數(shù)字孿生技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析

楊一帆， 鄒 軍,,3， 石明明， 李月峰， 楊波波，王洪榮， 施成章， 金龍悅， 路 鑫

（1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院, 上海 201418；2. 上海贄匠智能科技有限公司, 上海 201418；3. 江蘇派銳電子有限公司, 江蘇 南通 226000）

數(shù)字孿生最早的誕生沒有一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間，但是在2002年Michal Grieves博士在密歇根大學(xué)PLM中心生命周期（product lifecycle management，PLM）的一次演講中首次提出了PLM概念模型。PLM模型中出現(xiàn)了2個(gè)關(guān)鍵特性：現(xiàn)實(shí)空間、虛擬空間，這2個(gè)關(guān)鍵特性也為日后數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)，而在當(dāng)時(shí)該模型已經(jīng)具備了早期數(shù)字孿生的基本要素，并且該模型分別在2006年和2011年被稱之為“鏡像空間模型”、“信息鏡像模型[1]。

同年，Michael Grieves和John Vickers發(fā)布了一份白皮書《幾乎完美：通過PLM驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》中正式的引入了術(shù)語(yǔ)“數(shù)字孿生”，并定義數(shù)字孿生的概念為充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。Michael Grieves和John Vickers發(fā)表的這本白皮書是首次公開對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)做出了一個(gè)全方面的定義，該定義規(guī)范了數(shù)字孿生技術(shù)的基本雛形。

同年3月，在美國(guó)空軍研究室結(jié)構(gòu)力學(xué)部門（air force research laboratory，AFRL），演講的 “基于狀態(tài)的維護(hù)+結(jié)構(gòu)完整性&戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體數(shù)字孿生”中，AFRL擬使用數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行虛擬建模和仿真。通過數(shù)字孿生技術(shù)，AFRL可以將戰(zhàn)斗機(jī)中的多源異構(gòu)零件（包括機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼等）通過高保真的虛擬建模方式映射到計(jì)算機(jī)中，并建立與戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)體相對(duì)應(yīng)的虛擬模型。通過戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)體和戰(zhàn)斗機(jī)虛擬模型之間的雙向交互聯(lián)系，AFRL可以不用考慮戰(zhàn)斗機(jī)昂貴的試錯(cuò)代價(jià)，僅在研究所內(nèi)通過實(shí)時(shí)觀察虛擬模型來(lái)得到戰(zhàn)斗機(jī)飛行時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)、安全風(fēng)險(xiǎn)、零件磨損、機(jī)體外綜合情況等[2]，如圖1所示。

圖1 飛機(jī)數(shù)字孿生體[1]Fig. 1 Airplane digital twin[1]

幾乎同一時(shí)間，美國(guó)通用電氣公司（General Electric Company，GE）在為美國(guó)國(guó)防部提供F-35聯(lián)合攻擊機(jī)解決方案的時(shí)候，也發(fā)現(xiàn)了數(shù)字孿生的價(jià)值，并開始了對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用。美國(guó)通用電氣公司成為首家將數(shù)字孿生與工業(yè)數(shù)字化聯(lián)系起來(lái)的公司，并開始利用數(shù)字孿生去構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系。之后，AFRL在2013年發(fā)布的Spiral 1計(jì)劃就是其中重要的一步，并與美國(guó)通用電氣簽訂了2000萬(wàn)美元的商業(yè)合同以開展此項(xiàng)工作。

2016 年底全球知名的 IT 研究與顧問咨詢公司 Gartner 在其發(fā)布的《2017 年十大發(fā)展趨勢(shì)》中指出“數(shù)以億計(jì)的物件很快將以數(shù)字孿生來(lái)呈現(xiàn)”，使這一概念受到廣泛關(guān)注，進(jìn)入公眾視野。而在實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的行動(dòng)綱領(lǐng)《中國(guó)制造2025》中智能制造的地位被明確提出：“智能制造是新一輪科技革命的核心，也是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的主攻方向”，而數(shù)字孿生也是當(dāng)之無(wú)愧的智能制造的核心技術(shù)。[3]

數(shù)字孿生技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，目前在智能制造的領(lǐng)域初露鋒芒，但在未來(lái)，工業(yè)領(lǐng)域的智能化必然會(huì)依托數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生作為一門新興的技術(shù)，即是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行高精度、多維度、全方面的動(dòng)態(tài)仿真，將處于物理世界的實(shí)體按照一定映射規(guī)則在虛擬世界中建立模型，并構(gòu)建物理世界和虛擬世界的連接，實(shí)現(xiàn)物理世界和虛擬世界之間的實(shí)時(shí)交互通信、虛實(shí)互控、自我迭代優(yōu)化和更新，如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生虛實(shí)模型Fig. 2 Digital twin virtual-real model

國(guó)內(nèi)，陶飛等[4]定義數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型來(lái)仿真和刻畫物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等。劉大同等[2]定義數(shù)字孿生為信息化平臺(tái)內(nèi)建立模擬一個(gè)物理實(shí)體流程或者系統(tǒng)。周瑜等[5]認(rèn)為數(shù)字孿生是指構(gòu)建與物理實(shí)體完全對(duì)應(yīng)的數(shù)字化對(duì)象的技術(shù)、過程和方法。

國(guó)外，ANSYS公司認(rèn)為，數(shù)字孿生是在數(shù)字世界建立一個(gè)與真實(shí)世界系統(tǒng)的運(yùn)行性能完全一致，且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真的仿真模型。美國(guó)國(guó)防采辦大學(xué)認(rèn)為，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史、大數(shù)據(jù)、云端數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)，集成多領(lǐng)域、多學(xué)科、多物理量、多尺度的動(dòng)態(tài)仿真過程，在虛擬空間中完成對(duì)物理實(shí)體的映射，從而反映物理實(shí)體的全生命周期過程。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的不同定義和闡釋，本文提煉出了數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵特性及技術(shù)、并對(duì)此展開了深入的研究。關(guān)鍵特性包括物理模型、虛擬模型、通信和數(shù)據(jù)模型。關(guān)鍵技術(shù)包括高精度高性能傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)數(shù)字孿生的不同定義，總結(jié)出數(shù)字孿生技術(shù)主要包含了3個(gè)關(guān)鍵特性：物理實(shí)體，虛擬模型、連接和數(shù)據(jù)。3種關(guān)鍵特性之間的關(guān)系即物理實(shí)體通過規(guī)定的數(shù)據(jù)模型建立起與虛擬模型相對(duì)應(yīng)的連接。

1.1 物理實(shí)體

物理實(shí)體是存在于現(xiàn)實(shí)物理空間內(nèi)的客觀物體，其屬性包含了幾何模型、基本物理學(xué)屬性以及特定物理學(xué)屬性。物理實(shí)體是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的第一步，也是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)。物理實(shí)體在數(shù)字孿生技術(shù)中充當(dāng)?shù)鼗淖饔茫粌H為虛擬模型提供了可建模刻畫的客觀對(duì)象，也是各類高精度、高性能傳感器反饋數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)來(lái)源[6]。

根據(jù)陶飛團(tuán)隊(duì)[7]對(duì)物理實(shí)體的基本分類和定義，本文擴(kuò)展了物理實(shí)體各類別的具體表達(dá)及功能顯形。物理實(shí)體按照功能和結(jié)構(gòu)可以分為大致3類，如圖3所示。

圖3 物理實(shí)體分類Fig. 3 Physical entity classification

（1） 單元級(jí)物理實(shí)體：?jiǎn)卧?jí)物理實(shí)體為功能實(shí)現(xiàn)的最小單位，既整個(gè)物理實(shí)體組成框架中不可再進(jìn)行分割的個(gè)體。概念上，單元級(jí)物理實(shí)體包含了自身的幾何模型、基本物理屬性以及特定物理屬性。幾何模型包括三維幾何結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、表面特征、微觀材料結(jié)構(gòu)等，基本物理屬性包括質(zhì)量、密度、材質(zhì)等，特定物理屬性按照需求的不同有不同的表現(xiàn)形式。以機(jī)械臂工作站為例，機(jī)械臂即視為一個(gè)單元級(jí)物理實(shí)體，機(jī)械臂提供了自身的三維幾何模型如每個(gè)旋轉(zhuǎn)盤的半徑、大小、厚度等，基本物理屬性如機(jī)械臂的質(zhì)量、材質(zhì)、旋轉(zhuǎn)盤最大可旋轉(zhuǎn)角度、工件最大承重力范圍等，特定物理屬性如每個(gè)旋轉(zhuǎn)盤的角速度、整個(gè)機(jī)械臂的擬合轉(zhuǎn)動(dòng)速度等。

（2） 系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體：系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體由單元級(jí)物理實(shí)體互相配置組合，并可以實(shí)現(xiàn)特定功能。系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體包含了所有單元級(jí)物理實(shí)體的幾何模型及所有物理屬性，并在此基礎(chǔ)上孵化衍生出新的幾何模型關(guān)系及耦合物理屬性。系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體不僅僅是單元級(jí)物理實(shí)體的簡(jiǎn)單組成，而是對(duì)單元級(jí)物理實(shí)體的整體融合與優(yōu)化。以機(jī)械臂工作站為例，機(jī)械臂工作站的一套流程功能如碼垛搬運(yùn)、七巧板拼裝等即視為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體，該系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體包括了所有相關(guān)單元級(jí)物理實(shí)體如機(jī)械臂、運(yùn)輸鏈、待運(yùn)輸模塊等，每個(gè)單元級(jí)物理實(shí)體包含其自身的幾何模型及物理屬性并互相關(guān)聯(lián)影響產(chǎn)生新的幾何模型關(guān)系和物理屬性。例如運(yùn)輸鏈自身屬性包括材質(zhì)結(jié)構(gòu)、摩擦力系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)速度等，通過與機(jī)械臂組合產(chǎn)生了如逆向作用力承受度，最大重力承受范圍等。

（3）復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體：復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體由系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體組成，是能夠?qū)崿F(xiàn)各子系統(tǒng)之間組織、協(xié)調(diào)、管理等功能的綜合復(fù)雜系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體包含了所有系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體的衍生幾何模型、完整物理屬性，并對(duì)系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體進(jìn)行了相關(guān)的配置和調(diào)度。以機(jī)械臂工作站為例，完整的機(jī)械臂工作站就是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)物理系統(tǒng)，其中包含了幾個(gè)系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體如碼垛搬運(yùn)、注塑、七巧板拼裝等，機(jī)械臂工作站將這些獨(dú)立的功能整合和連接，并構(gòu)建框架來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能的分配和調(diào)度管理。

1.2 虛擬模型

虛擬模型是將物理實(shí)體從多維度、多時(shí)間尺度、多方面進(jìn)行刻畫和建模，并能夠體現(xiàn)物理實(shí)體的幾何模型、物理屬性、約束和行為準(zhǔn)則等[8]。數(shù)字孿生技術(shù)中的虛擬模型本質(zhì)是物理實(shí)體在計(jì)算中的一種真實(shí)映射，如圖4所示[9]。虛擬模型作為物理實(shí)體在計(jì)算機(jī)中的真實(shí)映射，時(shí)刻保持著和物理實(shí)體之間的聯(lián)系，并根據(jù)物理實(shí)體的變化相應(yīng)的做出對(duì)應(yīng)的變化。虛擬模型應(yīng)該遵守以下法則：

圖4 1種船舶數(shù)字孿生虛擬模型[9]Fig. 4 A virtual model of ship digital twin [9]

（1） 基于物理實(shí)體的真實(shí)模型

虛擬模型的刻畫和建模必須完全按照物理實(shí)體來(lái)進(jìn)行，包括幾何特征、物理屬性等。虛擬模型作為物理實(shí)體的孿生體，從本質(zhì)上來(lái)解釋既是將物理實(shí)體模型以及附帶的物理規(guī)則按照一定規(guī)則映射到了計(jì)算機(jī)中，所以虛擬模型的構(gòu)建必須完全參照物理實(shí)體模型，并且需要體現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體中各單元級(jí)物理實(shí)體之間的連接關(guān)系以及復(fù)雜系統(tǒng)物理實(shí)體中各系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體之間的耦合關(guān)系。

（2） 物理實(shí)體的忠實(shí)映射

虛擬模型作為物理實(shí)體的忠實(shí)映射，必須擁有和物理實(shí)體交互連接和同步更新的功能。在虛實(shí)互控操作中，這一點(diǎn)尤其顯得重要，無(wú)論是虛控實(shí)還是實(shí)控虛，都要求虛擬模型能夠?qū)崟r(shí)與物理實(shí)體保持同步。例如在數(shù)字孿生城市中，通過對(duì)城市中的物理實(shí)體和虛擬模型之間搭建高速的連接和同步，使現(xiàn)實(shí)城市中每當(dāng)建筑物倒塌、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、車禍現(xiàn)場(chǎng)等突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，虛擬模型會(huì)及時(shí)接收到這些實(shí)體發(fā)生的變化，并隨之產(chǎn)生變化，反之亦然，虛擬城市中的虛擬模型運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，真實(shí)城市也會(huì)進(jìn)行同步更新，將虛擬城市中對(duì)應(yīng)的變化以實(shí)體化的方式展現(xiàn)出來(lái)。

1.3 連接和數(shù)據(jù)

連接方式和數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生過程中非常重要的一環(huán)，架構(gòu)起了物理實(shí)體和虛擬模型之間的橋梁并產(chǎn)生數(shù)據(jù)流。物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)和連接這3個(gè)特性貫穿了整個(gè)數(shù)字孿生的全部生命周期，但是數(shù)據(jù)和連接與物理實(shí)體、虛擬模型不同的是數(shù)據(jù)和連接依托于物理實(shí)體和虛擬模型而存在[10]。數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)字孿生虛實(shí)交互的交互方向不同，可以分為2類交互數(shù)據(jù)類型：①實(shí)控虛數(shù)據(jù)：實(shí)控虛數(shù)據(jù)由各類傳感器采集來(lái)的多源異構(gòu)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換而成，即是將物理實(shí)體的各屬性、指標(biāo)、參數(shù)變化傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。②虛控實(shí)數(shù)據(jù)：虛控實(shí)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)下達(dá)指令并傳遞給虛擬模型，當(dāng)虛擬模型運(yùn)行上位機(jī)下達(dá)的相關(guān)指令時(shí)，將上位機(jī)傳達(dá)的指令進(jìn)行編碼和轉(zhuǎn)換并反饋給物理實(shí)體，物理實(shí)體根據(jù)這些進(jìn)行特殊編碼的數(shù)據(jù)同步跟隨虛擬模型完成指令。數(shù)據(jù)如果是物理實(shí)體和虛擬模型橋梁上的信號(hào)流的話，那么連接就是架構(gòu)起物理實(shí)體和虛擬模型的橋梁。

連接的含義非常的廣，包括了了物理實(shí)體之間的連接、各傳感器之間的連接、物理實(shí)體和虛擬模型之間的連接等。數(shù)據(jù)依托于連接存在，而連接依托于物理實(shí)體和虛擬模型而存在。根據(jù)連接的對(duì)象不同，連接可大致分為2類：①物理實(shí)體之間的連接：物理實(shí)體之間的連接包括單元級(jí)物理實(shí)體之間的連接，系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體之間的連接。根據(jù)需求不同，具體的連接規(guī)則也不盡相同，但是由于大多數(shù)物理實(shí)體之間的距離不會(huì)超過太遠(yuǎn)，所以物理實(shí)體之間的連接通常采取有線連接，因此物理實(shí)體之間的連接相對(duì)較穩(wěn)定和快速。②物理實(shí)體和虛擬模型之間的連接：物理實(shí)體和虛擬模型之間的相對(duì)位置較遠(yuǎn)，通常采用無(wú)線的連接方式。無(wú)線連接大大的延展了連接的距離，但是受限于其自身的技術(shù)條件，無(wú)線連接的方式會(huì)直接導(dǎo)致物理模型和虛擬模型之間的連接速度較慢、穩(wěn)定性不高。

2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)特征

2.1 高精度、高性能傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器作為物理實(shí)體的“眼睛”以及“皮膚”負(fù)責(zé)精準(zhǔn)并快速地收集物理實(shí)體的相關(guān)物理參數(shù)、屬性、狀態(tài)以及物理實(shí)體所處環(huán)境中的各種相關(guān)因素。傳感器對(duì)整個(gè)數(shù)字孿生交互系統(tǒng)起到了非常關(guān)鍵的作用，數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛實(shí)交互過程的基礎(chǔ)就是各類傳感器反饋數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性以及協(xié)調(diào)性[8]，如圖5所示。

圖5 分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)Fig. 5 Distributed sensor network

2.1.1 準(zhǔn)確性

傳感器的準(zhǔn)確性要求對(duì)于數(shù)字孿生而言是最重要的性質(zhì)。傳感器能夠返回的數(shù)據(jù)精確度越高，數(shù)字孿生系統(tǒng)的仿真性就越強(qiáng)、仿真狀態(tài)越精準(zhǔn)、仿真效果越卓越[8]。對(duì)于傳感器本身而言，傳感器必須具備非常強(qiáng)的抗干擾能力和精準(zhǔn)采集能力，對(duì)于各種類型的波動(dòng)模擬信號(hào)能夠進(jìn)行穩(wěn)定、精準(zhǔn)的采集并進(jìn)行一定的處理。例如在工業(yè)機(jī)械臂領(lǐng)域，位移傳感器的精度對(duì)于機(jī)械臂的重要性不言而喻，對(duì)于一些精密產(chǎn)品的制造如芯片等，毫米級(jí)別甚至微米級(jí)別的差別就可能導(dǎo)致整個(gè)制造流程崩潰，因此傳感器的準(zhǔn)確性對(duì)于整個(gè)數(shù)字孿生交互系統(tǒng)都起著非常大的作用。

目前，傳感器的采集目標(biāo)主要為采集模擬信號(hào)輸入再按照固定標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)輸入。模擬量多為漸變的模擬信號(hào)，如溫度、壓力、濕度、成分等，是自然界真實(shí)存在的。模擬信號(hào)的變化往往難以捉摸，根據(jù)自然界或者物體的狀況發(fā)生改變，而傳感器則需要對(duì)模擬量的變化非常敏感。在分布式網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常龐大，其中每一個(gè)傳感器的誤差控制即使控制在百分之一，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)融合之后，精確度也會(huì)丟失很多，從而產(chǎn)生一系列的 “蝴蝶”效應(yīng)[11]。所以，這就對(duì)傳感器的準(zhǔn)確性非常高的要求。目前很多傳感器受限于技術(shù)問題，無(wú)法十分精準(zhǔn)的采集到需要采集的模擬量，這也是當(dāng)前傳感器技術(shù)的痛點(diǎn)所在。

2.1.2 實(shí)時(shí)性

數(shù)字孿生的虛實(shí)交互的過程是多維度、多時(shí)間尺度的耦合關(guān)系，且以虛控實(shí)為最終目的。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和動(dòng)態(tài)處理是數(shù)字孿生過程的命脈之一。例如，數(shù)字孿生系統(tǒng)生命周期中的運(yùn)行時(shí)間過程中，數(shù)據(jù)用來(lái)反饋物理實(shí)體的各種真實(shí)狀態(tài)，并進(jìn)行優(yōu)化和反饋，如果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性很差，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)行時(shí)間過程同步率差、容錯(cuò)率非常高、數(shù)據(jù)偏差等問題。其次，數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)都是由自身產(chǎn)生，不具有先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)更新迭代有很高的要求。

實(shí)時(shí)性可以保證最后數(shù)字孿生形成一個(gè)自我優(yōu)化、自我反饋的閉環(huán)。實(shí)時(shí)性同樣要求傳感器數(shù)據(jù)傳輸速率需要達(dá)到一個(gè)極高的標(biāo)準(zhǔn)，如果產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)延遲等問題，將會(huì)大大的影響傳感器的實(shí)時(shí)性。這也是目前數(shù)字孿生技術(shù)中傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，數(shù)字孿生系統(tǒng)中普遍存在大量傳感器節(jié)點(diǎn)，以目前的無(wú)線傳輸速度很難滿足如此龐大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在未來(lái)，5G時(shí)代下的強(qiáng)大速度完全可以承擔(dān)數(shù)字孿生技術(shù)中的高速率傳輸，可以裝配更多傳感器，實(shí)時(shí)收集更多、更廣、更細(xì)的數(shù)據(jù)。

2.1.3 協(xié)調(diào)性

多源傳感器之間的格式編碼基本都不同。不同的數(shù)據(jù)編碼格式在互相融合的過程中會(huì)產(chǎn)生不可避免的誤差。所以采用易融合性高的編碼格式可以有效的減少在融合處理數(shù)據(jù)方面產(chǎn)生的誤差[12]。

目前的傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過在分布式網(wǎng)絡(luò)中插入傳感器來(lái)節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取環(huán)境中個(gè)物理屬性的當(dāng)前狀態(tài)，但是分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)十分的明顯，分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)造成大量的數(shù)據(jù)通信，并且不同的傳感器接入同一個(gè)網(wǎng)段，數(shù)據(jù)之間的通信格式必然會(huì)形成一個(gè)新的問題。對(duì)于這個(gè)問題，國(guó)外已有學(xué)者研究了一種新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文首先提出了一種新的范式數(shù)字雙網(wǎng)絡(luò)(digital twins network，DTN)來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和任務(wù)隨機(jī)到達(dá)模型。該方法可以完全解決在分布式網(wǎng)絡(luò)中存在的問題。

2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理及連接方式

對(duì)于數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)模型及連接方式，主要問題存在于以下4個(gè)方面：①多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的協(xié)調(diào)同步；②數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院碗[私性；③數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕虎艿秃哪艿臄?shù)據(jù)傳輸[6]。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的協(xié)調(diào)同步是現(xiàn)在數(shù)字孿生技術(shù)面對(duì)的一個(gè)主要問題，也是當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代普遍面臨的一個(gè)重大難題之一。解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的協(xié)調(diào)同步的關(guān)鍵是需要一種模型或算法對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、融合和處理。目前，普遍采用3V（海量、高速、類型多樣）特性下的集成技術(shù)，該集成技術(shù)包括模式/本體對(duì)齊、實(shí)體鏈接、沖突解決和關(guān)系推演。但基于3V特性下的集成技術(shù)存在一定的技術(shù)局限性，導(dǎo)致多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的協(xié)調(diào)同步仍存在固定偏差。未來(lái)在大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展下，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的融合將會(huì)有更好的表現(xiàn)形式[13]。

無(wú)線傳輸是數(shù)字孿生技術(shù)中最常用的傳輸方式，無(wú)線傳輸?shù)倪h(yuǎn)距離、低成本、低功耗都給數(shù)字孿生技術(shù)帶來(lái)很大的便利，但無(wú)線傳輸受限于其自身的傳輸方式，相較有線傳輸，可靠性和安全性都存在一定的隱患。如使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，則必須考慮到數(shù)據(jù)在傳輸過程中因?yàn)楦鞣N可能丟包、甚至被惡意非法篡改的可能性，因此無(wú)線傳輸通常采用一種特殊加密的通信協(xié)議來(lái)確保目標(biāo)能夠收到發(fā)出端發(fā)出的完整、可靠、安全的信息。目前，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐步向5G時(shí)代發(fā)展，5G技術(shù)將提供超高速、高可靠性、低能耗、高安全性的通信和數(shù)據(jù)傳輸，5G技術(shù)的發(fā)展必定會(huì)為數(shù)字孿生技術(shù)的通信連接提供有力的幫助。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)和微云技術(shù)作為補(bǔ)充工具，也將進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)之間的智能連接[14]。

陶飛等[4, 7, 15-16]對(duì)于數(shù)字孿生產(chǎn)生的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)和連接方式提出了一種規(guī)則來(lái)約束。陶飛團(tuán)隊(duì)在6個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范，分別為數(shù)據(jù)表示標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)使用與維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)連接進(jìn)行了4個(gè)方面的規(guī)范，分別是連接映射標(biāo)準(zhǔn)、信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)、交互與集成標(biāo)準(zhǔn)、連接測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。總共十種關(guān)于數(shù)據(jù)與連接的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可以很大程度上幫助解決以上存在的問題。

2.3 高保真虛擬建模及動(dòng)態(tài)仿真

高保真性的虛擬建模技術(shù)是數(shù)字孿生的“靈魂”所在，而動(dòng)態(tài)仿真則反映了數(shù)字孿生是跨越產(chǎn)品全生命周期的動(dòng)態(tài)過程。數(shù)字孿生的高保真虛擬建模及動(dòng)態(tài)仿真是為了能夠在計(jì)算機(jī)中盡可能的還原物理實(shí)體的各種幾何規(guī)則、物理學(xué)屬性。對(duì)于高保真虛擬建模及動(dòng)態(tài)仿真來(lái)說(shuō)，首先高保真虛擬建模需要多領(lǐng)域、多維度、多時(shí)間尺度、高精度的模型數(shù)據(jù)融合，其次對(duì)于動(dòng)態(tài)仿真需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控仿真過程并獲取反饋的數(shù)據(jù)、完成自我更新和優(yōu)化。

目前，虛擬仿真被用于生命周期的不同階段，由不同的工程學(xué)科、不同類型的終端用戶在不同的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合不同的仿真領(lǐng)域和工程方法在各種不同的應(yīng)用領(lǐng)域。工程師通常使用面向塊的仿真系統(tǒng)來(lái)開發(fā)控制器或使用有限元分析工具來(lái)測(cè)試和驗(yàn)證組件布局，這樣的建模和仿真方式僅刻畫復(fù)原了數(shù)字孿生生命周期內(nèi)的一個(gè)特定過程[17]。而在整個(gè)數(shù)字孿生周期內(nèi)，單一維度單一尺度過程的建模方式會(huì)導(dǎo)致當(dāng)特定過程的仿真數(shù)據(jù)在整個(gè)數(shù)字孿生生命周期過程發(fā)生變動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)使用不同方式進(jìn)行平行虛擬建模的模擬系統(tǒng)造成不連續(xù)、耗時(shí)、精確度下降的問題。

例如，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的仿真方法通常基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和剛體動(dòng)力學(xué)原理。工業(yè)機(jī)器人的仿真有非常多的模擬軟件可用，一些已知的和當(dāng)前使用的仿真軟件工具ROBCAD，V-RE、Demo3D等[18]。這些模擬工具的應(yīng)用為規(guī)劃和優(yōu)化機(jī)器人工廠、傳感器、裝配系統(tǒng)等提供了高效和靈活的可能性。但是，幾乎所有這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)都是缺乏靈活性，因?yàn)樗鼈冎皇菫橐粋€(gè)非常特定的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)的。數(shù)字孿生是一個(gè)全生命周期的過程，對(duì)于特定領(lǐng)域的建模方式往往在數(shù)字孿生技術(shù)的配置方面是很復(fù)雜且極容易出錯(cuò)的[19]。就目前來(lái)說(shuō)，還缺少一種整體的、融合性的虛擬仿真技術(shù)可以在數(shù)字孿生的整個(gè)生命周期內(nèi)發(fā)揮作用。

所以，為了克服當(dāng)前以工具為中心的方法的這些局限性，有必要開發(fā)新的概念，使仿真技術(shù)的用戶能夠在不同的維度上靈活地結(jié)合和交換不同的方面。就一個(gè)維度而言，必須能夠組合這個(gè)維度的不同方面，并在各個(gè)方面之間輕松地進(jìn)行更改。對(duì)多個(gè)維度而言，我們必須能夠整合來(lái)自各個(gè)維度的各個(gè)方面。在未來(lái)數(shù)字時(shí)代的建模與仿真可以與真實(shí)世界建立永久、實(shí)時(shí)、交互鏈接，建模與仿真不再是離線的、獨(dú)立的、特定階段的存在，而是向在線化、泛在化、常態(tài)化的服務(wù)發(fā)展[20]。

3 數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)作為工業(yè)領(lǐng)域的新一代代表性技術(shù)，具體在以下幾個(gè)領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用，如制造車間、航空設(shè)備、軍工設(shè)備、智慧醫(yī)療、智慧城市、復(fù)雜裝備制造等領(lǐng)域[15]。

3.1 數(shù)字孿生在車間制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

以制造車間為例，制造業(yè)最基本的單元就是制造車間，數(shù)字化和智能化對(duì)于實(shí)現(xiàn)車間的智能制造是非常迫切的。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在制造車間從而形成新的體系結(jié)構(gòu)——數(shù)字孿生車間。數(shù)字孿生車間的全生命周期主要體現(xiàn)在以下4個(gè)階段，分別是產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段、產(chǎn)品生產(chǎn)階段、產(chǎn)品運(yùn)行階段、產(chǎn)品維護(hù)階段，如圖6所示[21]。

圖6 數(shù)字孿生車間在各生命周期階段Fig. 6 Digital twin workshops at various life cycle stages

3.1.1 數(shù)字孿生車間在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段

由于車間制造的產(chǎn)品本身不具備任何先驗(yàn)知識(shí)，是一個(gè)從無(wú)到有的自主變化過程[21]。因此，通過數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)車間生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行建模，然后通過觀察產(chǎn)品的虛擬模型在仿真環(huán)境下一定時(shí)間內(nèi)的各項(xiàng)變化來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)估真實(shí)產(chǎn)品在未來(lái)時(shí)間范圍內(nèi)的各種可能性[22]。

數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)車間的需求進(jìn)行快速地配置并且建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生虛擬模型，借助大數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品研發(fā)初期就可以迅速的確定產(chǎn)品需要使用的組件配置，并擬合得到成品的雛形[23]。在建立了相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生虛擬模型之后，通過將虛擬模型放入高度還原的虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，可以得到虛擬模型在仿真環(huán)境中的運(yùn)行軌跡，并通過多次重復(fù)的仿真獲得多組運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理，可以得到真實(shí)產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)行軌跡。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)車間生產(chǎn)產(chǎn)品的虛擬模型進(jìn)行了虛擬運(yùn)行軌跡的判斷，保證了真實(shí)產(chǎn)品的有效性和可用性，并極大程度的為之后的生產(chǎn)過程簡(jiǎn)化了時(shí)間和人力成本[24]。

3.1.2 數(shù)字孿生車間在產(chǎn)品生產(chǎn)階段。

對(duì)于普通工廠而言，車間流水線的人機(jī)交互性較差，在監(jiān)控和管理之間存在一定的時(shí)間差，并且極度依賴人力成本。而數(shù)字孿生車間可以極大程度的提升車間的人機(jī)交互性，減少人力成本資源，并可對(duì)物理車間進(jìn)行仿真來(lái)構(gòu)建一個(gè)與物理車間相互映射的虛擬車間。虛擬車間實(shí)時(shí)同步、更新物理車間的最近狀態(tài)，并通過上位機(jī)平臺(tái)對(duì)虛擬車間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、指令下達(dá)、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)管理、安全報(bào)警等指令[25]。

數(shù)字孿生車間通過對(duì)生產(chǎn)線的零件、生產(chǎn)方式進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度管理，根據(jù)在設(shè)計(jì)階段成形的數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)的完成生產(chǎn)零件的配置和運(yùn)用，并對(duì)流水線執(zhí)行時(shí)間分配管理、柔性調(diào)度管理等優(yōu)化算法，最大程度的提升了車間流水線的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)時(shí)間飽和度[26]。

數(shù)字孿生車間不僅可以對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行了生產(chǎn)調(diào)度管理、流水線性能優(yōu)化，還可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、人為介入管理、安全報(bào)警等。通過虛擬模型，可以使管理員在任何有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常，數(shù)字孿生系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)安全性能報(bào)警功能[27]。而在生產(chǎn)過程中存在的許多生產(chǎn)變換性，數(shù)字孿生車間允許管理員進(jìn)行干預(yù)管理和操作，實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)控和控制[28]。

3.1.3 數(shù)字孿生車間在產(chǎn)品運(yùn)行階段

普通車間通常缺乏對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和評(píng)估，以至于產(chǎn)品在運(yùn)行過程中長(zhǎng)時(shí)間處于觀測(cè)盲區(qū)，極大縮短了產(chǎn)品的真實(shí)運(yùn)行生命周期[29]。

因此，數(shù)字孿生車間來(lái)對(duì)車間生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行了有效監(jiān)控，利用分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)運(yùn)行過程、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理和調(diào)整，不間斷記錄產(chǎn)品運(yùn)行期間產(chǎn)生的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并反饋數(shù)據(jù)到虛擬模型中，再通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋和處理，最終將大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)整理為運(yùn)行歷史記錄存儲(chǔ)在云服務(wù)器中[29]。

海量的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)為數(shù)字孿生車間做出決策提供了基本保障，并且通過運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)的不斷迭代更新，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以不斷優(yōu)化和完善之前的設(shè)計(jì)過程，提升設(shè)計(jì)過程的速度和精準(zhǔn)度，最終完成自我優(yōu)化、自我更新[30]。

3.1.4 數(shù)字孿生車間在產(chǎn)品維護(hù)階段

普通車間通常缺乏對(duì)產(chǎn)品故障、損壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)，主要依靠人為經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行故障檢測(cè)和判斷[31]。因此通過數(shù)字孿生車間可以用來(lái)對(duì)車間產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)、健康管理、報(bào)廢處理等，數(shù)字孿生車間通過對(duì)產(chǎn)品搭載大量的傳感器來(lái)獲得產(chǎn)品的零件磨損、疲勞、故障、損壞等情況并實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)至虛擬模型，虛擬模型根據(jù)反饋數(shù)據(jù)以及大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算，對(duì)產(chǎn)品作出健康管理以及對(duì)產(chǎn)品可能產(chǎn)生的磨損、報(bào)廢情況進(jìn)行預(yù)估[32]。

當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)磨損、故障、損壞等情況時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時(shí)捕捉問題位置，問題情況，并根據(jù)大數(shù)據(jù)運(yùn)算給出損壞、報(bào)廢的具體情況和說(shuō)明。利用維護(hù)階段的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生車間可以在車間生產(chǎn)階段對(duì)一些高風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行修正和更改，并對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)部位增加安全性能檢測(cè)和管理，減少損壞和磨損出現(xiàn)的可能性，增加產(chǎn)品的使用時(shí)間，最終形成數(shù)字孿生車間的閉環(huán)管理[33]。

3.2 數(shù)字孿生在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)在其他領(lǐng)域包括航空設(shè)備、軍工設(shè)備、船舶制造、文化遺產(chǎn)、復(fù)雜裝備制造、智慧醫(yī)療、智慧城市等方面也有很好的應(yīng)用。例如，在物質(zhì)文化遺產(chǎn)建設(shè)中數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助構(gòu)建“數(shù)字孿生物質(zhì)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)”，建立物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化，幫助保護(hù)、傳承、開發(fā)物質(zhì)文化遺產(chǎn)[34]；在船舶制造方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助構(gòu)建全生命周期的“船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)”，開展基于數(shù)字孿生船舶的生命周期一體化管理；在復(fù)雜裝備方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控、狀態(tài)檢測(cè)等，從而提高復(fù)雜裝備的使用壽命；在智慧醫(yī)療方面，數(shù)字孿生可以幫助醫(yī)療領(lǐng)域建設(shè)“醫(yī)療數(shù)字孿生系統(tǒng)”以及幫助個(gè)人建立“醫(yī)療數(shù)字孿生個(gè)體”[35]；在智慧城市方面，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)龍頭公司使用數(shù)字孿生技術(shù)幫助當(dāng)?shù)卣?guī)劃、管理城市，如阿里巴巴集團(tuán)與杭州市政府合作，運(yùn)用阿里巴巴的數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)杭州市的城市管理；騰訊集團(tuán)與云南省文旅廳合作，通過“一部手機(jī)游云南”項(xiàng)目，將云南旅游的各方各面結(jié)合在一起。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字孿生作為一門集合了多學(xué)科，多領(lǐng)域的綜合技術(shù)目前發(fā)展還未成熟，尚缺一些重要的關(guān)鍵技術(shù)，并且在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還不多，但是可以肯定的是數(shù)字孿生技術(shù)有非常好的前景性。首先數(shù)字孿生的出現(xiàn)給了推動(dòng)產(chǎn)業(yè)智能化一個(gè)明確的方向，其次數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用寬泛性非常的大，小至一條車間流水線，大至整個(gè)城市都可以運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，最后數(shù)字孿生技術(shù)的高集成、高融合性保證了他能夠在未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)生存和發(fā)展。

數(shù)字孿生技術(shù)目前在很大層面上受限于當(dāng)前的技術(shù)水平，但我們不妨?xí)诚胍幌挛磥?lái)，數(shù)字孿生技術(shù)可以和許多相關(guān)技術(shù)互相配合。例如，數(shù)字孿生技術(shù)搭配5G的超高速通信可以使數(shù)字孿生的應(yīng)用層面擴(kuò)大到所有可以想象到的方面，并且5G的超高速互聯(lián)給了數(shù)字孿生中分布式傳感器更多的傳感器空間，更多的傳感器就意味著數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的收集能力變得更廣泛、更精準(zhǔn)；而數(shù)字孿生搭配VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使用戶從視覺、聲覺、觸覺等各個(gè)方面提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)的人機(jī)互動(dòng)；數(shù)字孿生技術(shù)也可以配合3D打印技術(shù)來(lái)完成物理實(shí)體的創(chuàng)建過程，當(dāng)數(shù)字孿生系統(tǒng)建立了虛擬模型之后，通過3D打印技術(shù)可以盡可能的還原數(shù)字孿生所建立的虛擬模型。

總之，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)一個(gè)可預(yù)期的上升趨勢(shì)，作為工業(yè)4.0時(shí)代下最閃耀的新星，相信數(shù)字孿生技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展會(huì)越來(lái)越好。