数字孪生系统解析

一般架构设计

基于数字孪生的智能系统强调的是物理系统与虚拟系统的协调感知统一，所以基于数字孪生的智能系统最重要的有两个方面:一是数字化的物理系统与虚拟系统的实时连接；另外就是实现数字孪生系统的智能计算模块。本节将实时连接以及智能计算的模块定义为“数字孪生引擎”，最终形成数字孪生系统的通用参考架构，包括物理实体、虚拟实体、数字孪生引擎和数字孪生服务四个部分，如图1所示

物理实体，是数字孪生所要映射的在物理空间实际存在的一个系统。数字孪生系统所包括的物理实体需要有数字化接口，能进行数据采集和信息映射。物理实体中的各个部分，通过物理连接或活动关系结合起来，其本身可以是一个CPS单元、CPS系统或CPS体系。

物理实体中各异构要素的全面互联感知是构建数字孪生系统的前提和关键，智能感知的基础在于泛在的数据采集，常见的数据来源包括各类声光热电力传感器、条形码、计算机/手机/平板电脑/手环等智能终端、系统固有的机器/设备或者智能仪表、系统人员数据、企业的管理数据、本地/云端存储的历史可追溯数据等，数据传输方式通常有现场总线和工业以太网技术、射频识别技术、无线蓝牙技术、工业互联网技术等。

物理实体信息感知的手段包括直接和间接两类。直接手段是指物理实体本身带有传感器，能采集白身的数据；间接手段是通过物理实体外在的环境感知，间接获取物理实体的运行状态。例如，针对某些机械设备，其内置的温度、振动等传感器可以感知其运行状态，而通过视频、声音等方式从外部环境采集设备信息，可以获取其运行的外在表现状态。这些外在传感器的信息也是物理实体数据采集的一部分。

物理实体的另外一个功能是“精准执行”，即能接收虚拟实体、数字孪生引擎发送过来的指令，完成某些动作。依靠高速、低延迟、高稳定的数据传输协议，物理实体能及时接收虚拟系统仿真、分析、优化后的管控命令并精准执行，并将执行结果实时反馈给数字孪生体以进一步迭代优化。

借助互联网、云计算、边云协同等技术，物理实体各组成部分在空间维度上远距离分布式协同控制成为可能，而不必将系统局限在狭小的范围内。物理实体可以具有分散化、社会化、协同化的特点。

简而言之，为了支撑数字孪生系统的实施，物理实体需要具备数字化接入能力。从角色来看，物理实体是数字孪生系统的实现基础，同时也是数字孪生系统最终所要优化的目标对象。

虚拟实体是物理实体对应在信息空间的数字模型，以及物理实体运行过程的相关信息系统。信息系统是物理对象的信息模型抽象，并且包括了一些物理实体运行过程的管理、控制等逻辑。

虚拟实体的模型是指在物理实体设计和运行过程中所构建的几何模型、机理模型以及数据模型。这些模型可以看作是对物理实体的一个定义。对于一个工业产品来说，模型包括三维设计模型、有限元分析模型、制造工艺模型、运行过程的数据模型等。

由于当前的很多产品、系统本身就是一个CPS系统，因此，信息系统是物理实体运行过程不可缺少的部分，例如，数控机床所包含的数控操作系统、数控程序，工厂和车间运行相关的ERP、PLM、MES等系统，这些信息系统是物理系统运行必不可少的部分，也是物理实体在信息空间所对应的虚拟实体的一部分。

在数字孪生系统里面的虚拟实体，可以看成是物理实体在信息空间的一个数字化映射。在数字孪生技术出现之前，这些虚拟实体的组成部分就已经存在，并且在仿真分析、系统运行管控等方面已经开展丰富的应用。但是这些应用没有充分发挥实时数据的作用，模型之间也没有构建成系统化的联系，因此是局部的、非系统化的“浅层数字映射”。

数字孪生引擎一方面是实现物理系统和虚拟系统实时连接同步的驱动引擎，另一方面是数字孪生系统智能算法和智能计算引擎核心，为用户提供高级智能化服务。在数字孪生引擎的支持下，数字孪生系统才真正形成，实现虚实交互驱动以及提供各类数字孪生智能化服务，所以数字孪生引擎即是数字孪生系统的“心脏和大脑”。

如前文分析，数字孪生引擎从功能上来说主要包括交互驱动和智能计算。数字孪生应用通过构建拟实的界面，充分利用三维模型等来形象地展示计算和分析的结果，提高人机交互的水平。其智能计算是利用数据驱动模型进行仿真分析与预测，提供传统虚拟实体应用所没有的智能计算结果

在数字孪生系统出现之前，虚拟实体已经包含了很多反映物理实体运行规律的模型，用来对物理实体进行模拟仿真，同时，虚拟实体中的信息系统也包括了很多物理实体运行过程所采集的数据，但是这些模型和数据因为分属不同的应用目的而开发，没有很好地融合起来，不能充分发挥作用。数字孪生就是解决传统应用模型和数据分离的各自为政的问题，通过两者的融合充分发挥协同作用。数字孪生引擎的另外一个重要功能，就是完成模型和数据融合，包括相关的数据管理和模型管理功能。

数字孪生服务是指数字孪生系统向用户各类应用系统提供的各类服务接口，是物理实体、虚拟实体在数字孪生引擎支持下提供的新一代应用服务，是数字孪生系统功能的体现。

物理实体和虚拟实体在没有数字孪生引擎的支持下，能进行传统意义上的系统运行，完成各自预定的功能。但是，数字孪生引擎能让物理实体、虚拟实体融合在一起，形成数字孪生系统，具有原来物理实体和虚拟实体独立运行所没有的新的功能。一个完整的数字孪生系统包括服务接口支持，也就是功能接口，能让数字孪生系统真正地为用户所用。

数字孪生服务包括仿真服务、监控服务、分析服务和预测服务，同时，由于人机交互要求更高，虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)是数字孪生应用的重要形式，因此，数字孪生服务也包括对这些应用的服务接口支持。

数字孪生服务根据数字孪生系统的不同，具体实现内容也不同，其设计和实现根据不同的行业、不同的规模而不同，同时，随着数字孪生系统的不断进化，其服务内容也会不断增加，是一个逐步完善的过程。

基于数字孪生服务，根据不同的应用需求，可以开发不同的应用。数字孪生的应用部分可以是传统信息系统的升级，部分是全新开发的应用。由于移动互联、泛在计算的广泛应用，手机、平板电脑、智能眼镜等将是数字孪生应用的一个新的发力点，也是提供给用户沉浸体验的新手段。