一、 引言

隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。在數(shù)字化的背景下，全球制造業(yè)面臨著新的挑戰(zhàn)。在此背景下，德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)相繼提出了工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和中國(guó)制造2025等先進(jìn)制造戰(zhàn)略，其共同目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)智能制造。

智能制造可稱為“Intelligent Manufacturing”或“Smart Manufacturing”。作為人工智能（AI）和制造的結(jié)合，“Intelligent Manufacturing”自20世紀(jì)80年代以來(lái)一直被研究者使用。然而，隨著AI逐漸演變?yōu)锳I 2.0，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、信息物理系統(tǒng)（CPS）和數(shù)字孿生（DT）等智能技術(shù)逐漸在新一代智能制造（即“Smart Manufacturing”）中占據(jù)中心位置。制造業(yè)正在從基于知識(shí)的智能制造轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)和知識(shí)雙驅(qū)動(dòng)的智能制造，其中，“Smart”一詞是指數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和使用。因此，“Smart Manufacturing”可被視為“Intelligent Manufacturing”的新版本，它突出了使用先進(jìn)信息和通信技術(shù)以及先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析。智能制造是指未來(lái)的制造狀態(tài)，是從整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和分析，以及基于模型的仿真和優(yōu)化來(lái)創(chuàng)造智能，從而對(duì)制造業(yè)的各個(gè)方面產(chǎn)生積極影響。信息物理融合是智能制造的重要前提。作為實(shí)現(xiàn)信息物理融合的首選手段，CPS和DT得到了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府的高度重視。

CPS是一個(gè)集成了信息網(wǎng)絡(luò)世界和動(dòng)態(tài)物理世界的多維復(fù)雜的系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算、通信和控制（3C）的集成和協(xié)作，CPS提供實(shí)時(shí)傳感、信息反饋、動(dòng)態(tài)控制等服務(wù)。通過(guò)緊密連接和反饋循環(huán)，物理和計(jì)算過(guò)程高度相互依賴。通過(guò)這種方式，信息世界與物理過(guò)程高度集成和實(shí)時(shí)交互，以便以可靠、安全、協(xié)作、穩(wěn)健和高效的方式監(jiān)控物理實(shí)體。

DT是與信息物理融合相關(guān)的另一個(gè)概念。DT是在虛擬空間中創(chuàng)建物理對(duì)象的高保真虛擬模型，以模擬其在現(xiàn)實(shí)世界中的行為并提供反饋。DT反映了雙向動(dòng)態(tài)映射過(guò)程。它打破了產(chǎn)品生命周期的隔離，提供了完整的產(chǎn)品數(shù)字足跡。因此，DT使公司能夠更快、更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和檢測(cè)物理問(wèn)題，優(yōu)化制造流程，并生產(chǎn)更好的產(chǎn)品。

根據(jù)定義，CPS和DT都用于描述信息物理融合。但為什么兩個(gè)概念并行存在，為什么它們?cè)诓煌念I(lǐng)域使用？它們之間的區(qū)別和相關(guān)性是什么？它們各自的側(cè)重點(diǎn)是什么？為了辨析CPS和DT之間的差異和相關(guān)性，本文從多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行回顧和分析，包括其起源、信息物理映射、分層建模和側(cè)重點(diǎn)等。

本文的其余部分按如下方式組織：第2節(jié)回顧了CPS和DT的起源和發(fā)展；第3節(jié)分析了信息世界和物理世界間的映射關(guān)系；第4節(jié)介紹了制造中的CPS和DT的分層模型；在第5節(jié)中，討論了兩者各自的側(cè)重點(diǎn)；然后在第6節(jié)中對(duì)CPS和DT進(jìn)行了比較。

二、CPS和DT的起源和發(fā)展

如圖1所示，隨著傳統(tǒng)IT向新一代信息技術(shù)（New IT）的演進(jìn)，New IT的低成本和先進(jìn)功能對(duì)CPS和DT的出現(xiàn)和使用起到了重要促進(jìn)作用。作為信息物理融合的首選方式，CPS和DT為智能制造的實(shí)施提供有效手段，能夠從根本上改變現(xiàn)有的制造系統(tǒng)和業(yè)務(wù)模式。

圖1. CPS和DT的起源和發(fā)展

（一）CPS的起源和發(fā)展

CPS源自嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，可以追溯到2006年。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的Helen Gill用“信息物理系統(tǒng)”一詞來(lái)描述傳統(tǒng)的IT術(shù)語(yǔ)無(wú)法有效說(shuō)明的日益復(fù)雜的系統(tǒng)。CPS隨后被列為美國(guó)研究投資的重中之重。在德國(guó)，CPS同樣被認(rèn)為是工業(yè)4.0的內(nèi)核和基礎(chǔ)。毫無(wú)疑問(wèn)，CPS可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并將從根本上改變現(xiàn)有的工業(yè)運(yùn)營(yíng)。然而，目前對(duì)CPS的研究主要集中在概念、架構(gòu)、技術(shù)和挑戰(zhàn)的討論上。與嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和其他技術(shù)相比，CPS更加基礎(chǔ)，因?yàn)镃PS不直接涉及實(shí)現(xiàn)方法或特定應(yīng)用。因此，正如NSF所言，CPS的研究計(jì)劃是尋找新的科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)，CPS更側(cè)重科學(xué)研究。

（二） DT的起源和發(fā)展

數(shù)字孿生一詞可追溯到由Michael Grieves教授2003年在密歇根大學(xué)關(guān)于產(chǎn)品生命周期管理（PLM）的演講中提出的“物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化表達(dá)”。當(dāng)時(shí)，由于技術(shù)的局限性和不成熟，幾乎沒(méi)有DT相關(guān)的研究或應(yīng)用。為了解決日益復(fù)雜的工程系統(tǒng)問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和美國(guó)空軍在航空器的健康維護(hù)和剩余使用壽命預(yù)測(cè)中應(yīng)用了DT。目前，New IT的發(fā)展正在催生DT的繁榮。由于DT開辟了一條物理活動(dòng)與虛擬世界同步的新途徑，因此DT成為了一個(gè)熱門的研究課題。最近，DT被各個(gè)行業(yè)采用，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生車間、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、預(yù)測(cè)維護(hù)和運(yùn)行狀況管理。美國(guó)通用電氣公司、德國(guó)西門子股份公司、美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC）、法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司、美國(guó)特斯拉公司等大型企業(yè)也將DT應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐中，這些企業(yè)使用DT來(lái)增加其產(chǎn)品性能、制造靈活性和競(jìng)爭(zhēng)力。DT的工程應(yīng)用是普遍存在的。因此，從這個(gè)角度看，DT更側(cè)重工程應(yīng)用。

（三）小結(jié)

從它們的起源和發(fā)展的角度來(lái)看，CPS和DT都受益于New IT的進(jìn)步，并幾乎同時(shí)出現(xiàn)。作為實(shí)現(xiàn)信息物理融合的有效手段，兩者都引起了相關(guān)領(lǐng)域研究人員和工業(yè)從業(yè)者的極大關(guān)注。但是，在工業(yè)實(shí)踐中，DT的應(yīng)用更加廣泛，工程系統(tǒng)可以通過(guò)DT技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的精度和更好的管理。

三、CPS和DT中的信息物理映射

CPS被定義為計(jì)算和物理過(guò)程的集成。同時(shí)，使用物理系統(tǒng)的數(shù)字模型執(zhí)行實(shí)時(shí)優(yōu)化被稱為“數(shù)字孿生”。在制造中，CPS和DT都包括兩個(gè)部分：物理部分和信息部分。如圖2所示，物理部分由各種制造資源組成，可歸納為“人-機(jī)-物-環(huán)境”。制造活動(dòng)由這些物理資源執(zhí)行。信息部分擁有各種無(wú)處不在的應(yīng)用和服務(wù)，并融合了智能數(shù)據(jù)管理、分析和計(jì)算功能。服務(wù)和應(yīng)用提供豐富的功能，能夠提高制造效率。物理部分感知和收集數(shù)據(jù)，而信息部分分析和處理數(shù)據(jù)，然后做出決策。通過(guò)這種緊密的聯(lián)系，信息部分可以影響物理過(guò)程，反之亦然。例如，在Wang等設(shè)計(jì)的Wise-ShopFloor中，信息物理交互為用戶提供了直觀的車間環(huán)境并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。由實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)的Java3D模型從不同角度為用戶提供可視化。授權(quán)用戶可以控制實(shí)際設(shè)備操作并查看受控設(shè)備運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。

圖2. 信息世界與物理世界映射

（一）CPS中的信息物理映射

CPS的本質(zhì)是使用與物理過(guò)程緊密交互的計(jì)算和通信向物理系統(tǒng)添加新功能。CPS通過(guò)3C之間緊密集成，為復(fù)雜系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)傳感、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。與DT相比，CPS更強(qiáng)調(diào)信息世界的強(qiáng)大計(jì)算和通信能力，這可以提高物理世界的準(zhǔn)確性和效率。此外，研究人員提出的所有CPS體系結(jié)構(gòu)無(wú)論是三層結(jié)構(gòu)、五層結(jié)構(gòu)，還是面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)都側(cè)重于控制，而不是鏡像模型。與DT類似，反饋循環(huán)在CPS中非常重要。信息和物理世界之間的相互映射、實(shí)時(shí)交互和高效協(xié)作支持CPS的功能。但信息系統(tǒng)可能會(huì)影響多個(gè)物理對(duì)象。例如，一個(gè)信息物理系統(tǒng)可能包含多個(gè)物理組件。因此，CPS的信息世界和物理世界之間的映射關(guān)系不是一對(duì)一的，而是一對(duì)多的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（二）DT中的信息物理映射

DT的愿景是為組件、產(chǎn)品或系統(tǒng)提供全面的物理和功能描述。第一個(gè)也是最重要的步驟是創(chuàng)建高保真虛擬模型，以真實(shí)地再現(xiàn)物理世界的幾何形狀、物理屬性、行為和規(guī)則。這些虛擬模型不僅在幾何和結(jié)構(gòu)方面與物理部分高度一致，而且能夠模擬其時(shí)空狀態(tài)、行為、功能等。即虛擬模型和物理實(shí)體具有相似的外觀（就像孿生兄弟）和相同的行為（就像鏡像）。此外，數(shù)字環(huán)境中的模型可以直接優(yōu)化操作，并通過(guò)反饋調(diào)整物理過(guò)程。使用雙向動(dòng)態(tài)映射，物理實(shí)體和虛擬模型共同演化。因此，DT的物理世界和信息世界之間的映射關(guān)系是一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。集成幾何、結(jié)構(gòu)、行為、規(guī)則和功能屬性的虛擬模型對(duì)應(yīng)特定的物理對(duì)象。

（三）CPS和DT中的控制

控制的目的是使系統(tǒng)保持在可接受的正常運(yùn)行水平，以應(yīng)對(duì)干擾?？刂剖荂PS和DT的核心功能。CPS的信息物理交互至關(guān)重要。DT的虛擬模型和物理過(guò)程在產(chǎn)品或系統(tǒng)生命周期中共同演變。CPS和DT中的控制包括兩個(gè)部分：物理資產(chǎn)或流程影響信息表達(dá)，以及信息過(guò)程控制物理資產(chǎn)或流程。對(duì)于前者，物理世界是動(dòng)態(tài)的，同一實(shí)體可能在不同的時(shí)間顯示不同的屬性。為了保持一致，使用傳感器收集來(lái)自物理世界的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并傳達(dá)到信息世界，以驅(qū)動(dòng)信息元素與物理世界同步。特別是對(duì)于DT，物理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型模擬物理過(guò)程及其演化。對(duì)于后者，信息世界使用感知數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算控制輸出并將其發(fā)送到執(zhí)行器進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò)數(shù)學(xué)模型和相關(guān)計(jì)算工具，可以預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)和故障，從而提前生成更好的服務(wù)和控制解決方案。通過(guò)信息物理交互，可控制消除某些干擾，包括意外和惡意威脅。

（四）小結(jié)

如上所述，CPS和DT都通過(guò)“狀態(tài)傳感、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精確執(zhí)行”的閉環(huán)促進(jìn)智能制造。然而，借助虛擬模型，DT提供了更加直觀和有效的手段。通過(guò)持續(xù)的數(shù)據(jù)集成，DT提供相關(guān)解決方案的能力被加強(qiáng)。如圖3所示，虛擬模型可用作補(bǔ)充以豐富CPS的組成和功能。因此，DT可被視為構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)CPS的必要基礎(chǔ)。CPS和DT的組合將幫助制造商實(shí)現(xiàn)更精確、更好、更高效的管理。

圖3. DT和CPS的集成

四、CPS和DT的分層模型

智能制造是一個(gè)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)、物流和服務(wù)的價(jià)值創(chuàng)造過(guò)程，其中有多個(gè)主體參與。如圖4所示，從層次結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，CPS和DT可以按粒度分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和復(fù)雜系統(tǒng)（system of sytem, SoS）級(jí)。

圖4. CPS和DT的分層模型

（一）單元級(jí)

單元級(jí)是指參與制造活動(dòng)的最小單位，如單一設(shè)備（如機(jī)床、機(jī)械臂等）、物料（如原材料和帶有RFID或傳感器的部件等），甚至是環(huán)境因素。這些生產(chǎn)要素構(gòu)成了單元級(jí)CPS和DT的物理部分。帶有傳感器、執(zhí)行器和嵌入式系統(tǒng)的機(jī)床可以被視為單元級(jí)CPS。通過(guò)數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理，單元級(jí)CPS可實(shí)現(xiàn)更高效、更具彈性的機(jī)器。單元級(jí)CPS和DT共享相同的物理對(duì)象。單元級(jí)CPS和DT都可以在信息物理交互過(guò)程中隨著物理加工、組裝和集成而發(fā)展。然而，對(duì)于單元級(jí)DT，它必須通過(guò)對(duì)幾何形狀、標(biāo)識(shí)和功能信息以及單元級(jí)物理對(duì)象的操作狀態(tài)的描述和建模來(lái)形成。此外，由于DT更注重模型的構(gòu)建，包括幾何形狀模型、規(guī)則、行為和其他約束模型等，DT還可以進(jìn)一步執(zhí)行高保真仿真。

（二）系統(tǒng)級(jí)

在單元級(jí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)單元級(jí)CPS或DT互連和互操作，可實(shí)現(xiàn)更廣泛的數(shù)據(jù)流和資源協(xié)調(diào)。多個(gè)單元級(jí)CPS或DT的集成構(gòu)成了系統(tǒng)級(jí)CPS或DT。系統(tǒng)級(jí)CPS和DT生產(chǎn)系統(tǒng)可以是生產(chǎn)線、車間，甚至是工廠等?；凇案兄?分析-決策-執(zhí)行”的閉環(huán)，系統(tǒng)級(jí)CPS和DT可以實(shí)現(xiàn)制造資源的最優(yōu)配置，提高各種資源之間的協(xié)作效率。系統(tǒng)級(jí)CPS和DT具有相同的系統(tǒng)級(jí)物理制造系統(tǒng)（如生產(chǎn)線、車間、工廠等）。系統(tǒng)級(jí)CPS的信息部分與單元級(jí)CPS沒(méi)有太大差別。但是系統(tǒng)級(jí)DT的虛擬模型需要通過(guò)多個(gè)單元級(jí)模型的集成和協(xié)作來(lái)形成。此外，復(fù)雜產(chǎn)品可以被視為系統(tǒng)級(jí)DT。例如，對(duì)于由大量零部件組成的飛機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生用于評(píng)估運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)和診斷損壞，而機(jī)翼數(shù)字孿生用于評(píng)估飛行姿態(tài)。這些相關(guān)的數(shù)字孿生部分被組合以形成復(fù)雜的產(chǎn)品數(shù)字孿生。

（三）SoS級(jí)

在系統(tǒng)級(jí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建智能服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)CPS或DT之間的跨系統(tǒng)互聯(lián)、互操作和協(xié)同優(yōu)化。在此級(jí)別，通過(guò)服務(wù)平臺(tái)，多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS或DT形成SoS級(jí)CPS或DT 。與系統(tǒng)級(jí)CPS相比，SoS級(jí)CPS更注重企業(yè)級(jí)集成，甚至跨企業(yè)協(xié)作。企業(yè)協(xié)作將提供不同類型的協(xié)作應(yīng)用，如商務(wù)協(xié)作、供應(yīng)鏈協(xié)作、制造協(xié)作等。例如，生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和服務(wù)公司之間的協(xié)作可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制、智能設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程維護(hù)等。至于DT，仿真和從生命周期的一個(gè)階段到后續(xù)階段的無(wú)縫數(shù)據(jù)傳輸是核心。因此，SoS級(jí)DT是產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的集成。它將來(lái)自產(chǎn)品生命周期各個(gè)方面的數(shù)據(jù)整合在一起，這可能在各個(gè)生命周期階段甚至下一個(gè)生命周期中都很有用。SoS級(jí)DT為產(chǎn)品創(chuàng)新和質(zhì)量可追溯性奠定了基礎(chǔ)。例如，來(lái)自制造和維護(hù)階段的數(shù)據(jù)也可以幫助改進(jìn)下一代設(shè)計(jì)。SoS級(jí)數(shù)字孿生不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，還可以大大降低時(shí)間和成本。

（四）小結(jié)

實(shí)施CPS和DT是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。根據(jù)層次結(jié)構(gòu)，CPS和DT可以分三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。第一步是構(gòu)建單元級(jí)CPS和DT?；谠O(shè)備DT，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能監(jiān)控、智能控制、健康管理。第二步是構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)CPS和DT。多個(gè)單元級(jí)可以形成系統(tǒng)級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)。最后，根據(jù)單元級(jí)和系統(tǒng)級(jí)，實(shí)現(xiàn)了SoS級(jí)。

五、CPS和DT的功能實(shí)現(xiàn)

CPS和DT都旨在實(shí)現(xiàn)信息物理融合。然而，在進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，它們各有側(cè)重。CPS將傳感器和執(zhí)行器視為主要模塊，而DT則采用基于模型的系統(tǒng)工程方法，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)和模型。CPS和DT都與New IT密不可分，New IT為CPS和DT提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

（一）CPS的功能實(shí)現(xiàn)

CPS集成了3C技術(shù)，使物理流程具有精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作、自主管理和其他功能。CPS與物理過(guò)程緊密耦合。智能來(lái)自數(shù)據(jù)。傳感器和執(zhí)行器與物理世界交互以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換是CPS最重要的功能。它們負(fù)責(zé)從物理機(jī)器和環(huán)境感知狀態(tài)，以及執(zhí)行控制命令。如圖5所示，通過(guò)分布在物理設(shè)備和環(huán)境中的多個(gè)傳感器，進(jìn)行大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)采集（如材料屬性、實(shí)時(shí)性能和環(huán)境條件）和狀態(tài)標(biāo)識(shí)，以實(shí)現(xiàn)使信息世界和物理世界之間的交互。通過(guò)信息世界的數(shù)據(jù)管理、處理和分析，基于預(yù)定義的規(guī)則和控制語(yǔ)義生成控制命令?？刂泼畋环答伣o執(zhí)行器，而后執(zhí)行器根據(jù)控制命令執(zhí)行操作并適應(yīng)變化。數(shù)據(jù)和控制總線為實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交換提供支持。通過(guò)傳感器和執(zhí)行器，物理過(guò)程的任何變化（如行為、條件或性能）都會(huì)導(dǎo)致信息世界的變化，反之亦然。因此，CPS的側(cè)重點(diǎn)是傳感器和執(zhí)行器。

圖5. CPS的功能實(shí)現(xiàn)

（二）DT的功能實(shí)現(xiàn)

DT的主要思想是為物理實(shí)體創(chuàng)建數(shù)字副本（即虛擬模型），以便通過(guò)建模和仿真分析來(lái)模擬和反映其狀態(tài)和行為，并通過(guò)反饋，預(yù)測(cè)和控制它們的狀態(tài)和行為。由于物理世界的狀態(tài)，行為和屬性是動(dòng)態(tài)變化的，所以從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始到產(chǎn)品生產(chǎn)、服務(wù)不斷產(chǎn)生、使用和存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生集成了全要素、全業(yè)務(wù)和全流程數(shù)據(jù)，以確保一致性。如圖6所示，集成幾何、結(jié)構(gòu)、材料屬性、規(guī)則和過(guò)程等的模型使生產(chǎn)系統(tǒng)和過(guò)程的數(shù)字化和可視化成為可能。結(jié)合數(shù)據(jù)分析，數(shù)字孿生使制造商能夠做出更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)、合理的決策和智能的生產(chǎn)。此外，在模型和物理過(guò)程的共同演化過(guò)程中，模型也會(huì)生成新數(shù)據(jù)。這些模型用作通信和記錄機(jī)制，幫助解釋機(jī)器或系統(tǒng)的行為，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)以及模型數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)其未來(lái)狀態(tài)。因此，DT的側(cè)重點(diǎn)是數(shù)據(jù)和模型。

圖6. DT的功能實(shí)現(xiàn)

（三）CPS和DT與New IT的集成

目前，New IT還沒(méi)有通用的單一定義。New IT可以看作是工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成。New IT既是信息技術(shù)的縱向升級(jí)，也是信息技術(shù)與不同行業(yè)和領(lǐng)域的橫向整合。物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能是New IT的核心元素。在制造業(yè)中，由于數(shù)字化，制造資源會(huì)產(chǎn)生大量的各種數(shù)據(jù)（圖7）。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)以進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算。通過(guò)統(tǒng)一調(diào)配計(jì)算和存儲(chǔ)資源，云計(jì)算可以有效地滿足數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)的需求，而大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效地挖掘隱藏的有用信息和知識(shí)，從而提高智能，更好地滿足動(dòng)態(tài)服務(wù)需求。因此，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能在New IT中扮演著重要的角色。

圖7. 工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成

New IT的進(jìn)步對(duì)CPS和DT產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。首先，CPS與New IT密不可分。物聯(lián)網(wǎng)和基于云的制造可被看作是制造中的特殊CPS；當(dāng)在CPS中應(yīng)用時(shí)，大數(shù)據(jù)更有意義。Wan等認(rèn)為通過(guò)引入更智能、更具交互性的操作，CPS是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的演變。集成了云的CPS可以實(shí)現(xiàn)以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，以滿足工業(yè)4.0的要求。人工智能使整個(gè)系統(tǒng)變得智能，允許它“像人一樣思考”和“像人一樣行動(dòng)”。至于DT，它被認(rèn)為是管理工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一種新方式。將云技術(shù)集成到DT中，對(duì)于確保存儲(chǔ)、計(jì)算和通信的可擴(kuò)展性具有重要意義。大數(shù)據(jù)分析、人工智能和相應(yīng)的算法也被視為DT的重要基礎(chǔ)。在多個(gè)DT潛在應(yīng)用探索中，New IT也起著重要的作用。與CPS相比，DT在集成New IT時(shí)更快、更方便。例如，許多公司在其DT應(yīng)用中添加了New IT，包括美國(guó)通用電氣公司、德國(guó)西門子股份公司、PTC、法國(guó)達(dá)索公司和美國(guó)特斯拉公司。

（四）小結(jié)

CPS和DT的功能實(shí)現(xiàn)旨在賦予物理過(guò)程更高的效率、彈性和智能。鑒于它們各自的側(cè)重點(diǎn)（即CPS中的傳感器和執(zhí)行器以及DT中的模型和數(shù)據(jù)），CPS和DT具有不同的應(yīng)用重點(diǎn)。但是，兩者都必須與New IT集成。

六、CPS和DT的對(duì)比分析

從廣義上看，CPS和DT具有類似的功能，并且都描述了信息物理融合。但是，CPS和DT并不完全相同。本節(jié)從不同角度提供比較和聯(lián)系，如表1所示。

表1 CPS和DT的對(duì)比分析

aIncluding two directions—cyber to physical and physical to cyber.

如表1所示，CPS和DT大約在同一時(shí)間被提出。然而，直到2012年NASA和美國(guó)空軍開始使用DT概念時(shí)DT才受到廣泛關(guān)注。相比之下，自Gill提出CPS，CPS就受到了學(xué)術(shù)界和政府的廣泛關(guān)注。工業(yè)4.0將CPS列為核心。然而，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，DT開始流行起來(lái)。在構(gòu)成上，CPS和DT都涉及物理世界和信息世界。通過(guò)信息物理交互和控制，CPS和DT都實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理世界的精確管理和操作。然而，對(duì)于信息世界，CPS和DT各有側(cè)重點(diǎn)。DT更側(cè)重于虛擬模型，從而在DT中實(shí)現(xiàn)一對(duì)一映射，而CPS強(qiáng)調(diào)3C功能，從而導(dǎo)致一對(duì)多映射關(guān)系。在CPS和DT的功能實(shí)現(xiàn)方面，傳感器和執(zhí)行器支持物理世界和信息世界之間的交互以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制交換。相比之下，模型在DT中起著重要的作用，有助于根據(jù)各種數(shù)據(jù)解釋和預(yù)測(cè)物理世界的行為。從層次結(jié)構(gòu)的角度看，二者均可分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和SoS級(jí)。但是，由于它們具有不同的側(cè)重點(diǎn)，CPS和DT在每個(gè)級(jí)別上具有不同的組成部分。最后，通過(guò)與New IT的集成，CPS和DT可以提供優(yōu)化的解決方案，從而增強(qiáng)制造系統(tǒng)的能力，有助于實(shí)現(xiàn)智能制造。

七、總結(jié)

智能制造已成為必然趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)信息物理融合是智能制造的重要前提，CPS和DT是首選方法。但是，兩者并不完全相同。本文從多個(gè)角度回顧和分析CPS和DT，并討論了它們之間的差異和相關(guān)性。從本文提供的不同角度的比較，可以更好地了解CPS和DT，并有助于識(shí)別CPS和DT之間的異同。