非常容易混淆的兩個(gè)概念烹看，本文簡單解釋，資料來源網(wǎng)絡(luò)墙歪。
數(shù)字孿生和平行系統(tǒng)作為新興技術(shù)听系，在解決當(dāng)今人工智能領(lǐng)域面臨的信息量大，干擾信息不確定因素多虹菲，與人的參與溝通更加緊密靠胜，人機(jī)互動(dòng)更加重視，為了使人們有更好的體驗(yàn)人工智能帶來的便利，急需推動(dòng)信息物理社會(huì)的高度融合浪漠，將人重重的放入其中陕习，這兩個(gè)模型為解決此問題帶來了新思路，將成為未來智能制造址愿、智能管理等領(lǐng)域的重要發(fā)展方向该镣，但是目前理論研究和實(shí)際應(yīng)用還處于萌芽階段，在看了楊林瑤等幾位老師發(fā)的論文《數(shù)字孿生與平行系統(tǒng): 發(fā)展現(xiàn)狀响谓、對(duì)比及展望》后做了一些整理损合，感覺思路比較新穎，將以表格對(duì)比形式展現(xiàn)娘纷，供大家參考以便提供一種整體嫁审、系統(tǒng)性的解決思路。詳細(xì)原文鏈接附后 赖晶。
| VS | 數(shù)字孿生（Digital Twin） | 平行系統(tǒng)（Parallel System） |
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| 定義提出 | Grieves 教授于2003 年在美國密歇根大學(xué)提出 | 王飛躍2004 年的 “平行系統(tǒng)方法與復(fù)雜系統(tǒng)的管理與控制”一文中首次提出了集人工系統(tǒng)律适、計(jì)算實(shí)驗(yàn)、平行執(zhí)行（簡稱ACP）為一體的平行系統(tǒng)技術(shù)體系 |
| 定義內(nèi)容 | 物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型的映射遏插，它通過充分利用布置在系統(tǒng)各部分的傳感器, 對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與建模, 形成仿真過程捂贿，將物理系統(tǒng)在不同真實(shí)場(chǎng)景中的情景反映出來。數(shù)字孿生的基本概念由三部分組成：1) 物理空間的物理實(shí)體; 2) 虛擬空間的虛擬實(shí)體;3) 虛實(shí)之間的通訊數(shù)據(jù)與判斷信息胳嘲。構(gòu)建完整虛擬映射厂僧，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品健康狀態(tài)、剩余壽命及任務(wù)可達(dá)性的預(yù)測(cè)胎围。 | 通過實(shí)際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)之間的虛實(shí)互動(dòng),對(duì)二者的行為進(jìn)行對(duì)比吁系、分析和預(yù)測(cè), 相應(yīng)地調(diào)整實(shí)際系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的管理和控制方式, 實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的優(yōu)化管理與控制、對(duì)相關(guān)行為和決策的實(shí)驗(yàn)與評(píng)估白魂，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)表示、決策推理到場(chǎng)景自適應(yīng)優(yōu)化的閉環(huán)反饋上岗，產(chǎn)生誤差反饋信號(hào), 對(duì)人工系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行修正, 減少差別, 通過循環(huán)往復(fù)的交互盡可能地使人工系統(tǒng)模擬實(shí)際系統(tǒng);另一方面,實(shí)際系統(tǒng)中的新問題福荸、新需求和新趨勢(shì)可以實(shí)時(shí)導(dǎo)入人工系統(tǒng), 通過在人工系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)、測(cè)評(píng)和完善, 獲得優(yōu)化的新解決方案肴掷。 |
| 概念框圖 |  圖片.png
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| 模型關(guān)鍵 | 1)真實(shí)地再現(xiàn)物理實(shí)體的幾何圖形敬锐、屬性、行為和規(guī)則等呆瞻；2)這些模型不僅要在幾何結(jié)構(gòu)上與物理實(shí)體保持一致, 而且要能夠模擬物理實(shí)體的時(shí)空狀態(tài)台夺、行為、功能等痴脾； | 1)由實(shí)際系統(tǒng)的小數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng), 借助知識(shí)表示與知識(shí)學(xué)習(xí)等手段,針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中的各類元素和問題利用人工系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)問題進(jìn)行建颤介；2)利用計(jì)算實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)各類智能體的組合及交互規(guī)則, 產(chǎn)生各類場(chǎng)景, 運(yùn)行產(chǎn)生完備的場(chǎng)景數(shù)據(jù)，并借助機(jī)器學(xué)習(xí)滚朵、數(shù)據(jù)挖掘等手段, 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 求得各類場(chǎng)景下的最優(yōu)策略冤灾；3) 將人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)同時(shí)并舉，通過一定的方式進(jìn)行虛實(shí)互動(dòng)辕近，以平行執(zhí)行引導(dǎo)和管理實(shí)際系統(tǒng)韵吨。 |
| 核心思想 | 數(shù)字孿生是構(gòu)建實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真系統(tǒng), 輔助尋找控制系統(tǒng)行為實(shí)現(xiàn)期望的目標(biāo)，是以數(shù)據(jù)補(bǔ)充和完善仿真模型, 實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)移宅、高置信度仿真預(yù)測(cè)归粉，是一個(gè)預(yù)測(cè)控制模型。 | 平行系統(tǒng)通過實(shí)際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的虛實(shí)互動(dòng)漏峰、交互反饋, 形成自適應(yīng)優(yōu)化控制, 實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互動(dòng)反饋的引導(dǎo)盏浇，平行系統(tǒng)利用人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的虛實(shí)交互、雙向驗(yàn)證, 實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同進(jìn)化以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化管理與控制芽狗，是一個(gè)以引導(dǎo)型的模型控制和優(yōu)化系統(tǒng)绢掰。 |
| 哲學(xué)基礎(chǔ) | 孿生系統(tǒng)屬于還原論或舊唯物主義的反映論, 其孿生系統(tǒng)是相應(yīng)物理系統(tǒng)直接、機(jī)械童擎、被動(dòng)和鏡像式的反映,是相應(yīng)物理系統(tǒng)的依附, 不具獨(dú)立性滴劲，相對(duì)平行系統(tǒng)，人在系統(tǒng)中的作用沒能有機(jī)融合顾复。僅僅是指導(dǎo)班挖、觀察、命令式的下達(dá) | 平行系統(tǒng)屬于能動(dòng)芯砸、整體和辯證式的認(rèn)識(shí)論, 其人工系統(tǒng)并不要求與相應(yīng)的實(shí)際物理系統(tǒng)完全一致, 因而具有一定的平行性或獨(dú)立性萧芙，將物理系統(tǒng)視為與環(huán)境交互的系統(tǒng)，且其運(yùn)行目標(biāo)和效用是受社會(huì)資源約束的系統(tǒng)假丧；強(qiáng)調(diào)人在系統(tǒng)中的作用双揪，融合了人的意圖的虛擬系統(tǒng)對(duì)物理系統(tǒng)的引導(dǎo)，目的是使物理系統(tǒng)在構(gòu)成和運(yùn)行方面達(dá)到某種進(jìn)化 |
| 研究對(duì)象 | 數(shù)字孿生研究的是由信息空間和物理空間組成的信息物理融合系統(tǒng)(CPS), 數(shù)字孿生基于實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)連接物理世界和數(shù)字化虛擬世界, 實(shí)現(xiàn)在虛擬空間實(shí)時(shí)監(jiān)控與同步物理世界的活動(dòng)包帚。 | 平行系統(tǒng)主要針對(duì)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)渔期、信息資源和物理空間深度融合的信息物理社會(huì)系統(tǒng)（CPSS），包含物理系統(tǒng)數(shù)據(jù)渴邦、虛擬的人工系統(tǒng)數(shù)據(jù)疯趟、泛在社會(huì)大數(shù)據(jù)等。構(gòu)建人工系統(tǒng), 通過虛擬和實(shí)際系統(tǒng)的平行運(yùn)行, 實(shí)現(xiàn)計(jì)算谋梭、物理和社會(huì)的動(dòng)態(tài)交互信峻、時(shí)空一致, 處理不確定性, 成為解決CPSS 問題的有效途徑。 |
| 基礎(chǔ)設(shè)施 | 主要由物理實(shí)體和描述它的數(shù)字鏡像組成, 數(shù)據(jù)是連通物理實(shí)體和數(shù)字鏡像的橋梁, 以實(shí)現(xiàn)在虛擬空間中實(shí)時(shí)映射物理實(shí)體的行為和狀態(tài) | 是由物理子系統(tǒng)瓮床、描述子系統(tǒng)盹舞、預(yù)測(cè)子系統(tǒng)产镐、引導(dǎo)子系統(tǒng)胎架構(gòu),它通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)、平行執(zhí)行等手段, 以虛擬的人工系統(tǒng)描述矾策、預(yù)測(cè)磷账、引導(dǎo)實(shí)際物理系統(tǒng), 使物理系統(tǒng)自動(dòng)逼近更優(yōu)的人工系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)的自適應(yīng)優(yōu)化 |
| 實(shí)現(xiàn)技術(shù) | 主要基于物聯(lián)網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)和仿真等手段構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字鏡像 | 人工系統(tǒng)是軟件定義的系統(tǒng),將實(shí)際系統(tǒng)中的各要素建模為智能體,并基于實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)利用知識(shí)發(fā)現(xiàn)和知識(shí)工程獲得智能體的屬性和規(guī)則; 接著, 基于一定的目標(biāo)生成大量的人工場(chǎng)景, 運(yùn)行產(chǎn)生大量數(shù)據(jù), 再利用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等方法進(jìn)行分析贾虽、預(yù)測(cè)逃糟、評(píng)估, 獲得針對(duì)特定目標(biāo)、特定場(chǎng)景的最優(yōu)控制方案; 最后, 通過平行執(zhí)行循環(huán)蓬豁、在線地引導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)逼近人工系統(tǒng) |
| 系統(tǒng)功能 | 本質(zhì)上是一種與實(shí)際系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互的仿真系統(tǒng), 通過在數(shù)字化空間構(gòu)建鏡像實(shí)體使物理實(shí)體的狀態(tài)可觀绰咽、可控. 但是, 它僅能依據(jù)物理實(shí)體的實(shí)際數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)其未來的變化, 或基于專家經(jīng)驗(yàn)提出針對(duì)某一特定場(chǎng)景的優(yōu)化方案, 無法評(píng)估多種方案、多種參數(shù)下的系統(tǒng)表現(xiàn)地粪。 | 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)更優(yōu)的管理與控制取募，可以基于人工系統(tǒng)生成大量場(chǎng)景, 并在其中基于試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)涌現(xiàn)分析出系統(tǒng)的全局最優(yōu)控制方案, 自適應(yīng)地進(jìn)行優(yōu)化控制。 |
| 未來展望/適用場(chǎng)景 | 數(shù)字孿生建模復(fù)雜系統(tǒng)難以考慮開放環(huán)境的影響, 它與環(huán)境的交互是單向的, 其對(duì)于環(huán)境的感知始終落后于環(huán)境的變化. 同時(shí), 數(shù)字孿生中人機(jī)信息物理交互比較原始, 人員只能在物理空間, 通過感官獲取設(shè)備的信息并對(duì)設(shè)備進(jìn)行物理操作, 人因的復(fù)雜性難以量化建模和分析, 社會(huì)因素影響下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化難以預(yù)測(cè)和有效管控蟆技。 | 平行系統(tǒng)中, 環(huán)境和人員都以智能體等方式建模到人工系統(tǒng)中, 環(huán)境智能體的解析空間具有更強(qiáng)的開放性, 而人員智能體與人相似, 它將實(shí)際系統(tǒng)在人工系統(tǒng)的映射作為其內(nèi)在認(rèn)知過程, 通過不斷改變內(nèi)在認(rèn)知信息系統(tǒng)對(duì)社會(huì)環(huán)境作出響應(yīng). 平行系統(tǒng)在人工系統(tǒng)中構(gòu)建虛擬人,將人沉浸在虛擬空間與虛擬物和其他虛擬人進(jìn)行信息交互, 通過虛擬信息控制人的物理感受和行為,同時(shí)將虛擬空間構(gòu)造的物體映射于物理空間, 在物理空間與智能體交互, 進(jìn)而通過智能體的物理操作改變物體的狀態(tài)玩敏。能夠全面考慮環(huán)境和人員因素。 |
| 共同作用（共性） | 平行系統(tǒng)和數(shù)字孿生都為解決信息质礼、物理旺聚、社會(huì)融合這一科學(xué)問題提供了新的解決思路。都可歸納為虛實(shí)融合, 以虛控實(shí)眶蕉。 | 兩者的主要思路都是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),構(gòu)建與物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)的虛擬系統(tǒng), 通過在虛擬系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)砰粹、分析, 解析并優(yōu)化控制難以用數(shù)理模型分析的復(fù)雜系統(tǒng).為實(shí)現(xiàn)實(shí)體和信息融合的信息物理系統(tǒng)(CPS)提供了清晰的新思路、方法和實(shí)施途徑造挽。 |
數(shù)字孿生（Digital Twin）來源于軍事領(lǐng)域碱璃，2011年3月美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL，Air Force Research Laboratory）做的一次演講饭入，明確提到了數(shù)字孿生體嵌器，是最早的提出機(jī)構(gòu)。但很快得到了領(lǐng)先工業(yè)企業(yè)的認(rèn)同圣拄，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)模型和技術(shù)嘴秸。
數(shù)字孿生（Digital Twin）是充分利用物理模型、傳感器更新庇谆、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科凭疮、多物理量饭耳、多尺度、多概率的仿真過程执解，在虛擬空間中完成映射寞肖，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程纲酗。
數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)，可以用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障新蟆。首先在數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型觅赊，并通過傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后琼稻，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷吮螺，及時(shí)分析評(píng)估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等帕翻。
數(shù)字孿生在發(fā)展過程中隨著認(rèn)知深化, 主要經(jīng)歷了三個(gè)階段[11]:
- 數(shù)字樣機(jī)階段, 數(shù)字樣機(jī)是數(shù)字孿生的最初形態(tài), 是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)或者具有獨(dú)立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述;
- 狹義數(shù)字孿生階段, 由Grieves 教授提出, 其定義對(duì)象就是產(chǎn)品及產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化表征;
- 廣義數(shù)字孿生階段, 在定義對(duì)象方面廣義數(shù)字孿生將涉及范圍進(jìn)行了大規(guī)模延伸, 從產(chǎn)品擴(kuò)展到產(chǎn)品之外的更廣泛領(lǐng)域. 世界著名咨詢公司Gartner 連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大技術(shù)趨勢(shì)之一[12], 其對(duì)數(shù)字孿生描述為:數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體或系統(tǒng)的數(shù)字化表現(xiàn). 因此, 數(shù)字孿生成為任何信息系統(tǒng)或數(shù)字化系統(tǒng)的總稱.
數(shù)字孿生（Digital Twin）鸠补，有時(shí)候也用來指代將一個(gè)工廠的廠房及產(chǎn)線，在沒有建造之前嘀掸，就完成數(shù)字化模型紫岩。從而在虛擬的賽博空間中對(duì)工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)睬塌。而工房和產(chǎn)線建成之后泉蝌，在日常的運(yùn)維中二者繼續(xù)進(jìn)行信息交互。
構(gòu)建數(shù)字孿生需要三個(gè)要素：
1）根據(jù)物理實(shí)體創(chuàng)建足夠精確的數(shù)字模型揩晴，能夠?qū)ξ锢韺?shí)體的結(jié)構(gòu)勋陪、行為等進(jìn)行準(zhǔn)確地描述和展現(xiàn)；
2）將物理實(shí)體的狀態(tài)文狱、行為數(shù)據(jù)進(jìn)行采集粥鞋，并映射到數(shù)字孿生體的對(duì)應(yīng)部位，包括其部件或者子系統(tǒng)瞄崇，通過多次迭代呻粹，不斷優(yōu)化數(shù)字模型；
3）結(jié)合物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和數(shù)字模型苏研，能夠?qū)ξ锢韺?shí)體的結(jié)構(gòu)變化等浊、行為走向、故障產(chǎn)生等進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)摹蘑，并在數(shù)字孿生體上進(jìn)行可視化顯示筹燕。
信息物理系統(tǒng)（CPS,Cyber-Physical Systems）主要是產(chǎn)生于嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的深度應(yīng)用，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的科學(xué)家頗感傳統(tǒng)的信息技術(shù)（IT衅鹿，Information Technology）概念無法有效地描述這種更深入的應(yīng)用截粗，當(dāng)時(shí)NSF的主管科學(xué)家Helen Gill就結(jié)合到與會(huì)專家的討論結(jié)果丐巫，提出了CPS這個(gè)全新的概念。
信息物理系統(tǒng)（CPS）是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)腻窒，能夠通過3C（Computation统扳、Communication口猜、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知衔掸、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。
與構(gòu)建數(shù)字孿生體（Digital Twin）相比俺抽，構(gòu)建信息物理系統(tǒng)（CPS）還需要第四個(gè)要素：
4）基于數(shù)字孿生體的仿真預(yù)測(cè)結(jié)果不僅僅提供決策參考敞映，而是自主決策，利用作動(dòng)器控制物理實(shí)體磷斧，優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)振愿，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)對(duì)象的迭代優(yōu)化（如風(fēng)力發(fā)電機(jī)）。
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Digital Twin創(chuàng)立之初就明確了以數(shù)據(jù)（Data）和模型（Models）為主要元素構(gòu)建的MBSE（Model-Based Systems Engineering）瞳抓，DigitalTwin顯然更適合采用人工智能（AI埃疫，Artificial Intelligence）和大數(shù)據(jù)（Big Data）等新的計(jì)算能力。而CPS主要以傳感器（Sensor）和作動(dòng)器（Actuator）為主要模塊構(gòu)建的系統(tǒng)孩哑。
美國制造行業(yè)的專家對(duì)CPS有較為清醒的認(rèn)識(shí)栓霜，那就是CPS偏向一些科學(xué)原理的驗(yàn)證，而非工程應(yīng)用的優(yōu)化横蜒，所以胳蛮，在實(shí)際工作中，真正采用CPS概念去指導(dǎo)工程實(shí)踐的情況丛晌，主要限于一些航天軍工領(lǐng)域仅炊，這些領(lǐng)域的工程系統(tǒng)的確太復(fù)雜，用傳統(tǒng)的工程系統(tǒng)實(shí)在無法描述清楚澎蛛。
但是抚垄，美國的科學(xué)家沒有放棄繼續(xù)探索更好用概念體系的想法，特別是在美國軍方的應(yīng)用中谋逻，由于美國政府對(duì)軍費(fèi)削減得比較厲害呆馁，但美國軍事上的投入?yún)s居高不下，這迫使美國軍方尋找一種能夠降低復(fù)雜工程系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用的方法毁兆，Digital Twin就這樣被選中了浙滤。
總結(jié)
那在航天軍工領(lǐng)域到底是選擇CPS還是選擇Digital Twin呢？那就要看數(shù)字孿生體是否需要對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制气堕，如果需要控制纺腊，就需要構(gòu)建CPS，如果只是在數(shù)字孿生體生進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)茎芭，那就是Digital Twin揖膜。
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