《数字孪生国防白皮书》之二：化繁为简

导读：作为翼络数字国防工作小组2021年重大项目，《数字孪生国防白皮书》预计2021年10月16日发布，计划在数字孪生战场公众号发布系列分析文章，展望数字孪生国防发展之前景。本文为第二篇文章，主要谈谈化繁为简的核心价值。

长期从事复杂工程工作的行业人士熟知，成本和灵活性是一对难以调和的矛盾，传统经济学原理认为，只有通过大规模生产才可以降低单位产品的成本，个性化产品通常成本都比较高。迄今为止，成功的工业企业大都采用大规模生产的方式，为客户或消费者提供了安全可靠的产品而获利，诸如智能手机、汽车和飞机等产品均是如此。

上世纪80年代，日本曾想通过智能制造系统[1]改写教科书，虽然投入了10亿美元，吸引了全球几十个国家参与，但最终没有避免铩羽而归的结果；与此同时，美国尝试在工业系统领域引入个人电脑的开放架构，复制美国在个人电脑上的成功，其结果也可想而知。

作为开拓互联网的先锋，DARPA解决了通信世界的成本和个性化问题，它期望如法炮制，在物理世界也实现这个目标。DARPA意识到，过去几十年人们的尝试，都是基于集成的模式，并未触及物理世界和数字空间之间的根本，如果要保证灵活性，不能构建一个集成的系统，而应该提供一套通用的工程方法，为物理世界建立对应的数字空间，才是真正改变世界的做法。DARPA把这种想法命名为数字孪生体（Digital Twin），期望成为下一个类似互联网革命性的改变。

表格 1 人类社会数字应用的技术类别

在数字空间或计算机建立实际物体的数字表示，这样的想法早就有了，计算机辅助设计（CAD，Computer-Aided Design）本质上就是抽象的物体数字表示，只是其数据精度限于几何形状层面，但这样的需求已经满足了不少场景。对于更高要求的物理仿真等需求，则有计算机辅助工程（CAE，Computer-Aided Engineering），然而这样的工程大都在单一物体仿真上比较有效果，对于多个物体组成的体系则基本上毫无用处。

为了建立物理世界和数字空间的交互体系，采用传统的CAD或CAE显然不可能，必须打造一套低成本的数字孪生化工具，这样才可以不降低数据精度的前提下建立数字空间的体系，否则人们一直追求的成本就无法实现。

当建立了物理世界对应的数字空间之后，通过低成本的数字孪生化工具，快速为各种物体或工程系统建立数字孪生体，尽量让人们的研发、制造和应用都在数字空间进行。人们在数字空间随心所欲开展这些工作，这正是灵活性的表现；跟物理世界实际开展这些工作相比，数字空间的工作成本几乎可以忽略不计，这很好实现了追求低成本的目标。

DARPA在提出数字孪生体概念之初，就明确了“化繁为简”的目标，即把繁杂的系统工程简化为一种人人均可应用的工程体系，这样将释放人类社会的创造力，从而推动工业化进入新阶段——第四次工业革命。

从过去10年时间的探索和应用来看，数字孪生体得到了各行各业的认同，充分发挥了其化繁为简的价值。人们通过引入数字孪生体概念体系，加速国防、制造、城市、能源、电网甚至于矿山等数字化进程，2018年美国国防部宣布基于数字孪生体的数字工程，正是其十年探索的结果。

作者：吴海军，翼络数字国防工作小组分析员

[1] 日本于1989年提出智能制造系统（IMS，Intelligent Manufacturing Systems）计划，利用当时日本制造全球领先的地位，力求实现大规模个性化制造，即为智能制造。