文/邢 軍 安世亞太科技股份有限公司

隨著新一代通信技術(shù)以及人工智能等IT和OT技術(shù)的融合發(fā)展應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)代表著數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級的實(shí)現(xiàn)途徑，在工業(yè)、城市、軍事等眾多領(lǐng)域得到了迅速并且廣泛地應(yīng)用。

1 數(shù)字孿生是體系級的虛實(shí)映射

數(shù)字孿生是綜合運(yùn)用智能感知、計算、數(shù)據(jù)建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對物理空間進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測和決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬空間的交互映射。具體體現(xiàn)為，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)模型是核心、軟件實(shí)現(xiàn)是載體。

在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)的問題是由人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等因素共同作用，包括其內(nèi)在的因素和外部的環(huán)境，是內(nèi)外的失效機(jī)理共同作用的結(jié)果，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的時候，不僅考慮具體的物理實(shí)體，而且其所在的物理環(huán)境也會在虛擬空間中得以模擬仿真。

數(shù)字孿生的基本定義如圖1所示，物理世界作為基礎(chǔ)和前提條件，需要有一個針對物理世界的業(yè)務(wù)目標(biāo)，基于業(yè)務(wù)目標(biāo)來構(gòu)建數(shù)字孿生體，這是數(shù)字孿生存在的價值基礎(chǔ)。

圖1 數(shù)字孿生的基本定義

對一臺裝備的運(yùn)行過程狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并依據(jù)它的健康狀態(tài)預(yù)測進(jìn)行維保，那就需要建立一個基于該裝備PHM模型的數(shù)字孿生體及應(yīng)用。也就是說，基于要預(yù)測裝備健康狀態(tài)的業(yè)務(wù)目標(biāo)，需要建立裝備的數(shù)字孿生世界，并在數(shù)字世界中構(gòu)建對應(yīng)業(yè)務(wù)目標(biāo)的模型和模型組合，通過裝備物理實(shí)體和孿生世界的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)模型的融合與演進(jìn)來描述、指導(dǎo)、預(yù)測甚至是控制裝備物理實(shí)體，這就是數(shù)字孿生的本質(zhì)。

綜上所述，數(shù)字孿生是物理實(shí)體的虛擬映射，不僅能夠?qū)崟r反映其各種真實(shí)狀態(tài)，而且能夠有效預(yù)測其未來趨勢。同時，數(shù)字孿生也能生成反饋控制信號，對物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時驅(qū)動控制和持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)指導(dǎo)。數(shù)字孿生是綜合運(yùn)用智能感知、計算、數(shù)據(jù)建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對物理空間進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測和決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬空間的交互映射。

數(shù)字孿生是體系級思維的體現(xiàn)，實(shí)體產(chǎn)品在物理空間中產(chǎn)生相互作用，虛擬產(chǎn)品在虛擬空間中表現(xiàn)為模型的動態(tài)融合和互動共智演化。

孿生體成熟度、時間和空間可以觀察、評價數(shù)字孿生體發(fā)展及應(yīng)用水平，構(gòu)建數(shù)字孿生體三維發(fā)展范式矩陣，如圖2所示。在成熟度維度，安世亞太率先提出了數(shù)字孿生體“數(shù)化、互動、先知、先覺、共智”五級成熟度進(jìn)化模型。

圖2 數(shù)字孿生體的三維發(fā)展范式

2 數(shù)字孿生（體）深度拆解

安世亞太數(shù)字孿生體的概念定義和體系構(gòu)成如圖3所示。

如上所述，數(shù)字孿生體是基于一個物理實(shí)體建立一個孿生體對象，二者依業(yè)務(wù)目標(biāo)起始驅(qū)動和價值實(shí)現(xiàn)，即圖3中所描述的用途：針對業(yè)務(wù)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)字孿生體的構(gòu)建。構(gòu)建的數(shù)字孿生體包含基礎(chǔ)和擴(kuò)展兩個層面。

基礎(chǔ)指對象在業(yè)務(wù)活動中演化的數(shù)字化表達(dá)。結(jié)合圖3的三維坐標(biāo)系能夠看到：不同類別的業(yè)務(wù)對象在不同的業(yè)務(wù)場景活動中，基于時間維度的發(fā)展演化，整個過程中通過對應(yīng)業(yè)務(wù)目標(biāo)的不同模型和模型組的融合與演進(jìn)來進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，這就是數(shù)字孿生體的本質(zhì)基礎(chǔ)。

擴(kuò)展指基于業(yè)務(wù)需要的深層次知識獲取與表達(dá)。數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)是針對用戶的業(yè)務(wù)目標(biāo)在數(shù)字世界中進(jìn)行綜合建模并給出對實(shí)體世界的描述、預(yù)測和控制，而面對在數(shù)字世界推演出來的孿生結(jié)果需要針對用戶進(jìn)行顯性化和知識化的封裝與呈現(xiàn)，讓數(shù)字孿生體的用戶能夠理解并且可以復(fù)用。

從圖3中（孿生）對象的維度可以看出，實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字孿生體的對象有不同的類型和層次，如實(shí)體、功能、行為模式等。例如，當(dāng)對象的應(yīng)用深度從零件到部件到組件直至整機(jī)，這已經(jīng)到達(dá)系統(tǒng)級，可用基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）來描述和解決相關(guān)問題。然而實(shí)際的應(yīng)用需求并不會止步于此，基于多臺整機(jī)構(gòu)成的整個生產(chǎn)線，由多條生產(chǎn)線及包括人機(jī)料法環(huán)測環(huán)境構(gòu)成的整個工廠，甚至城市等，這已經(jīng)不是系統(tǒng)工程所能夠描述和解決的場景了，因此需要進(jìn)入更高一級的應(yīng)用范疇，即體系工程。

圖3 安世亞太數(shù)字孿生體的概念定義和體系構(gòu)成

與此對應(yīng)，數(shù)字孿生體也必須是對一個體系的映射，可依據(jù)應(yīng)用的技術(shù)和對應(yīng)的成熟度從三個層次對數(shù)字孿生體進(jìn)行表征。

基礎(chǔ)級是實(shí)體快照，在數(shù)字孿生體中映射實(shí)體對象的系統(tǒng)構(gòu)成和行為狀態(tài)，技術(shù)支撐以系統(tǒng)建模為主，實(shí)現(xiàn)的成熟度為1~2級，即數(shù)化和互動。

當(dāng)業(yè)務(wù)目標(biāo)需要數(shù)字孿生體擴(kuò)展到精確性程度予以支撐，在此層次要進(jìn)行較精確的機(jī)理建模和仿真，成熟度等級3級，即先知。

對應(yīng)業(yè)務(wù)目標(biāo)更高的要求，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)建模以及整體的系統(tǒng)仿真，并對結(jié)果進(jìn)行知識的體系化與封裝，支持用戶體系從知識向智慧的進(jìn)化。對應(yīng)的成熟度為4~5級，即先覺到共智。

數(shù)字孿生體的三級層次匯總了不同的技術(shù)體系、各類建模手段，以數(shù)字孿生體的各層次構(gòu)型對應(yīng)著其應(yīng)用成熟度從第一級到第五級的進(jìn)化，因而可以說，數(shù)字孿生是一個綜合技術(shù)集成體。

3 數(shù)字孿生是基于模型的體系工程

3.1 體系工程的產(chǎn)生背景以及與系統(tǒng)工程之間的關(guān)系分析

與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程理論相比，體系工程在分析和解決不同種類的、獨(dú)立的、大型的復(fù)雜系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)與相互操作問題時更具有針對性。體系工程是對系統(tǒng)工程的延伸和拓展，它更加關(guān)注將能力需求轉(zhuǎn)化為體系解決方案，最終轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

體系工程以解決體系的構(gòu)建與演化問題為目標(biāo)，其研究對象是體系，區(qū)別于系統(tǒng)工程所針對的簡單系統(tǒng)對象，在過程原理上兩者間存在本質(zhì)的差異。體系工程過程存在需求分析循環(huán)、設(shè)計分析循環(huán)與設(shè)計驗證循環(huán)，除此之外，還存在對體系環(huán)境與邊界能力的分析。體系環(huán)境與邊界能力分析同需求分析循環(huán)、設(shè)計分析循環(huán)和設(shè)計驗證循環(huán)并行進(jìn)行，體系工程四個方面的過程分析通過體系分析與控制活動進(jìn)行平衡，通過平衡找到體系設(shè)計的合適方案。

3.2 MBSoSE及其業(yè)務(wù)架構(gòu)

安世亞太數(shù)字孿生業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖4所示。綜上分析，可進(jìn)一步提出數(shù)字孿生業(yè)務(wù)架構(gòu)，包括如下四個維度。

圖4 安世亞太數(shù)字孿生業(yè)務(wù)架構(gòu)

1）首先是基于業(yè)務(wù)場景化的定義，即必須是業(yè)務(wù)目標(biāo)驅(qū)動的數(shù)字孿生；

2）然后通過不同的模型和模型組構(gòu)建對應(yīng)業(yè)務(wù)目標(biāo)的數(shù)字孿生體；

3）接著經(jīng)由與實(shí)體世界的數(shù)據(jù)傳輸通過多輪數(shù)字孿生體模型的融合與演進(jìn)，對實(shí)體世界進(jìn)行描述、預(yù)測甚至控制，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)；

4）最后把數(shù)字孿生體動態(tài)融合演化和預(yù)測的孿生結(jié)果封裝成用戶能夠接受和可以復(fù)用的知識體系，實(shí)現(xiàn)智慧表達(dá)并形成一個完整的數(shù)字孿生業(yè)務(wù)閉環(huán)。

在此業(yè)務(wù)架構(gòu)中，其實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)還包含了兩次降維和一次升維過程，這也是傳統(tǒng)的信息化和時下的數(shù)字化本質(zhì)差別之一。

最初是基于用戶的業(yè)務(wù)驅(qū)動來描述業(yè)務(wù)場景和形成數(shù)字孿生體的，但由于用戶的業(yè)務(wù)目標(biāo)是復(fù)雜的，所以需要先把復(fù)雜的業(yè)務(wù)目標(biāo)通過模型和模型的組合來形成數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)從業(yè)務(wù)驅(qū)動到模型驅(qū)動的第一次降維；第二次是將模型驅(qū)動降維成數(shù)據(jù)驅(qū)動，通過實(shí)際的數(shù)據(jù)用仿真推演給出用戶業(yè)務(wù)目標(biāo)的分析結(jié)果。于用戶而言，紛繁復(fù)雜的數(shù)字孿生的業(yè)務(wù)、技術(shù)、架構(gòu)等難題全部包含在黑盒里，通過兩次降維過程，僅僅依據(jù)業(yè)務(wù)目標(biāo)和實(shí)際數(shù)據(jù)，就可以達(dá)成業(yè)務(wù)價值，這是降維的化繁為簡。

一次升維過程指的是通過兩次降維過程獲得的數(shù)字孿生體的分析結(jié)果，以用戶所能接受和理解、可以復(fù)用的知識體系，通過知識結(jié)構(gòu)化的融合與表達(dá)，形成智慧的應(yīng)用，這是升維的聚水成涓。

最終通過這兩次降維和一次升維過程，經(jīng)由數(shù)字孿生過程實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的完整閉環(huán)，展示了數(shù)字化的價值邏輯。

數(shù)字孿生體構(gòu)建過程示例如圖5所示，從上圖5可以看到，該場景包含了從組件到系統(tǒng)、到體系，不同對象并對應(yīng)著不同的業(yè)務(wù)目標(biāo)——業(yè)務(wù)驅(qū)動，數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)從業(yè)務(wù)驅(qū)動降維到不同的模型來支撐，也就是模型驅(qū)動。進(jìn)而到再往下降維到數(shù)據(jù)驅(qū)動，就可以通過收集和獲取到的不同數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)組合，驅(qū)動模型的實(shí)例化，并通過模型實(shí)例化預(yù)測出結(jié)果，來實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)目標(biāo)。所以通過綜合建模和廣義仿真，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到模型，從模型到業(yè)務(wù)價值，完整的數(shù)字孿生體構(gòu)建就是一個體系工程的實(shí)現(xiàn)。

圖5 數(shù)字孿生體構(gòu)建過程示例

至此，提出數(shù)字孿生是基于模型的體系工程（MBSoSE）的核心概念，其實(shí)質(zhì)是通過綜合建模和廣義仿真構(gòu)建數(shù)字孿生體，來實(shí)現(xiàn)用戶的業(yè)務(wù)目標(biāo)與價值。

4 數(shù)字孿生的產(chǎn)品架構(gòu)

基于對上述數(shù)字孿生業(yè)務(wù)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步給出安世亞太從業(yè)務(wù)視角透視的數(shù)字孿生產(chǎn)品整體架構(gòu)，如圖6所示，從下到上共分為四層。

圖6 安世亞太的數(shù)字孿生產(chǎn)品架構(gòu)

1）第一層是數(shù)據(jù)源，包含了數(shù)字孿生體構(gòu)建所需要的IT和OT數(shù)據(jù)。

2）第二層是統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理平臺，通過數(shù)據(jù)匯聚平臺工具將所有的數(shù)據(jù)源匯聚起來進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)治理和大數(shù)據(jù)處理。

3）第三層是產(chǎn)品架構(gòu)的核心層，主要包括兩個核心的數(shù)字孿生產(chǎn)品平臺：一是綜合建模平臺，它支撐各種不同方法、不同維度包括機(jī)理建模、數(shù)據(jù)建模和體系統(tǒng)建模等各類建模技術(shù)，也包含不同的模型算法，通過可視化的建模過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的快速構(gòu)建和部署；第二是模型調(diào)度和運(yùn)行平臺，也是我們的Model OS模型操作系統(tǒng)，支持用戶將各種模型進(jìn)行融合和演進(jìn)，并通過數(shù)據(jù)的實(shí)例化進(jìn)行廣義仿真及給出相應(yīng)的運(yùn)行結(jié)果。

4）第四層是各類業(yè)務(wù)平臺，通過產(chǎn)品核心層的綜合建模和廣義仿真給出的最終運(yùn)行結(jié)果，采取知識化的封裝形式傳遞至各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)的智慧化應(yīng)用。

5 數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在前文提出的數(shù)字孿生體三維發(fā)展范式矩陣中，以工業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用為例進(jìn)行分析。

數(shù)字孿生體在工業(yè)領(lǐng)域基于時間維度的應(yīng)用發(fā)展如圖7所示，以民用飛機(jī)的應(yīng)用為例，可以看出數(shù)字孿生的應(yīng)用，從最前端的設(shè)計研發(fā)至生產(chǎn)制造、測試驗證，直到最后的報廢回收，覆蓋了產(chǎn)品的全生命周期過程。

圖7 數(shù)字孿生體在工業(yè)領(lǐng)域基于時間維度的應(yīng)用發(fā)展

數(shù)字孿生體在工業(yè)領(lǐng)域基于空間維度的應(yīng)用發(fā)展如圖8所示，以圖8為例，進(jìn)行孿生體空間維度的展開。從飛機(jī)的部件，到不同整機(jī)的系統(tǒng)，再到航空公司層級的體系，不同層次對象的數(shù)字孿生體對應(yīng)不同的業(yè)務(wù)目標(biāo)，比如部件故障預(yù)測、裝備的OEE，航空公司降低運(yùn)維成本等；從最右側(cè)的業(yè)務(wù)驅(qū)動往左側(cè)降維到了模型驅(qū)動，進(jìn)而降維至數(shù)據(jù)驅(qū)動，用不同的數(shù)據(jù)來支撐實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)目標(biāo)。

圖8 數(shù)字孿生體在工業(yè)領(lǐng)域基于空間維度的應(yīng)用發(fā)展

而孿生體成熟度維度含在了時間、空間兩維應(yīng)用中了，因為不同業(yè)務(wù)對象的不同業(yè)務(wù)目標(biāo)是對應(yīng)著不同的數(shù)字孿生體成熟度等級。

在工業(yè)領(lǐng)域的體系化應(yīng)用和工業(yè)客戶所關(guān)注的業(yè)務(wù)目標(biāo)中，還可以有一個不同的關(guān)注維度，即工業(yè)場景常提到的人機(jī)料法環(huán)測（5M1E）。雖然5M1E的應(yīng)用場景在三維發(fā)展范式矩陣中基本能夠被覆蓋，但面對工業(yè)用戶從5M1E這六個維度入手的業(yè)務(wù)目標(biāo)更能體現(xiàn)工業(yè)企業(yè)運(yùn)營和產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)需求，也更容易瞄準(zhǔn)數(shù)字孿生體在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用價值，因而數(shù)字孿生體覆蓋5M1E的體系化應(yīng)用如圖9所示，列舉出了針對場景的業(yè)務(wù) 驅(qū)動。

圖9 數(shù)字孿生體覆蓋5M1E的體系化應(yīng)用

6 結(jié)束語

綜上所述，數(shù)字孿生作為基于模型的體系工程，將持續(xù)動態(tài)改進(jìn)物理世界和數(shù)字空間的交互與融合，在眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的潛力，其應(yīng)用與價值的展現(xiàn)才剛凸顯。安世亞太將會持續(xù)優(yōu)化數(shù)字孿生業(yè)務(wù)、產(chǎn)品和技術(shù)體系架構(gòu)，構(gòu)建合作伙伴生態(tài)，并在工業(yè)制造、智慧城市和國防領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級過程中貢獻(xiàn)自己的力量。