劉青 劉濱 張宸

摘 要：作為網(wǎng)絡(luò)物理空間CPS（cyber-physical space）建設(shè)的重要支撐技術(shù)之一，數(shù)字孿生已應(yīng)用在航空航天、智能制造、智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧教育等多領(lǐng)域，但其在實踐過程中也出現(xiàn)了一些問題。例如：數(shù)字孿生概念泛化，導(dǎo)致理解偏差從而造成產(chǎn)學研用目標不一致、實踐結(jié)果不受目標用戶認同;具體實施缺乏通用有效方法，導(dǎo)致難以形成普遍性實踐案例和公認的典型案例。為解決這些問題，需對數(shù)字孿生概念邊界進行約束，并對數(shù)字孿生方法邊界進行延伸，形成數(shù)字孿生的新邊界，促進形成共識，增加實施方法，更好地推動其發(fā)展。在概念上，物理實體是一種具備多種性質(zhì)的物質(zhì)集合體，具有復(fù)雜性、真實性、即時性的特點，可隨外界條件變化按照客觀規(guī)律進行動態(tài)演化。在將物理實體映射到數(shù)字孿生的研究中，極易擴張概念范圍，如將動態(tài)演化過程模擬——仿真、外界條件——數(shù)據(jù)、甚至對象——物理實體等全部包含在內(nèi)。如此一來，數(shù)字孿生概念將失其核心，不利于在學界就其形成共識。

在方法上，基于對多場景下相關(guān)應(yīng)用的詳細調(diào)研分析，現(xiàn)有數(shù)字孿生研究往往越過對物理實體的感知過程，直接依托原有專業(yè)領(lǐng)域的模型或模型構(gòu)建方法而進行。這種方法在取得一些進展的同時，也顯現(xiàn)出一定的局限性。首先，已有模型多聚焦于細分領(lǐng)域，在領(lǐng)域間無法通用;其次，已有模型中既少有同時體現(xiàn)數(shù)字孿生模型高保真、多尺度、多物理場的特點，更罕有涉及對應(yīng)全生命周期信息流動的內(nèi)容，直接套用無法保證數(shù)字孿生的有效實現(xiàn);再次，從已有認知的高度直接進入建模過程可能導(dǎo)致成本過高，如世界公認的美軍典型案例ADT計劃，建設(shè)時間以10年計，投入人力物力巨大，這進一步阻礙了產(chǎn)業(yè)界進入數(shù)字孿生實踐。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，在概念邊界方面，提出了數(shù)字孿生應(yīng)回歸其數(shù)字化模型的本質(zhì)，以模型為中心進行有效約束，從而促使產(chǎn)學研用各方的理解達成一致。在方法邊界的延伸方面，提出了一種面向多感知的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，即按照人類對物理世界的一般認識過程，先經(jīng)由各種感知方法對特征獲得感性認識，而后經(jīng)各種認知過程進一步形成理性認識，由淺入深、由易到難、由簡到繁地來進行數(shù)字孿生的實踐。首先，通過視覺、聽覺、觸覺和動力感知、嗅/味覺、與反映條件變化的控制數(shù)據(jù)相結(jié)合等多感知方法，建立物理實體的數(shù)字孿生初始模型，在模型建立之初就聚焦于物理實體的復(fù)雜性和真實性，充分體現(xiàn)數(shù)字孿生模型的特點，有效增強模型的實用性和通用性;其次，將初始模型逐步與已有認知的知識框架進行匹配，并使用從物理實體處返回的控制數(shù)據(jù)進行不斷迭代，將物理實體在特定外界條件變化下的各種性質(zhì)變化、實時/近實時反應(yīng)、對其有影響的各種客觀規(guī)律、行為邏輯等信息按照研究領(lǐng)域的實際需要逐步加入到數(shù)字孿生模型中，有效控制模型規(guī)模和成本，逐步實現(xiàn)全生命周期的信息流動;再次，將優(yōu)化成型的數(shù)字孿生模型進一步用于理論和實際研究中，如仿真、規(guī)劃、優(yōu)化、決策等，促進各項研究的發(fā)展;最后，展望了面向多感知數(shù)字孿生模型在計算機圖像掃描領(lǐng)域、文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域、醫(yī)療和教育領(lǐng)域及某些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)建模;數(shù)字孿生;多感知;網(wǎng)絡(luò)物理空間;數(shù)字化模型

中圖分類號：TP301.6;TB497 文獻標識碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx02011

New boundary of digital twin：A multi-sensory

oriented model construction method

LIU Qing1，LIU Bin1，ZHANG Chen2

（1.School of Economics and Management，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Department of Mechanical Engineering，Ilmenau University of Technology，Ilmenau D-98693，Germany）

Abstract：

As one of the important supporting technologies for the construction of CPS（cyber-physical space），the digital twin has been applied in many fields，such as aerospace，intelligent manufacturing，smart city，smart medical care，smart education，etc.However， some problems in the practice process has also appeared： the generalization of the concept of digital twin leads to the misunderstanding，which results in the inconsistency of production，teaching，research and application goals，and the practice results are not recognized by the target users; The lack of general and effective methods in concrete implementation leads to the limitation of the results，which results in the lack of universal practical cases and difficulty in forming recognized typical cases.To solve these problems，it is necessary to restrict the concept boundary of digital twin and extend the boundary of digital twin method，so as to form a new boundary of digital twin，promote the formation of consensus，increase implementation methods and promote its better development.

Conceptually，physical entity is a collection of materials with various properties，which is characterized by complexity，authenticity and immediacy，and can dynamically evolve with the change of external conditions according to objective laws.In the study of mapping physical entities to digital twins，it is easy to expand the scope of concept to include simulation （the simulation of dynamic evolution process），data （external conditions），and even physical entities （objects）.As a result，the concept of digital twin will lose its core and it is difficult to from a consensus.

In terms of methods，based on the detailed investigation and analysis of related applications in multi-scenarios，the existing research on digital twin often goes beyond the perception process of physical entities，and directly relies on the models or modelconstruction methods in the original professional fields.While this method has made some progress，its limitations have already been revealed.Firstly，the existing models are mostly focused on subdivision fields，which can not be used universally among fields.Secondly，there are few existing models that reflect the characteristics of high fidelity，multi-scale and multi-physical fields of the digital twin model，and even less information flow corresponding to the whole life cycle.Direct application can not guarantee the effective realization of digital twin; Thirdly，entering the modeling process directly from the height of existing cognition may cause huge costs.For example，the ADT program，a world recognized typical case of US military，was constructed in ten years and with huge investment in manpower and material resources，which further hinders the industry from entering the practice of digital twin.

In order to meet these challenges，in terms of conceptual boundary，this paper proposed that the digital twin should return to the essence of its digital model，and effectively restrict the model as the center，so as to promote the understanding of all parties involved in production，teaching and research to reach an agreement.As for the extension of method boundary，this paper put forward a multi-sensory oriented digital twin model construction method，that is，according to the general process of human understanding of the physical world，firstly obtained perceptual knowledge of features through various perception methods，and then further formed rational knowledge through various cognitive processes，from shallow to deep，from easy to difficult，from simple to complex.At first，the digital twin initial model of physical entity was established by multi-sensory methods，such as visual perception，auditory perception，tactile perception and dynamic perception，gustatory/taste perception，and combination with control data reflecting the change of conditions，thus focusing on the complexity and authenticity of physical entity at the beginning of the model establishment，fully embodying the characteristics of the digital twin model，and effectively enhancing the practicability and universality of the model. Then，the initial model was gradually matched with the existing cognitive knowledge framework，and the control data returned from the physical entity was used for continuous iteration.In this way，information of various property changes，real-time/near-real-time reactions，various objective laws and behavioral logic affecting the physical entity under specific external conditions can be gradually added to the digital twin model according to the actual needs of the research field，thus effectively controled the scale and cost of the model and gradually realized the information flow in the whole life cycle. Third，the optimized digital twin model was further used in theoretical and practical research，such as simulation，planning，optimization，decision-making，etc.，so as to promote the development of various studies.The application prospect of the multi-sensory oriented digital twin model in computer image scanning，cultural heritage protection，medical treatment，education and some special fields was prospected.

Keywords：

system modeling; digital twin; multi-sensory; cyber-physical space;digital model

數(shù)字孿生在產(chǎn)業(yè)界受到極大關(guān)注，2017—2019年，連續(xù)3年被Gartner公司評為年度十大戰(zhàn)略性技術(shù)[1]。 其學術(shù)熱度也同樣持續(xù)增長，截至2021年1月，僅在CNKI中檢索到與數(shù)字孿生相關(guān)的研究已近2 500篇。

然而迄今為止，數(shù)字孿生的應(yīng)用研究與研究總量相比增長仍然較為緩慢，且已經(jīng)出現(xiàn)對數(shù)字孿生理解不一致、有效且通用的數(shù)字孿生方法欠缺等問題。為此，本文以推進數(shù)字孿生的應(yīng)用為目標，通過對數(shù)字孿生概念核心的辨析，厘清數(shù)字孿生的概念邊界，并在詳細分析調(diào)研各種場景中的數(shù)字孿生應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字孿生的特點和多感知的方法與技術(shù)，提出一種面向多感知的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，用于延伸數(shù)字孿生的方法邊界。

1 數(shù)字孿生概念核心的辨析

對于數(shù)字孿生概念已有很多討論，包括將其與CPS（cyber-physical space，網(wǎng)絡(luò)物理空間）建設(shè)和智能制造系統(tǒng)架構(gòu)IMSA對接[2]，還有數(shù)字孿生標準體系[3]，或?qū)?shù)字孿生視為整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的框架[4]。但是數(shù)字孿生的含義在近年來的研究熱潮中并沒有形成越來越清晰的邊界，卻相反有模糊化的傾向[5]，這將對數(shù)字孿生的應(yīng)用和推廣造成阻力。首先，對于產(chǎn)業(yè)界和政府決策層來說，一個泛化概念的理解難、操作難，會導(dǎo)致支持難、落地難;其次，對于應(yīng)用研究者來說，往往傾向于將與本研究領(lǐng)域看似相關(guān)的仿真、數(shù)據(jù)等統(tǒng)統(tǒng)打包到數(shù)字孿生這一概念之中，在加劇其概念模糊化的同時又使得數(shù)字孿生顯得日益龐雜，進一步加大了其應(yīng)用研究開展、相互借鑒和整合的難度。因此，重新回到起點對數(shù)字孿生的概念、特點和難點進行梳理是必要的。

數(shù)字孿生起源于美國密歇根大學GRIEVES教授的產(chǎn)品全生命周期管理課程[6]，后來經(jīng)過GRIEVES及VICKERS等人的研究，鏡像空間模型這一概念逐步演變?yōu)閿?shù)字孿生，表現(xiàn)形式也從物理-虛擬空間的映射逐步發(fā)展到一種新的管理模式[7-8]。這里，數(shù)字孿生就是一種物理實體的數(shù)字化模型、對這個說法學術(shù)界目前并無爭論。后來NASA在其路線圖Modeling，Simulation，Information Technology & Processing Roadmap，Technology Area 11中將數(shù)字孿生歸類為基于仿真的系統(tǒng)工程，并定義NASA Digital Twin為一個集成多物理量、多尺度、基于概率仿真技術(shù)的仿真過程，使用最佳可用的物理模型，傳感器更新等，以映射對應(yīng)載具或系統(tǒng)的全生命周期[9]。在這里NASA把數(shù)字孿生定義為了一種仿真。數(shù)字孿生的概念大概就是從這里開始出現(xiàn)了分歧[5]并進一步泛化，有一些研究把數(shù)字孿生視為模型、仿真、數(shù)據(jù)的集合體，甚至個別研究還加入了物理實體本身，對數(shù)字孿生概念的幾種理解如圖1所示。

為了厘清概念，需要分別對仿真、數(shù)據(jù)、物理實體進行辨析。以下是幾種被廣泛接受的仿真定義。

“計算機仿真是在沒有分析方法的情況下，探索數(shù)學模型特性的任何以計算機實現(xiàn)的方法?！盵10-11]

“仿真與動態(tài)模型密切相關(guān)，更具體地說，在仿真底層有一個動態(tài)模型，其旨在模擬真實系統(tǒng)的時間演化，仿真模擬一個過程接著另一個過程，直至得到動態(tài)模型方程的解即仿真結(jié)果。在計算機上運行的仿真，則被稱為計算機仿真?！盵12]

“仿真指使用計算機來解決人們無法分析解決的方程，或者說，探索分析失敗的方程數(shù)學性質(zhì)的方法稱為仿真?！盵13]

綜合這些定義可知，仿真是建立在非分析性動態(tài)模型基礎(chǔ)上的一種模擬真實系統(tǒng)、探索系統(tǒng)性質(zhì)的方法。這里仿真顯然不能和數(shù)字孿生劃等號，數(shù)字孿生更接近于仿真定義中描述的仿真的基礎(chǔ)——非分析性動態(tài)模型。如一定要加入仿真的概念，直接稱數(shù)字孿生仿真更為妥當。

而物理實體是數(shù)字孿生映射的對象，“是一種具備多種性質(zhì)的物質(zhì)集合體，具有復(fù)雜性、真實性、即時性的特點，可隨外界條件變化按照客觀規(guī)律進行動態(tài)演化”。這里物理實體作為物質(zhì)集合體，明顯與數(shù)字孿生作為數(shù)字化模型的概念不符，且物理實體是數(shù)字孿生對應(yīng)的客觀對象，數(shù)字孿生和物理實體明顯具有非同一性，因此物理實體同樣不應(yīng)放入數(shù)字孿生概念之中。

數(shù)據(jù)可認為“是通過觀測得到的數(shù)字性的特征或信息。更專業(yè)地說，數(shù)據(jù)是一組關(guān)于一個或多個人或?qū)ο蟮亩ㄐ曰蚨孔兞俊?。既然?shù)據(jù)就是特征或信息，那么數(shù)據(jù)就不是數(shù)字孿生概念的一部分，而是與數(shù)字孿生共同作用于整個系統(tǒng)的建設(shè)、運行過程，如要將其加入，需特別指明為數(shù)字孿生數(shù)據(jù)以示區(qū)分。

總之，在數(shù)字孿生的語境中，模型是本體，物理實體是參照對象，數(shù)據(jù)是反映對象特征的信息，仿真是在模型基礎(chǔ)上探索物理實體的方法，如圖1 c）所示，數(shù)字孿生的概念邊界是以模型為中心的。

另外，模型這個概念也同樣具有多種涵義，包含不同的層次，數(shù)字孿生模型不同于一般的模型，它不僅表示某個單一物理狀態(tài)，而且是一系列模型的復(fù)雜組合，所以數(shù)字孿生模型概念是一個整體，不能將其他模型與數(shù)字孿生模型混為一談。

為了更好地促進各界對數(shù)字孿生的理解，中文專業(yè)詞語注解也應(yīng)進一步明確化?！皩\生”一詞的原始定義參見辭源第3版798頁：“孿（孿），雙生子，【孿生】，雙生，……”。也就是說，“孿”字本身是名詞，作雙生子解釋，而“孿生”這一詞匯應(yīng)該理解為形容詞，即“以雙生子的

狀態(tài)而出生的”，在中文語境的實際使用中，“孿生”也是作修飾語的，后接名詞，如孿生兄弟、孿生姐妹等。根據(jù)上述內(nèi)容，泛指數(shù)字孿生概念時可定義為“數(shù)字孿生”，這符合目前的普遍認知;而digital twin專指數(shù)字化模型的中文概念時可定義成“數(shù)字孿生模型”。

2 數(shù)字孿生應(yīng)用調(diào)研分析

數(shù)字孿生的實施方法在概念上如圖2所示，需要建立一個和物理實體有對應(yīng)關(guān)系的模型，將物理實體隨時間和外在條件改變而產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)處理并返還給模型，使模型能夠映射物理實體的多物理場、多尺度特征以及全生命周期信息，從而成為數(shù)字孿生模型，可以將數(shù)字孿生模型和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)進行協(xié)同仿真。建立數(shù)字孿生的方法有3個主要環(huán)節(jié)，分別是數(shù)字孿生模型的構(gòu)建、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的提取、數(shù)字孿生模型與數(shù)據(jù)結(jié)合的應(yīng)用（仿真等），其中居于核心地位的是數(shù)字孿生模型的構(gòu)建。

2.1 不同應(yīng)用場景中的數(shù)字孿生模型

在實踐中，數(shù)字孿生的應(yīng)用場景基于現(xiàn)有的研究大致可分為4類，即制造業(yè)（航空航天、離散制造、流程制造）、智慧城市、智慧醫(yī)療和智慧教育。

2.1.1 制造業(yè)

1）航空航天

在數(shù)字孿生概念誕生之初，其主要應(yīng)用聚焦在制造業(yè)中的航空航天這一場景之下，最早出現(xiàn)在美國空軍研究實驗室（AFRL）的飛機機體數(shù)字孿生計劃（ADT，the airframe digital twin）中[14-15]，該計劃的階段性項目Spiral 1 Program主要針對機器疲勞展開，自2013年以來已完成了針對機器疲勞的三大任務(wù)中的2個，目前正進行最后一個任務(wù)的演示實驗。作為數(shù)字孿生實際應(yīng)用的重大里程碑，該項目使用FEM有限元模型和CFD計算流體力學模型構(gòu)建數(shù)字孿生的核心模型，再結(jié)合貝葉斯理論對傳感器數(shù)據(jù)、維護記錄、使用記錄等異構(gòu)多源數(shù)據(jù)進行處理，以期達成2個目標：一是降低復(fù)雜環(huán)境下的飛行器維護成本，二是提供壽命預(yù)測方法，延長舊飛機的服役周期[15-16]。ADT計劃影響深遠，加拿大國家研究委員會（NRC）也對使用ADT計劃進行了適用性研究[17]。中國國內(nèi)數(shù)字孿生的相關(guān)研究也取得了一些進展。例如：為國家探月工程和載人航天工程服務(wù)的數(shù)字孿生航天任務(wù)三維實時可視化飛行控制與工程任務(wù)指揮平臺、地外遙操作平臺、航天測控凈評估系統(tǒng)等[18]，成功為國家完成自嫦娥二號以來的歷次重大航天任務(wù)提供了保障;趙正旭等[19]使用開源工具對FAST射電望遠鏡饋源艙構(gòu)建數(shù)字孿生，以期對工作機制進行模擬維護改進;侯正航等[20]使用Unity對機器人巡檢場景進行建模，使用Solidworks搭建機器人對象和虛擬攝像頭，同時使用自編C#程序收發(fā)數(shù)據(jù)，從而對裝配過程中的攝像頭角度進行優(yōu)化;胡富琴等[21]設(shè)計構(gòu)建了用于優(yōu)化旋壓加工過程的薄壁件數(shù)字孿生，研發(fā)了一種高保真模型定性定量化評估體系;劉蔚然等[22]提出將數(shù)字孿生用于衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)，以提高大型衛(wèi)星工程的管理水平;潘春露等[23]針對鳥撞發(fā)動機問題，構(gòu)建了一個葉片鳥撞數(shù)字孿生模型，用于評估撞擊風險;張連超等[24]提出了一種用于數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間的物料配送優(yōu)化方法;張文杰等[25]針對在數(shù)字孿生背景下的航天器試驗，提出了一套體系架構(gòu)設(shè)計方法;周治國等[26]建立了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)，在仿真環(huán)境中驗證并反饋計算效果，為衛(wèi)星的姿態(tài)校驗和修正提供有力的依據(jù)和支撐。 在航空航天場景下，數(shù)字孿生模型的構(gòu)建的基本方法是使用Unity3D，Blender等3D建模工具對研究對象進行場景建模，針對待解決的問題使用有限元模型、力學模型等工具，并結(jié)合已有的領(lǐng)域認知進行功能建模。

2）離散制造

離散制造的行業(yè)特點和航空航天行業(yè)有很多相似性和銜接性，面向制造業(yè)關(guān)心的產(chǎn)品設(shè)計、決策、故障檢測、診斷等問題涌現(xiàn)了一些數(shù)字孿生的方法研究[27-32]。在應(yīng)用層面，丁凱等[33]設(shè)計建造的西安交大智能制造樣本車間，使用某工業(yè)軟件對葉輪樣件加工制造過程進行具備數(shù)字孿生特點的建模;肖通等[34]建立了五軸磨床的數(shù)字孿生，用于故障預(yù)測和質(zhì)量管理;WANG等[35]開發(fā)了一種用于精準裝配的數(shù)字孿生方法;YERATAPALLY等[36]對鋁合金材料斷裂問題進行研究，使用數(shù)字孿生構(gòu)建了微觀結(jié)構(gòu)的多尺度框架模型，對影響疲勞壽命的可觀察之前的材料損傷累積進行了預(yù)測，并發(fā)展了一種基于診斷樹的健康管理方法;林晨陽等[37]設(shè)計了可用于數(shù)字孿生構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);KONSTANITOS等[38]構(gòu)建了一種數(shù)字孿生仿真器，可以支持設(shè)計決策、測試假設(shè)系統(tǒng)配置、離線驗證整個系統(tǒng)的實際行為、測試真實的反應(yīng)，并提供系統(tǒng)性能的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。此外，MALIK等[39]對人與機器人在同一環(huán)境中的協(xié)同優(yōu)化進行了研究，發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生對人-機器人協(xié)同領(lǐng)域的優(yōu)化研究有很大價值，可以明顯減少成本，提高工作人員的安全性;張旭輝等[40]針對煤炭生產(chǎn)“采掘失衡”問題構(gòu)建了懸臂式掘進機遠程智能虛擬操控系統(tǒng)試驗平臺，運用數(shù)字孿生方法有效優(yōu)化了遠程操作，提高了效率和安全;魏一雄等[41]面向中電38所汽車防撞雷達組裝生產(chǎn)線構(gòu)建了數(shù)字孿生車間系統(tǒng)，實現(xiàn)了車間狀態(tài)的信息顯示、分析與管理。在離散制造業(yè)的場景下，數(shù)字孿生模型的構(gòu)建同樣大量使用了3D建模工具構(gòu)建場景模型，并結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域認知進行功能建模，其中有較多研究聚焦于管理方面的問題。

3）流程制造

由于行業(yè)特點，具有一定規(guī)模的流程制造企業(yè)普遍裝備了以DCS為核心的控制系統(tǒng)，管路沿線也往往有一定數(shù)量的傳感器，因此具備發(fā)展數(shù)字孿生的條件。一些研究應(yīng)用研究立足于管理，把機器學習和數(shù)字孿生合用進行管理優(yōu)化[42]

;一些研究利用衛(wèi)星航拍、GPS、三維激光高清掃描設(shè)備，構(gòu)建油氣管道的數(shù)字孿生[43]，使用數(shù)字孿生對管道進行監(jiān)測[44]。還有一些研究試圖把生物工程的深層次內(nèi)容與數(shù)字孿生結(jié)合，如APPL等[45]設(shè)計制作的SSF-BC-Simulator，該系統(tǒng)制作了一個同步糖化、發(fā)酵和生物催化反應(yīng)裝置的數(shù)字孿生，目前用于對生物工程專業(yè)學生的控制策略訓練。李彥瑞等[46]結(jié)合3D空間幾何模型、運動過程模型、流體模型，對煉鐵生產(chǎn)線構(gòu)建了數(shù)字孿生，并對煉鐵過程進行了優(yōu)化。在流程制造業(yè)場景下的數(shù)字孿生模型構(gòu)建中，研究者們除了使用典型的3D建模方法建設(shè)場景模型，一些研究還使用三維掃描類技術(shù)，而功能建模主要是針對管理問題進行的。

數(shù)字孿生模型的應(yīng)用目的、特征、構(gòu)建方法與工具會因應(yīng)用場景的不同而有很大區(qū)別，詳見表1。

2.1.2 智慧城市

智慧城市在全球范圍內(nèi)已成為未來城市發(fā)展的新理念與新實踐ADDINEN.CITE.DATA[54]，自2017 年“數(shù)字孿生城市”建設(shè)理念問世以來，各地政府和產(chǎn)業(yè)界已將數(shù)字孿生城市視為實現(xiàn)智慧城市的必要手段，將CIM（城市信息模型）作為數(shù)字孿生城市建設(shè)的中心。據(jù)中國信息通信研究院數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2018年CIM相關(guān)投標項目全國僅有2項，2019年新增8項，2020年新增19項，項目數(shù)量增長迅猛。同時，以騰訊、51WORLD、數(shù)字冰雹為代表的企業(yè)推出各自的數(shù)字孿生核心平臺，并在城市管理、制造、交通、能源、水利、應(yīng)急等方面開展多樣化場景應(yīng)用。2021年，以CIM為核心的數(shù)字孿生城市建設(shè)將會進一步加速落地[55]。

數(shù)字孿生城市主要有2個場景：微城市生態(tài)以及宏觀城市管理。微城市生態(tài)的應(yīng)用針對某一具體問題。針對使用數(shù)字孿生理念對停車路徑設(shè)計進行驗證[48]的問題，季瑋等[56]提出將數(shù)字孿生用于智能交通，實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的車輛運行、交通管控、道路建管養(yǎng)等現(xiàn)代交通運輸體系各個環(huán)節(jié)的智慧化升級;伍朝輝等[57]提出使用數(shù)字孿生對交通場景進行構(gòu)建，從而更好地解決復(fù)雜交通問題;PAN等[49]構(gòu)建了一種基于GIS的類數(shù)字孿生，將行人車輛的動作捕捉后與空間模型融合，從而提高交通管理水平。智慧電力/電網(wǎng)作為智慧城市的重要組成部分，近年也有研究者嘗試應(yīng)用數(shù)字孿生解決一些管理優(yōu)化的問題。例如：MILTON等[50]嘗試在電廠模擬中對變壓器模組構(gòu)建數(shù)字孿生，提高了優(yōu)化效率;房方等[58]提出將數(shù)字孿生用于發(fā)電機組群的管理，構(gòu)建面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生。建筑業(yè)也已普及使用BIM進行數(shù)字化設(shè)計，杜明芳[59]提出使用數(shù)字孿生整合BIM，GIS，AR/VR等新一代技術(shù)以實現(xiàn)建筑一體化管控。宏觀城市管理將數(shù)字孿生視作管理體系，如把整個城市的災(zāi)害管理整合到一個城市災(zāi)害數(shù)字孿生之下[60]。雄安新區(qū)規(guī)劃中也提出了從頭打造數(shù)字孿生城市，把在系統(tǒng)論下的城市建設(shè)過程以模型集的方式進行匯聚[61]。

智慧城市場景下的數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，在微觀城市生態(tài)部分與其他場景類似，基本上是場景建模結(jié)合具體問題的功能/邏輯建模。而在宏觀城市管理部分，場景建?；旧隙际鞘褂肎IS結(jié)合攝像頭、無人機等視頻采集設(shè)備進行，而功能/邏輯模型需要把城市這種巨系統(tǒng)映射到數(shù)字孿生，不能簡單地套用原有決策模型，具體方法還在研究探討中。

在醫(yī)療場景下，一些研究認為為病患建立個性化的數(shù)字孿生可能會帶來醫(yī)療領(lǐng)域的革命[62]，極大提高就醫(yī)體驗并節(jié)約醫(yī)療成本。DU等[51]在Cog-DT項目中通過對腦部的活動進行檢測，構(gòu)建腦部特殊活動的數(shù)字孿生來研究人類認知過程;DESSISLAVA等[63]嘗試用數(shù)字孿生構(gòu)建一種用于多發(fā)性硬化癥的診斷平臺;還有科研人員構(gòu)建了心臟冠狀動脈的數(shù)字孿生，并應(yīng)用于檢查和預(yù)防心梗[52]。

數(shù)字孿生在教育場景下也已有個別應(yīng)用，如吳迎年等[53]使用一些商業(yè)機器人平臺和軟件針對抓取的決策過程建立對應(yīng)的數(shù)字孿生，還有訓練生物工程專業(yè)學生的SSF-BC-Simulator等[45]。

2.1.3 智慧醫(yī)療和智慧教育

醫(yī)療和教育場景下的數(shù)字孿生構(gòu)建更強調(diào)功能模型的個性化，目前尚沒有較一致的方法。

2.2 數(shù)字孿生應(yīng)用中的困難與迷思

通過綜合梳理上述數(shù)字孿生應(yīng)用研究可知，多數(shù)實施方法是先使用某種工具建立場景和研究對象的三維模型，再依托原有的專業(yè)領(lǐng)域模型，如結(jié)構(gòu)/機構(gòu)模型、力學模型、動態(tài)模型等進行功能和邏輯建模。這樣建立的數(shù)字孿生模型往往過于依賴原有模型，而沒有充分體現(xiàn)數(shù)字孿生模型的核心特點，從而導(dǎo)致希望達成的目的與實踐成果之間存在距離。

第一，如果不直接以建立對物理實體的映射模型作為出發(fā)點可能降低通用性，進而形成重復(fù)研究。例如，同樣是以車間為研究對象的2個研究[33，47]，一個研究制造過程的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，另一個研究作業(yè)優(yōu)化，其場景/對象建模分別由不同軟件完成，這些模型難以通用，需要額外使用包裝函數(shù)（wrapper function）等方法;而功能和邏輯建模本來同樣聚焦在制造和作業(yè)過程，本應(yīng)能夠互相借用，但實際同樣難以實現(xiàn)。

第二，如果要實現(xiàn)對真正物理實體的映射，需要使模型具有精確性。眾所周知，描述物理實體相關(guān)性質(zhì)的理論往往沒有真實解，只有近似解，即使理論有精確解，數(shù)學模型、求解方法、輸入數(shù)據(jù)和執(zhí)行的舍入誤差都會影響結(jié)果。如果不使用有效的方法，場景/對象建模造成的偏差會和原有功能/邏輯建模的誤差進一步疊加，最終將影響數(shù)字孿生模型對物理實體的映射效果。以鋁合金微觀結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生模型構(gòu)建AA7075-T651為例，在宏觀尺度上觀察鋁合金斷裂就是一道裂縫，而在微觀尺度上觀察極其復(fù)雜，涉及到微結(jié)構(gòu)如何從受力、形變一直到斷裂的過程，描述這個過程的物理模型本身就有待完善，那么如何在這種有缺陷的模型基礎(chǔ)上構(gòu)建符合數(shù)字孿生模型精確性要求的物理實體模型呢？

第三，對物理實體的映射還需要解決真實性的問題，物理實體具有多尺度和多物理場。如上例中僅針對力學中的一個斷裂現(xiàn)象進行模型構(gòu)建，而除力學外，還有電學、熱力學、電磁學、流體力學等物理場，每增加一個尺度或物理場都會增加模型構(gòu)建的困難，最終如何保證模型能夠覆蓋物理實體的全部物理特性類別呢？

第四，要實現(xiàn)對應(yīng)全生命周期的信息流動，就需要解決信息提取、處理、反饋的一系列問題，而且這些信息必須有相應(yīng)價值，可以對分析、開發(fā)、決策、生產(chǎn)、部署、運營等階段提供支持。這些都進一步增加了數(shù)字孿生模型構(gòu)建的困難。

為了解決這些困難，在以美國ADT計劃為代表的數(shù)字孿生模型的構(gòu)建實踐中，首先，從頂層設(shè)計開始統(tǒng)籌推進數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，以避免通用性方面可能面對的問題;其次，基于演繹方法進行了大量風洞模擬實驗，在各傳感器收集數(shù)據(jù)，對機身結(jié)構(gòu)的原有有限元模型進行不斷優(yōu)化，力求得到一個“完美”的模型，即兼具精確性、真實性的模型;最后，綜合考慮如何應(yīng)用全生命周期信息。自從2013年起，Spiral 1 Program進入實際運作階段，迄今仍未完成全部實驗項目，建設(shè)周期長，成本居高不下。上述實踐過程各界可以普遍接受嗎？這是否就是唯一解決問題的思路呢？

數(shù)字孿生的抽象方法過程表明，先要在不斷的迭代過程中逐步優(yōu)化模型，使其能夠映射物理實體的多物理場、多尺度特征以及全生命周期信息，從而成為數(shù)字孿生模型。之后，數(shù)字孿生模型可以和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)協(xié)同進行仿真等數(shù)據(jù)處理。

數(shù)字孿生模型并不是基于對某個領(lǐng)域認知的“完美”的模型，而是通過建設(shè)模型的過程，同時不斷通過與物理世界的現(xiàn)實情況進行迭代，最終得到一個“足夠好”的模型，從而為全生命周期信息流動提供各種支持，如圖3所示。為了更好地建立數(shù)字孿生模型，現(xiàn)有研究的方法邊界需要進一步延伸。

3 多感知的技術(shù)與方法

對一個物理實體通過迭代的方法建立認識并不是稀有方法，人類對物理實體的認識就是這樣進行的。

3.1 通過多感知認識物理世界

作為高級生物，人類可以認識物理世界，首先通過感知過程對物理實體的特征獲得感性認識，而后經(jīng)各種認知過程進一步形成理性認識，是一種由淺入深、由易到難、由簡到繁的逐步迭代的方法，如圖4所示。

其中的感知過程是由各種感官（如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺、動力感知等）采集外界物理世界的各種特征，通過在物種進化過程中由大自然創(chuàng)造并完善的機制——反思，人腦內(nèi)部用內(nèi)在形象的形式形成和保存某些特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而執(zhí)行內(nèi)部圖像的處理[64]。人腦的相應(yīng)結(jié)構(gòu)包括等級制度和層間關(guān)系，從而將人的感官系統(tǒng)收集的多感知的信息在不同層次上分別表示。同時，人腦有一種分析機制，可以將這些復(fù)雜層級組合成為物理實際中客觀對象的虛擬圖像。另外，人類的身體和大腦有一種協(xié)同機制，可以將多種不同層級的刺激進行整合并不斷從感官回饋給大腦[65]。也就是說，人腦認識物理世界并不是通過各種精確的數(shù)據(jù)進行的，而是通過印象—感知—反饋—優(yōu)化的認識過程來建立對物理實體的映射，這種映射始終是基于感知的。那么，數(shù)字孿生模型的構(gòu)建可以用類似人類認識物理世界的模式進行嗎？答案是肯定的。

3.2 多感知技術(shù)

視覺和聽覺是人類最主要的2種感知方法，也是學術(shù)界長時間關(guān)注的研究熱點，所以對視覺和聽覺信息的獲取、存儲、傳輸和顯示技術(shù)已經(jīng)達到非常高的水平[66]。在視覺方面，伴隨虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR和機器視覺、計算機圖形學的快速發(fā)展，通過圖片、視頻、多波段和激光掃描等視頻數(shù)據(jù)采集方式形成各種空間點云數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上形成三維圖像已變得日益普及[67]。如圖5所示，可使用手持設(shè)備在施工現(xiàn)場掃描場景并與建筑設(shè)計模型BIM進行比對。在聽覺方面，通過對聲音的采集和分析對設(shè)備內(nèi)部運動部件進行感知和監(jiān)測，已經(jīng)成為一種典型的應(yīng)用場景。

觸覺和動力感知是感知技術(shù)現(xiàn)在發(fā)展的另一個熱點。在這一領(lǐng)域，科研人員對于人類觸覺和動力感知形成機制的研究已經(jīng)有了很大進展[68]，同時還開展了對各種材料表面的編碼工作[66]。近年來還提出了建設(shè)觸覺互聯(lián)網(wǎng) the Tactile Internet[66]的概念。在觸覺和視覺結(jié)合方面，目前已有一些相關(guān)的研究成果，建立起觸覺與表面間的聯(lián)系[69]。更重要的是，隨著觸覺互聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的發(fā)展，完全可以借助觸覺感知設(shè)備，將物理實體的表面觸覺進行記錄[66，70]，并將記錄所得數(shù)據(jù)進行高速傳輸。與觸覺相關(guān)聯(lián)的還有動力感知，人在嘗試移動物體中，會對物體的質(zhì)量、速度、加速度等形成一種感知。目前已有一些動力感知的研究成果投入應(yīng)用，如圖6所示[66]，使用該設(shè)備可以將物體表面的觸覺數(shù)字化處理，并進行儲存和傳遞。

人類的嗅覺和味覺都是對應(yīng)器官對化學成分的一種采集和分析結(jié)果，現(xiàn)在已經(jīng)有一些工程實踐可以將模型的味道通過穿戴式裝備反饋給使用者。如NARUMI等[71]建立了一種仿嗅覺系統(tǒng)，通過視覺、味覺和嗅覺的交叉模式，讓使用者可以體驗到曲奇餅的不同口味，如圖7所示。

此外，在柔性混合電子學領(lǐng)域，還有一些特殊傳感材料取得了長足的進步，如皮膚狀電子器件材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計。這種柔性傳感材料增強了虛擬世界和物理世界之間以及人和物體之間的聯(lián)系，可以靈活響應(yīng)刺激，靈敏度類似于人類感官（嗅覺、視覺、 聽覺、觸覺和味覺），同時具備相應(yīng)的應(yīng)用（氣體、光、化學成分、聲音和機械信號監(jiān)控）[72]。還有一批研究人員提出并在努力構(gòu)建一種賽博物理化學空間接口（CPI，cyber-physiochemical interfaces），它能夠提取生物物理和生物化學信號，并將它們與電子、通信和計算技術(shù)緊密聯(lián)系起來，包括材料、傳感器開發(fā)、系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)[73]。

各種感知技術(shù)和數(shù)字孿生可能的融合已被某些研究者注意到，如SADDIK[74]就提出從人類感知的角度，可以把數(shù)字孿生的作用視為有助于監(jiān)控、理解和優(yōu)化所有物理實體的功能，并為人類提供持續(xù)的反饋，提高生活質(zhì)量和福祉。多感知領(lǐng)域為VR提供支持的技術(shù)，如圖像引擎技術(shù)的成果，都可以簡化、優(yōu)化3D模型的構(gòu)建過程[75]，用于數(shù)字孿生模型的構(gòu)建。

4 面向多感知的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法

根據(jù)人類通過多感知認識物理世界的過程與方法，結(jié)合多感知技術(shù)的研究成果，本文提出一種面向多感知的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法。

4.1 模型框架

為了體現(xiàn)數(shù)字孿生模型的核心特點和要求，即實現(xiàn)對真正物理實體的映射和有效體現(xiàn)對應(yīng)全生命周期的信息流動，需要將模型分解為幾個組成部分，如圖8所示。

首先，按照物理實體的定義進行模型的分別構(gòu)建。物理實體是一種具備多種性質(zhì)的物質(zhì)集合體，具有復(fù)雜性、真實性、即時性的特點，可隨外界條件變化按照客觀規(guī)律進行動態(tài)演化，需要對物質(zhì)集合體進行環(huán)境建模和對象建模。所謂對象是指研究對象，環(huán)境就是可能對研究對象造成影響的周邊物體;還需要對其具有的多種性質(zhì)進行結(jié)構(gòu)建模和功能建模，并需要針對動態(tài)演化進行近實時建模、行為建模和規(guī)律邏輯建模。

其次，為了體現(xiàn)對應(yīng)全生命周期的信息流動，控制數(shù)據(jù)會對與動態(tài)演化相關(guān)的近實時建模、行為建模和邏輯建模產(chǎn)生影響。

在實施過程中，與現(xiàn)有應(yīng)用研究使用的建模方法不同之處在于，通過視覺、聽覺、觸覺和動力感知、嗅/味覺、與反映條件變化的控制數(shù)據(jù)相結(jié)合等多感知方法，建立物理實體的數(shù)字孿生初始模型，從而在模型建立之初就聚焦于物理實體的復(fù)雜性和真實性，充分體現(xiàn)了數(shù)字孿生模型的特點，有效增強了模型的實用性和通用性。具體而言，使用視覺相關(guān)技術(shù)（如掃描設(shè)備等），建立環(huán)境模型、對象模型并協(xié)助建立部分結(jié)構(gòu)模型;使用聽覺相關(guān)技術(shù)（如超聲波檢測儀器等），建立結(jié)構(gòu)、功能模型;使用觸覺和動力感知相關(guān)技術(shù)（如表面觸覺體驗系統(tǒng)等），協(xié)助建立環(huán)境模型、對象模型和部分結(jié)構(gòu)模型;使用嗅覺和味覺相關(guān)技術(shù)，協(xié)助建立部分功能模型。將初始模型逐步與已有認知的知識框架進行匹配，并使用從物理實體處返回的控制數(shù)據(jù)進行不斷迭代，可以將物理實體在特定外界條件變化下的各種性質(zhì)變化、實時/近實時反應(yīng)、對其有影響的各種客觀規(guī)律、行為邏輯等信息按照研究領(lǐng)域的實際需要逐步加入數(shù)字孿生模型中，從而有效控制模型的規(guī)模和成本，逐步實現(xiàn)全生命周期的信息流動。具體而言，使用多波段相機等視覺相關(guān)技術(shù)，對物理實體進行持續(xù)觀測，協(xié)助建立體現(xiàn)動態(tài)演化的近實時模型和行為模型;使用聽覺技術(shù)，對物理實體的變化進行監(jiān)測，協(xié)助建立近實時模型和行為模型;使用觸覺和動力感知技術(shù)，對物理實體的行為進行監(jiān)測，協(xié)助建立行為模型;使用嗅覺和味覺技術(shù)，對物理實體的行為進行監(jiān)測，協(xié)助建立行為模型。

將優(yōu)化成型的數(shù)字孿生模型進一步用于理論和實際研究中，如仿真、規(guī)劃、優(yōu)化、決策等，可促進各項研究的開展，如圖9所示?？傊跇?gòu)建數(shù)字孿生模型時，不追求在開始階段就有精確模型，而是結(jié)合三維模型和多感知技術(shù)構(gòu)建初始模型，而后使用物理實體隨時間變化產(chǎn)生的各種可用控制數(shù)據(jù)，結(jié)合新的多感知采集的數(shù)據(jù)對模型進行迭代，直至優(yōu)化過程結(jié)束，形成數(shù)字孿生模型為止。

4.2 多感知的優(yōu)點

面向多感知的數(shù)字孿生模型構(gòu)建框架，從方法論上避免陷入“完美”模型，結(jié)合技術(shù)手段和可采集的數(shù)據(jù)，優(yōu)先建立一個“可用的”數(shù)字孿生模型。

1）適用于計算機圖像掃描領(lǐng)域，如中緬油氣管道數(shù)字孿生體[43]建設(shè)，就是使用衛(wèi)星航拍照片結(jié)合其他計算機圖像技術(shù)進行的構(gòu)建，有效降低了成本和建設(shè)時間;

2）在聽覺監(jiān)測技術(shù)不斷進步的今天，數(shù)字孿生模型也需要將聲音信息集成在整體框架中，可以有效結(jié)合新技術(shù)的進步，提升數(shù)字孿生模型的效用;

3）觸覺和動力感知可以直接對表面的信息進行數(shù)字化處理并儲存，極大豐富了數(shù)字孿生模型，使用相關(guān)技術(shù)構(gòu)建表面部分的數(shù)字孿生模型，可以擴大其適用范圍;

4）嗅覺和味覺的感知在某些特殊領(lǐng)域（如?；饭芾?、化工流程行業(yè)、智能城市建設(shè)等）很有前景，應(yīng)該予以集成和重視;

5）在與人交互的領(lǐng)域和需要沉浸感的領(lǐng)域（如文化遺產(chǎn)保護[76]、醫(yī)療、教育、社交等），基于多感知的方法具有顯著裨益。

李旭健等[76]分析了2010—2019年Web of Science與中國知網(wǎng)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于文化遺產(chǎn)保護的相關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)近幾年虛擬現(xiàn)實在物質(zhì)文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的研究主要集中在器物、書畫、雕塑和建筑遺址方面，在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的研究主要集中在口頭故事與語言、傳統(tǒng)技藝和傳統(tǒng)習俗方面。隨著技術(shù)的進步，虛擬現(xiàn)實三維建模的速度與準確性不斷提高，聲音的加入增強了虛擬系統(tǒng)的沉浸感。未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用前景。

多感知構(gòu)建成的數(shù)字孿生模型在與人交互的領(lǐng)域有著特殊意義，其可以存儲氣味、觸覺、聲音等人的個性化信息，和VR/AR等技術(shù)融合后，可以為改善醫(yī)療、教育、社交等應(yīng)用場景下使用者的用戶體驗提供極大的可能性[77]?；诟兄夹g(shù)，也可以對人本身建立數(shù)字孿生，預(yù)想效果圖如圖10所示[74]。

5 結(jié) 語

1）隨著數(shù)字孿生在多領(lǐng)域的應(yīng)用，其概念涵義日益泛化、具體實施缺乏通用有效方法等問題日益凸顯，制約了數(shù)字孿生的進一步推廣和應(yīng)用。

2）對于數(shù)字孿生，在概念方面應(yīng)將數(shù)字孿生的概念邊界以模型為中心進行約束;在方法層面，應(yīng)將數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法進行拓展，即面向多感知的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，參考人類一般認知過程，先使用多感知技術(shù)結(jié)合三維模型建立數(shù)字孿生初始模型，再使用控制數(shù)據(jù)和多感知技術(shù)進行持續(xù)迭代優(yōu)化，最終得到數(shù)字孿生模型。

3）本研究有助于人們在產(chǎn)學研用各層面對數(shù)字孿生形成一致性的理解，可為數(shù)字孿生在更大范圍的推廣運用提供思路。后續(xù)研究中，將在具體領(lǐng)域應(yīng)用面向多感知的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，推動該方法的進一步發(fā)展。

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