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数字孪生体究竟是一种什么东西

我们在团体标准《数字孪生体 概念和术语体系》中,将数字孪生体的上位概念认定为数字资产,将同步性认定为数字孪生体的区别特征。本文以团标中数字孪生体这一核心概念和术语为麻雀,对这一概念的定义产生过程和相关概念体系开发过程中所用方法和所做思考进行解读和说明,欢迎大家指正。

1 因实而定名

孔子说:“名不正则言不顺,言不顺则事不成”;荀子说:“名定而实辩”,“名闻而实喻”。“正名”不但是儒家学说的中心问题之一,也是现代术语工作的关键问题之一。

两千多年前,儒家希望通过“正名”来正政,通过伦理化来恢复政治秩序,以达到“天下有道”的社会局面。中国传统文化的正名思想给我们当下的术语工作一个很好的启示,即结合事物的本质,因实而定名;如无必要,勿增实体;要真正做到名实相符。面对西方领先的概念和标准,我们不要一味地迎合,不能图省事、照搬照抄、望文生义,采用“拿来主义”时,不但要考虑国情差异,更要考虑语言差异,首先对英文概念的名和实进行辨析,追本溯源,既有循于旧名,又有作于新名,在借鉴继承中有创新。

在前年《为什么需要给数字孪生加上一个“体”字?》一文基础上,笔者去年在多个场合对Digital Twin对应中文术语命名问题进行了阐述,形成了如下初步结论。

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表1 Digital Twin词形变化导致的概念差异

通过阅读英文文献的定性分析,各种英文期刊论文、研究报告、市场文章中,大约有50%的digital twin是指数字孪生体(digital twin entity),20%的digital twin是指在前者基础上的数字孪生系统(digital twin system),其余30%是由前两者引发的技术和产业。所以,不分场合、图省事地把digital twin翻译为数字孪生,是无法作为术语标准化工作的有效输入的;而如果把表1中的所有英文词都译为数字孪生,更有语文和英语都没学好的嫌疑。

2 规范的术语定义长什么样?

在去年底的《数字孪生体标准化进展年度回顾》中,笔者给出了术语工作的成熟度等级(图1)。其中,对术语条目定义的最基本要求(二级)是符合国家标准。那么,根据相关国家标准,一个术语条目,其规范的定义应该长什么样?

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图1 术语工作的成熟度等级

内涵是构成一个概念的全部特征。区别特征是一个概念同其他相关概念相区别的本质特征。鉴于内涵定义最清晰地揭示出一个概念体系中某概念的本质特征,是最精确的概念定义方法,《GB/T 1.1-2020 标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》中建议,(术语的)定义宜采用内涵定义的形式,其优选结构为:定义=用于区分所定义的概念同其他并列概念间的区别特征+上位概念。所以,一个规范的术语条目定义,就是区别特征加上上位概念。

在此基础上,一个好的术语定义还应至少满足以下条件:

首先,定义应该是系统性的,以有助于重构概念体系。既把概念体系当作一个系统,也把给定概念的定义当作一个系统。大多数概念都有多重继承关系,选择哪个或哪些维度或视角来确定上位概念,既要考虑词义关系等语义因素,也要考虑业务需求、系统架构等语用因素。

其次,定义中所反映的外延与内涵应适应给定专业领域中的概念体系。定义应反映给定概念在概念体系中的位置,并能与其他概念区分开来。

第三, 定义的主要目的并不是为了提供一种对给定概念有完整理解的方法,而是为了避免将这一概念与其他相关概念相互混淆。这一点,与百科全书式的描述或解释说明不同。

下面让我们用这个简洁的公式和上述原则来审视各式各样的数字孪生体定义。

3 各种Digital Twin常见定义存在的问题

2019年底,安世亚太《数字孪生体技术白皮书》中将数字孪生体定义为现有或将有的物理实体对象的数字模型。现在看将数字模型作为数字孪生体的上位概念是不完整、不恰当的。表2汇总了Digital Twin常见英文定义的上位概念,并做了点评。

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表2 Digital Twin常见英文定义的上位概念及点评

首先,上表中的Airframe Digital Twin虽然选系统作为上位概念,但这里指的还是数字孪生体,而非数字孪生系统。在概念体系中系统和机体数字孪生体两个概念离得太远了,不适合作为内涵定义的上位概念,关键还是要看数据、模型、软件工具这些机体数字孪生体组成元素的实质和相互作用。另外,笔者在上月初《数字孪生体标准化进展年度回顾》一文中区分了数字孪生体和数字孪生系统,两者之间的关系如图2所示。

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图2 数字孪生体与数字孪生系统之间的关系(图片来源:ISO/DIS 23247-2)

其次,为了给数字孪生体找到恰当的上位概念,我们需要追本溯源。我们发现,与Digital Thread借用纺织品领域术语thread类似,Digital Twin借用了生物学领域术语twin。这种利用借代或借喻等修辞手法为其他领域新概念指定术语名称的做法,有可能会带来名实不符的问题。例如,大家对digital twin这个英文术语背后的数字孪生体概念有多种不同的理解,出现了多种定义和表2给出的多种上位概念。为了解决这一问题,除了分别指明各种上位概念存在的问题外,还需要找出它们之间的内在联系,以解释各家各派的定义为什么会出现表2列出的各种问题。

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图3 digital twin各种英文定义所涉及的多个上位概念之间的语义关系(数据来源:WordNet)

利用WordNet提供的定义和关系,采用UML类图/SysML块定义图中关联、泛化和依赖关系表示,图3给出了 digital twin各种英文定义所涉及的多个上位概念(图中标棕色的单词)之间的语义关系。有了这张图,让我们对表2列出的各种问题豁然开朗。简单地说,表2 的大部分定义掉到了图3由twin这个词引发的语义关系“坑”里,想跳却没跳出来。

有些定义尝试解决twin这个词造成的名实不符的问题,却选错了上位概念。例如,National Instruments的定义,用replica这一兄弟或叔侄概念来定义twin,尝试拓展twin的内涵和外延,但还没有逃脱copy的牢笼,“复制”无论作为名词还是动词,都不是数字孪生体的上位概念或区别特征。

选择representation作为上位概念的几个定义,利用了representation是多义词的特点,尝试进一步远离twin这个词,却掉到了另一个“坑”里。按照术语定义的原则,名词性概念内涵定义的上位概念应该是名词,动词性概念内涵定义的上位概念应该是动词或动名词。而representation在这里是是一种活动或行为。这也是为什么我们在团标中区分了数字孪生体(名词性概念)和数字孪生化(动词性概念)。而且,更关键的是,正如表2指出的,表达或表征只强调了从数字孪生化对象到数字孪生体这一个方向的输入,无法代表数字孪生体的全部本质特征,至少还缺了反向输出相关的特征。同理,PTC和北航的定义选择功能或函数、映射作为数字孪生体的上位概念也不是好的选择。

而认为数字孪生体是一种数字模型或模型的仿真的定义,过于沉入技术细节,违反了“如无必要、勿增实体”的原则。数字孪生体的内涵远远超越了建模、超越了仿真、甚至超越了建模+仿真,所以才需要创造一个新概念来应对新需求、新问题。

Michael Grieves博士和NASA的John Vickers选择information constructs作为上位概念。信息一词的引入是个新思路,但还要考虑数据和知识的影响。Constructs一词显得过于抽象,不接地气,中文不好找对应。

最后,可以看出,上述各种英文定义都在尝试摆脱twin一词带来的digital twin(数字孪生体)名实不符问题,但各种努力效果不明显。所以,再上位概念的选择上,我们需要跳出语义关系的束缚,破除思维定势,引入业务需求、系统架构等外部因素,为数字孪生体选择一个超越建模+仿真、进而超越数字化表征+数字化执行的名词性上位概念。

4 为什么数字孪生体是一种数字资产

表2最后一行ISO/TS 18101-1(油气互用性 第一部分 概述和基本原理)将数字孪生体定义为其服务能为一个组织提供价值的数字资产。数字资产这个上位概念开拓了我们的思路。团标基本采纳了这个定义,修改为“其服务能为利益相关方提供价值的数字资产”,作为团标数字孪生体定义的一部分。但ISO/TS 18101-1对数字资产的定义是:data set describing an asset that is not necessarily physical(描述不一定是实物资产的数据集)。这个定义,从上位概念到否定定义的区别特征,都不令人满意。于是,团标为数字资产这个概念给出了新定义:数字资产是以数字实体形式存在的认知资产;进而为数字资产在数字孪生体概念体系中找到了自己的位置(图4)。

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图4 数字孪生体概念体系更新版

与上个月《数字孪生体标准化进展年度回顾》中的版本相比,图4增加了数字孪生体和数字资产的多重继承关系,并修正了几处错误。

将数字孪生体认定为数字资产(既是数字实体,又是认知资产),以及将DIKW(数据、信息、知识和智慧)体系抽象为认知资产,可见的好处有如下几条:

  • 通过理清认知资产、无形资产和数字资产之间的关系,丰富了资产管理分类体系。
  • DIKW的认知资产体系为数字孪生系统架构设计和分析提供了新的视角。
  • 借鉴数字资产领域的技术和应用进展,为建立数字孪生体管理和治理体系提供支撑。例如,区块链技术在数字孪生系统安保子系统的应用。
  • 摆脱英文语义关系束缚,引入业务和架构因素,为数字孪生体建立真正意义上的概念体系本体模型。
  • 将数字孪生体的管理纳入系统工程框架(图5),将系统工程/MBSE是数字孪生体、数字孪生系统和数字线程的顶层框架技术和关键技术这句话落到实处。
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图5 安世亚太精益研发三维系统工程模型

正如团标中给出的按时间、空间和目的-手段关系构建的三维分类框架(图6)是人类认识世界的分类框架,在图5基础上抽象出来的系统工程三维参考框架则是人类改造世界的行动框架。这两个框架将继续在数字孪生体标准化工作中发挥重要作用。

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图6 按时间、空间和目的-手段关系构建的三维分类框架

最后,顺便提一下,表2中列出的三个国际标准,全部来自ISO/TC 184/SC 4。这既说明这个分委会在数字孪生体标准化工作中的重要地位,也说明国际上对数字孪生体的定义尚未达成统一。

5 结语

本文通过分析为什么将数字孪生体的上位概念认定为数字资产,介绍了系统分析方法在建立概念体系和术语定义中的应用。

从2012年部门培训和公司培训,到2013年阎良知识工程项目组培训,再到2017年系统工程沙龙讲座,术语工作成熟度模型及相关方法、流程和工具日臻完善,最近在《数字孪生体 概念和术语体系》团标中得到检验和验证。本文和上文《数字孪生体标准化进展年度回顾》既是对团标的解读,也是对术语工作相关方法、流程和工具的介绍。希望这一系列工作对提升国内术语标准化工作的成熟度水平有所助益。

本文来源:数字孪生体实验室,作者:段海波。

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