德國為什么從信息物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字孿生體?

工業(yè)4.0研究院一直跟蹤德國工業(yè)4.0的進展，在2013年發(fā)布的《工業(yè)4.0未來項目實施建議》報告中，德國明確提出以信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）為工業(yè)4.0的基礎(chǔ)技術(shù)，打造智能化和網(wǎng)絡(luò)化的未來世界。

我們回顧一下信息物理系統(tǒng)產(chǎn)生的歷史，2006年美國國家科學(xué)基金會（NSF，National Science Foundation）首次提出了信息物理系統(tǒng)的概念，希望在未來10-20年解決相關(guān)研究問題，這實際上是創(chuàng)建了一門新的學(xué)科。

事實上美國國家科學(xué)基金會做到了。

在2016年美國21世紀(jì)CPS教育委員會發(fā)布了《美國信息物理系統(tǒng)教育規(guī)劃報告》，為10年時間的探索和研究畫上了句號。回顧2012年德國國家科學(xué)與工程院發(fā)布了《德國信息物理系統(tǒng)綜合研究報告》，期間到底發(fā)生了什么，很值得探究。

伯克利Ptolemy項目概念圖（Concept Map）

2013年工業(yè)4.0研究院成立之初，首要的任務(wù)就是學(xué)習(xí)德國工業(yè)4.0相關(guān)體系，其中的重點就是研究信息物理系統(tǒng)——畢竟這是德國工業(yè)4.0的技術(shù)基礎(chǔ)。

為了深入理解信息物理系統(tǒng)的價值，工業(yè)4.0研究院主要通過伯克利的Ptolemy開源項目來進行學(xué)習(xí)研究，通過2年多的研發(fā)實踐，終于建立了針對信息物理系統(tǒng)的知識與工程體系（相關(guān)報告全部可以在工業(yè)4.0創(chuàng)新平臺上找到），可以進一步對工業(yè)4.0的具體工程應(yīng)用進行深化。

不過我們很快發(fā)現(xiàn)了一個問題，那就是信息物理系統(tǒng)的工程應(yīng)用太復(fù)雜了，通常的工程師難以在真正的智能制造場景中應(yīng)用信息物理系統(tǒng)方法。我們開始觀察德國工業(yè)4.0是如何解決這個問題的。工業(yè)4.0創(chuàng)新平臺上案例庫翻譯了大量的德國案例，部分是德國的信息物理系統(tǒng)實踐，其中一些案例確實取得了成果，但大部分制造業(yè)的場景并無信息物理系統(tǒng)的解決方案。

簡單地講，德國信息物理系統(tǒng)實踐的案例，大都從嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過來的，而且是一些較為復(fù)雜的工業(yè)場景才需要用信息物理系統(tǒng)這樣高級的概念。這一點跟國內(nèi)一些供應(yīng)商大打信息物理系統(tǒng)的牌是同樣的原因。

美國商務(wù)部下屬NIST提出的CPS工程架構(gòu)

在2016年，工業(yè)4.0研究院迅速關(guān)閉了成立幾年時間的CPS研究中心，但關(guān)于CPS的跟蹤和研究仍然沒有停止，按照美國信息技術(shù)與制造業(yè)融合新路徑數(shù)字孿生體方向，工業(yè)4.0研究院開始深入研究數(shù)字孿生體（Digital Twin）和數(shù)字線程（Digital Thread），即數(shù)字工程（Digital Engineering）。

在同一時間，工業(yè)4.0研究院發(fā)現(xiàn)美國國家科學(xué)基金會對信息物理系統(tǒng)的支助不斷減少，在邀標(biāo)的正式文件中，已經(jīng)出現(xiàn)“可做的創(chuàng)新內(nèi)容不多”等提法了。雖然美國商務(wù)部下屬NIST在繼續(xù)開展信息物理系統(tǒng)的工作，但也僅僅是為了固化其研究成果，爭取在復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域搶奪全球的標(biāo)準(zhǔn)制定話語權(quán)。

德國通過3年左右的時間，似乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)工程化應(yīng)用的難處，在2015年工業(yè)4.0相關(guān)報告中，已經(jīng)較少出現(xiàn)信息物理系統(tǒng)等提法，僅限于德國科學(xué)與工程院和弗勞恩霍夫等學(xué)術(shù)機構(gòu)專家間或提及，而且提及的方式也還主要以描述性為主，缺少工程細(xì)節(jié)，更談不上通用目的技術(shù)所要求的可復(fù)制性。

以德國工業(yè)4.0平臺（Plattform Industrie 4.0）正式發(fā)布的報告來看，由于它主要跟幾大協(xié)會共同發(fā)布一些報告，部分報告間或提及到信息物理系統(tǒng)，同時還有數(shù)字化系統(tǒng)等內(nèi)容。早在2016年的時候，德國工業(yè)4.0平臺就開始圍繞管理殼（Verwaltungsschale，德文）為核心落實其工業(yè)4.0愿景了。

德國工業(yè)4.0平臺正式文件介紹數(shù)字孿生體

在相當(dāng)長一段時間，德國不少專家在介紹管理殼的時候，仍然以信息物理系統(tǒng)來描述它，這種情況一直延續(xù)到2019年3月。

工業(yè)4.0研究院德國工作小組成員發(fā)現(xiàn)，一直以來德國工業(yè)4.0羞于談及美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC，Industrial Internet Consortium）大張旗鼓推進的數(shù)字孿生體，開始出現(xiàn)在德國工業(yè)4.0相關(guān)報告中。在2019年3月19日發(fā)布的《工業(yè)4.0管理殼詳解》（注意2018年版本沒有數(shù)字孿生體內(nèi)容），德國工業(yè)4.0平臺開始以管理殼是數(shù)字孿生體的實現(xiàn)來進行描述。

歐盟地平線科研支持項目Twin-Control

由此可見，德國在意識到信息物理系統(tǒng)缺少美國科研界進行持續(xù)研究的情況下難以繼續(xù)推進，一直經(jīng)過了幾年時間才開始認(rèn)識到美國數(shù)字?jǐn)?shù)字孿生體的價值。

工業(yè)4.0研究院德國工作小組透露，在2017年的時候，西門子美國公司就已經(jīng)參與了美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟和國防部不少數(shù)字孿生體項目，并把這些經(jīng)驗帶回到德國。

在2017年的漢諾威工博會上，西門子就開始介紹數(shù)字孿生體的解決方案；到2018年的漢諾威工博會，西門子已經(jīng)可以提出系列的數(shù)字孿生體解決方案；當(dāng)然到2019年漢諾威工博會時期，西門子已經(jīng)可以從設(shè)備、機床、數(shù)據(jù)采集、云平臺（MindSphere）等多個層面提出全面的數(shù)字孿生體解決方案了。

另外一個情況值得關(guān)注，目前德國工業(yè)4.0平臺已經(jīng)跟美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟建立了數(shù)字孿生體相關(guān)的對接專項小組，這也是不斷推進德國工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型數(shù)字孿生體的一個動力。

當(dāng)然，工業(yè)4.0研究院發(fā)起的開源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Openii Consortium）則完全以數(shù)字孿生體作為其基礎(chǔ)技術(shù)來構(gòu)建相關(guān)體系。

事實上，連德國的出版社也跟美國的出版社在數(shù)字孿生體出版物上開始較勁，德國Springer為了跟美國Elsevier競爭，紛紛抬高給撰寫數(shù)字孿生體書籍的作者“高價”，企圖在數(shù)字孿生體新的出版機會上占據(jù)領(lǐng)先地位。