企業(yè)架構(gòu)中。數(shù)字孿生作為一個生態(tài)服務(wù)，需繼續(xù)跟蹤數(shù)字孿生技術(shù)和服務(wù)的生態(tài)建設(shè)。