數(shù)字孿生（DigitalTwin）的設(shè)想首次出現(xiàn)是在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上。該設(shè)想的目的是，在虛擬空間構(gòu)建的數(shù)字模型與物理實體交互映射，忠實地描述物理實體全生命周期的運行軌跡?，F(xiàn)如今，數(shù)字經(jīng)濟已成為全球經(jīng)濟發(fā)展的熱點，各國紛紛提出數(shù)字經(jīng)濟戰(zhàn)略。2020年11月工信部牽頭發(fā)布《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》，數(shù)字孿生技術(shù)與國民經(jīng)濟各產(chǎn)業(yè)融合不斷深化，有力推動著各產(chǎn)業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，成為我國經(jīng)濟社會發(fā)展變革的強大動力。
數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展格局
數(shù)字孿生是一種以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。主要通過對物理世界的人、物、事件等所有要素數(shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個與之對應(yīng)的“虛擬世界”，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的數(shù)字世界同生共存、虛實交融的格局。物理世界的動態(tài)，通過傳感器精準(zhǔn)、實時地反饋到數(shù)字世界。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化能實現(xiàn)由實入虛的目的，網(wǎng)絡(luò)化、智能化可實現(xiàn)由虛入實的目標(biāo)，通過虛實互動，持續(xù)迭代，實現(xiàn)物理世界的最佳有序運行。
近年來，我國高度重視數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級戰(zhàn)略正在推進(jìn)中，引導(dǎo)數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟深度融合，促進(jìn)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。數(shù)字孿生作為一項關(guān)鍵技術(shù)和提高效能的重要工具，可以有效發(fā)揮其在建模、數(shù)據(jù)采集、分析預(yù)測、虛擬仿真等方面的作用，助力推進(jìn)數(shù)字化產(chǎn)業(yè)化，行業(yè)應(yīng)用更是有無限廣闊的空間。數(shù)字孿生作為新一代高新技術(shù)，結(jié)合人工智能、5G、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)與各產(chǎn)業(yè)不斷融合深化，有力推動各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展，實現(xiàn)智能互聯(lián)網(wǎng)時代的升級與變革。
中國工程院院士李培根表示，數(shù)字孿生體是新一代制造業(yè)最大特點。數(shù)字孿生技術(shù)支持從創(chuàng)新概念到產(chǎn)品運行的過程，即貫穿產(chǎn)品的全生命周期。數(shù)字孿生體的價值在于與物理生命體的“共生”。在產(chǎn)品運行過程中，過程數(shù)據(jù)不斷豐富數(shù)字孿生模型，獲得的衍生數(shù)據(jù)反過來又能優(yōu)化產(chǎn)品的運行。中國工程院院士李伯虎認(rèn)為，支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、云化、智能化模式的謀生手段。“智能+”時代的建模仿真技術(shù)是“智能+”時代的建模和仿真的模式、手段和業(yè)態(tài)的變化，而且隨著時代的需求和其他技術(shù)的不斷發(fā)展建模仿真技術(shù)也會有所突破。因此要持續(xù)地研究建模、仿真的模式和手段及業(yè)態(tài)的新發(fā)展，在軟件定義的時代如果建模和仿真沒有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、云化、智能化的模式手段及業(yè)態(tài)就是空談。
數(shù)字孿生發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)
1.數(shù)據(jù)采集技術(shù)
數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生最核心的要素，它源于物理實體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)，同時在融合處理后又融入到各部分中，推動了各部分的運轉(zhuǎn)。因此，數(shù)據(jù)的采集是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。各個設(shè)備廠家在開發(fā)過程中，為了更好地適應(yīng)不同用途場景的復(fù)雜環(huán)境，體現(xiàn)出設(shè)備的特點，不同的廠家使用了不同的現(xiàn)場總線，不同的設(shè)備之間又需要不同的設(shè)備通訊協(xié)議來可靠地傳輸數(shù)據(jù)。因此直到今天還沒有一個全球統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議。
目前市場上至少有幾千種以上的設(shè)備通信協(xié)議，如modbus、HART、ASI、PPI、TCP/IP、NetBEUI、MPI以及工業(yè)以太網(wǎng)等，種類繁多的協(xié)議所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式完全不同。
硬件設(shè)備的端口類型也是五花八門，包括RJ-45、SC、AUI、BNC、Console、FDDI等，給設(shè)備互通帶來很大難度，形成信息孤島。
要實現(xiàn)從控制系統(tǒng)中讀取設(shè)備數(shù)據(jù)就需要經(jīng)過數(shù)據(jù)格式解析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新定義、數(shù)據(jù)邏輯重新定義等，對原生數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，進(jìn)而從出眾多數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵、有效的部分并進(jìn)行輸出。同時支持開放式通信標(biāo)準(zhǔn)OPCUA和API自定義協(xié)議接入，可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r，實現(xiàn)邊緣數(shù)據(jù)采集的高速、高可靠和高適應(yīng)性，為后續(xù)數(shù)字孿生系統(tǒng)運行提供重要的基礎(chǔ)。
2.數(shù)字孿生數(shù)據(jù)應(yīng)用
孿生數(shù)據(jù)包括物理實體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，領(lǐng)域知識及其融合數(shù)據(jù)，并隨著實時數(shù)據(jù)的產(chǎn)生被不斷更新與優(yōu)化。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生運行的核心驅(qū)動。將以上四個部分進(jìn)行兩兩連接，使其進(jìn)行有效實時的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)實時交互以保證各部分間的一致性與迭代優(yōu)化。
針對應(yīng)用對象及需求分析出物理實體的特征，建立虛擬模型，構(gòu)建連接實現(xiàn)虛實信息數(shù)據(jù)的交互，并借助孿生數(shù)據(jù)的融合與分析，最終為使用者提供各種服務(wù)應(yīng)用。多維虛擬模型就是實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、故障預(yù)測、健康管理等各種功能最核心的組件，在數(shù)據(jù)驅(qū)動下多維虛擬模型將應(yīng)用功能從理論變?yōu)楝F(xiàn)實。
3.數(shù)據(jù)建模技術(shù)
數(shù)字孿生應(yīng)用中真實物理空間的映射建模需要用豐富建模、計算求解、仿真工具集來強化多時空尺度模型統(tǒng)一計算求解能力。通過研制建模、計算求解、仿真工具集，形成多時空尺度模型統(tǒng)一計算求解能力，研究多領(lǐng)域多層次數(shù)字孿生模型建模方法，形成模型構(gòu)建與求解軟件工具集，從而提升工業(yè)互聯(lián)感知接入裝置與軟件的多協(xié)議、跨平臺適應(yīng)能力,實現(xiàn)多維模型的虛實映射。
物理實體是客觀存在的，它通常由各種功能子系統(tǒng)（如控制子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng)等）組成，并通過子系統(tǒng)間的協(xié)作完成特定任務(wù)。各種傳感器部署在物理實體上，實時監(jiān)測其環(huán)境數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)。虛擬模型是物理實體忠實的數(shù)字化鏡像，集成與融合了幾何、物理、行為及規(guī)則四層模型。服務(wù)系統(tǒng)集成了評估、控制、優(yōu)化等各類信息系統(tǒng)，基于物理實體和虛擬模型提供智能運行、精準(zhǔn)管控與可靠運維服務(wù)。
在實際落地中，部署在PaaS層上的數(shù)字孿生應(yīng)用，可以對企業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)、管理、運維等領(lǐng)域服務(wù)升級形成開放PaaS服務(wù)，同時具有獨立的數(shù)據(jù)建模服務(wù)，根據(jù)工業(yè)場景的復(fù)雜性和客戶需求的多樣性，結(jié)合多種要素，圍繞不同場景構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，并自動生成數(shù)據(jù)模型的概念關(guān)系圖、邏輯圖和實體模型。構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型庫通過開放的API接口，以標(biāo)準(zhǔn)化模型庫為基準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與存儲。通過數(shù)據(jù)建模工具，對物理空間進(jìn)行虛擬空間的數(shù)字轉(zhuǎn)化提供數(shù)據(jù)模型，形成虛擬空間的實體數(shù)據(jù)模型庫，為實現(xiàn)企業(yè)的虛擬數(shù)字孿生運行和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐，助力企業(yè)數(shù)據(jù)模型共享、復(fù)用、多方參與、協(xié)同演進(jìn)的新生態(tài)。
4.人工智能技術(shù)
在數(shù)字孿生應(yīng)用中，需要在虛擬空間對現(xiàn)實物理映射做到多概率的仿真，這就離不開算法模型和人工智能的開發(fā)。非常復(fù)雜的設(shè)計模型放到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，借助深度學(xué)習(xí)可以把高自由度的模型削減為低自由度且仍能夠提供我們所需要的模型能力。從原理上來說，所有物理映射的虛擬必須進(jìn)行模擬，這些模擬非常耗時耗力。而使用人工智能可以高效的選擇可用性最高的仿真選項。
5.人機交互技術(shù)
動態(tài)實時交互連接將物理實體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)連接為一個有機的整體，使信息與數(shù)據(jù)得以在各部分間交換傳遞。同時將數(shù)字孿生應(yīng)用生成的智能應(yīng)用、精準(zhǔn)管理和可靠運維等功能以最為便捷的形式提供給用戶，給予用戶最直觀的交互。
文/龍小昂王雷深圳華龍訊達(dá)信息技術(shù)股份有限公司
