摘 要：

數(shù)字孿生（Digital Twin）作為踐行智能制造、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等先進(jìn)理念的使能技術(shù)與手段，近期備受學(xué)術(shù)界和企業(yè)界關(guān)注，尤其是數(shù)字孿生的落地應(yīng)用更是關(guān)注熱點(diǎn)。模型是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)與核心，而傳統(tǒng)數(shù)字孿生三維模型已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用需求。在此背景下，為推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域和行業(yè)的進(jìn)一步應(yīng)用，在數(shù)字孿生車(chē)間研究過(guò)程中，提出了數(shù)字孿生五維模型的概念，以適應(yīng)新需求?；谇捌谙嚓P(guān)研究，在進(jìn)一步闡述數(shù)字孿生五維模型后，結(jié)合相關(guān)合作企業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，重點(diǎn)探討了數(shù)字孿生五維模型在衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車(chē)輛、發(fā)電廠、飛機(jī)、復(fù)雜機(jī)電裝備、立體倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)療、制造車(chē)間、智慧城市10個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用思路與方案，以期為相關(guān)領(lǐng)域踐行數(shù)字孿生理念與技術(shù)提供參考。

1 數(shù)字孿生發(fā)展應(yīng)用新趨勢(shì)與新需求

數(shù)字孿生（Digital Twin）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(huà)物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等。數(shù)字孿生的概念最初于2003年由Grieves教授在美國(guó)密歇根大學(xué)產(chǎn)品生命周期管理課程上提出，早期主要被應(yīng)用在軍工及航空航天領(lǐng)域。如美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）基于數(shù)字孿生開(kāi)展了飛行器健康管控應(yīng)用，美國(guó)洛克希德·馬丁公司將數(shù)字孿生引入到F-35戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，用于改進(jìn)工藝流程，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。由于數(shù)字孿生具備虛實(shí)融合與實(shí)時(shí)交互、迭代運(yùn)行與優(yōu)化、以及全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，目前已被應(yīng)用到產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造］、服務(wù)與運(yùn)維等。

隨著美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國(guó)工業(yè)4.0、及中國(guó)制造2025等國(guó)家層面制造發(fā)展戰(zhàn)略的提出，智能制造已成為全球制造業(yè)發(fā)展的共同趨勢(shì)與目標(biāo)。數(shù)字孿生作為解決智能制造信息物理融合難題和踐行智能制造理念與目標(biāo)的關(guān)鍵使能技術(shù)，得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和研究，并被工業(yè)界引入到越來(lái)越多的領(lǐng)域進(jìn)行落地應(yīng)用［1］。

數(shù)字孿生落地應(yīng)用的首要任務(wù)是創(chuàng)建應(yīng)用對(duì)象的數(shù)字孿生模型。當(dāng)前，數(shù)字孿生模型多沿用Grieves教授最初定義的三維模型，即物理實(shí)體、虛擬實(shí)體及二者間的連接。然而，隨著相關(guān)理論技術(shù)的不斷拓展與應(yīng)用需求的持續(xù)升級(jí)，數(shù)字孿生的發(fā)展與應(yīng)用呈現(xiàn)出如下新趨勢(shì)與新需求：

（1）應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展需求 數(shù)字孿生提出初期主要面向軍工及航空航天領(lǐng)域需求，近年逐步向民用領(lǐng)域拓展。根據(jù)作者前期關(guān)于數(shù)字孿生在工業(yè)應(yīng)用中的調(diào)研分析，數(shù)字孿生在電力、汽車(chē)、醫(yī)療、船舶等11個(gè)領(lǐng)域均有報(bào)道與應(yīng)用需求，且市場(chǎng)前景廣闊。研究與實(shí)踐表明，相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中所需解決的首個(gè)挑戰(zhàn)是如何根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象與業(yè)務(wù)需求創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型。因缺乏通用的數(shù)字孿生參考模型與創(chuàng)建方法的指導(dǎo)，嚴(yán)重阻礙了數(shù)字孿生相關(guān)領(lǐng)域的落地應(yīng)用。

（2）與New IT技術(shù)深度融合需求 數(shù)字孿生的落地應(yīng)用離不開(kāi)New IT技術(shù)的支持，包括基于物聯(lián)網(wǎng)的虛實(shí)互聯(lián)與集成；基于云模式的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享服務(wù)；基于大數(shù)據(jù)與人工智能的數(shù)據(jù)分析、融合、及智能決策;基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的虛實(shí)映射與可視化顯示等。數(shù)字孿生必須與New IT技術(shù)深度融合才能實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)的集成、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采—傳—處—用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息物理數(shù)據(jù)的融合、支持虛實(shí)雙向連接與實(shí)時(shí)交互，開(kāi)展實(shí)時(shí)過(guò)程仿真與優(yōu)化，提供各類(lèi)按需使用的智能服務(wù)。關(guān)于數(shù)字孿生與New IT技術(shù)的融合當(dāng)前已有相關(guān)研究報(bào)道，如基于云、霧、邊的數(shù)字孿生三層架構(gòu)，數(shù)字孿生服務(wù)化封裝方法，數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)融合驅(qū)動(dòng)的智能制造模式，基于信息物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生參考模型，及VR/AR驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生虛實(shí)融合與交互等。

（3）信息物理融合數(shù)據(jù)需求 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能是當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)前沿與應(yīng)用過(guò)程智能化的發(fā)展趨勢(shì)，如數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能制造、設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)、仿真優(yōu)化等。相關(guān)研究可歸為3類(lèi)：①主要依賴(lài)信息空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、仿真分析、虛擬驗(yàn)證、及運(yùn)行決策等，缺乏應(yīng)用實(shí)體對(duì)象的物理實(shí)況小數(shù)據(jù)（如設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、突發(fā)性擾動(dòng)數(shù)據(jù)、瞬態(tài)異常小數(shù)據(jù)等）的考慮與支持，存在“仿而不真”的問(wèn)題；②主要依賴(lài)應(yīng)用實(shí)體對(duì)象實(shí)況數(shù)據(jù)開(kāi)展“望聞問(wèn)切”經(jīng)驗(yàn)式的評(píng)估、分析與決策，缺乏信息大數(shù)據(jù)（如歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、時(shí)空關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、隱性知識(shí)數(shù)據(jù)等）的科學(xué)支持，存在“以偏概全”的問(wèn)題；③雖然有部分工作同時(shí)考慮和使用了信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)，能在一定程度上彌補(bǔ)上述不足，但實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中兩種數(shù)據(jù)往往是孤立的，缺乏全面交互與深度融合，信息物理一致性與同步性差，結(jié)果的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性有待提升。數(shù)據(jù)也是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動(dòng)力，與傳統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)相比，除信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)外，數(shù)字孿生更強(qiáng)調(diào)信息物理融合數(shù)據(jù)，通過(guò)信息物理數(shù)據(jù)的融合來(lái)實(shí)現(xiàn)信息空間與物理空間的實(shí)時(shí)交互、一致性與同步性，從而提供更加實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的應(yīng)用服務(wù)。

（4）智能服務(wù)需求 隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，數(shù)字孿生必須滿(mǎn)足不同領(lǐng)域、不同層次用戶(hù)（如終端現(xiàn)場(chǎng)操作人員、專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員、管理決策人員、及產(chǎn)品終端用戶(hù)等）、不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。包括：①虛擬裝配、設(shè)備維護(hù)、工藝調(diào)試等物理現(xiàn)場(chǎng)操作指導(dǎo)服務(wù)需求；②復(fù)雜生產(chǎn)任務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度、動(dòng)態(tài)制造過(guò)程仿真、復(fù)雜工藝自?xún)?yōu)化配置、設(shè)備控制策略自適應(yīng)調(diào)整等專(zhuān)業(yè)化技術(shù)服務(wù)需求；③數(shù)據(jù)可視化、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、需求分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等智能決策服務(wù)需求；④面向產(chǎn)品終端用戶(hù)功能體驗(yàn)、沉浸式交互、遠(yuǎn)程操作等“傻瓜式”和便捷式服務(wù)需求。因此，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用過(guò)程中所需各類(lèi)數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果等的服務(wù)化，以應(yīng)用軟件或移動(dòng)端App的形式為用戶(hù)提供相應(yīng)智能服務(wù)，是數(shù)字孿生普適應(yīng)用面臨的又一難題。

（5）普適工業(yè)互聯(lián)需求 普適工業(yè)互聯(lián)（包括物理實(shí)體間的互聯(lián)與協(xié)作，物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的虛實(shí)互聯(lián)與交互，物理實(shí)體與數(shù)據(jù)/服務(wù)間的雙向通信與閉環(huán)控制，虛擬實(shí)體、數(shù)據(jù)、及服務(wù)間的集成與融合等）是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生虛實(shí)交互與融合的基石，如何實(shí)現(xiàn)普適的工業(yè)互聯(lián)是數(shù)字孿生的應(yīng)用前提。目前，部分研究已開(kāi)始探索面向數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)互聯(lián)方法，包括面向智能制造多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與集成的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)Hub（IIHub）、基于AutomationML的信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊與數(shù)據(jù)交換、基于MTConnect的現(xiàn)場(chǎng)物理設(shè)備與模型及用戶(hù)的遠(yuǎn)程交互，以及基于中間件的物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的互聯(lián)互通等。

（6）動(dòng)態(tài)多維多時(shí)空尺度模型需求 模型是數(shù)字孿生落地應(yīng)用的引擎。當(dāng)前針對(duì)物理實(shí)體的數(shù)字化建模主要集中在對(duì)幾何與物理維度模型的構(gòu)建上，缺少能同時(shí)反映物理實(shí)體對(duì)象的幾何、物理、行為、規(guī)則及約束的多維動(dòng)態(tài)模型的構(gòu)建。而在不同維度，缺少?gòu)牟煌臻g尺度來(lái)刻畫(huà)物理實(shí)體不同粒度的屬性、行為、特征等的“多空間尺度模型”；同時(shí)缺少?gòu)牟煌瑫r(shí)間尺度來(lái)刻畫(huà)物理實(shí)體隨時(shí)間推進(jìn)的演化過(guò)程、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程、外部環(huán)境與干擾影響等的“多時(shí)間尺度模型”。此外，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，缺乏不同維度、不同空間尺度、不同時(shí)間尺度模型的集成與融合。上述模型不充分、不完整問(wèn)題，導(dǎo)致現(xiàn)有虛擬實(shí)體模型不能真實(shí)客觀地描述和刻畫(huà)物理實(shí)體，從而導(dǎo)致相關(guān)結(jié)果（如仿真結(jié)果、預(yù)測(cè)結(jié)果、評(píng)估及優(yōu)化結(jié)果）不夠精準(zhǔn)。因此，如何構(gòu)建動(dòng)態(tài)多維多時(shí)空尺度模型，是數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)難題。

為適應(yīng)以上新趨勢(shì)與新需求，解決數(shù)字孿生應(yīng)用過(guò)程中遇到的難題，北航數(shù)字孿生技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)提出了數(shù)字孿生五維模型，并對(duì)數(shù)字孿生五維模型的組成架構(gòu)及應(yīng)用準(zhǔn)則進(jìn)行了研究。在前期研究工作基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步對(duì)數(shù)字孿生五維模型進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并探索五維模型在衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車(chē)輛、發(fā)電廠、飛機(jī)、復(fù)雜機(jī)電裝備、立體倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)療、制造車(chē)間、智慧城市10個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，以期為數(shù)字孿生理念與技術(shù)進(jìn)一步落地應(yīng)用提供參考。

2 數(shù)字孿生五維模型

為使數(shù)字孿生進(jìn)一步在更多領(lǐng)域落地應(yīng)用，北航數(shù)字孿生技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)已有三維模型進(jìn)行了擴(kuò)展，并增加了孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)兩個(gè)新維度，創(chuàng)造性提出了數(shù)字孿生五維模型的概念，如式（1）所示：

MDT=（PE，VE，Ss，DD，CN）。

（1）

式中：PE表示物理實(shí)體，VE表示虛擬實(shí)體，Ss表示服務(wù)，DD表示孿生數(shù)據(jù)，CN表示各組成部分間的連接。根據(jù)式（1），數(shù)字孿生五維模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)字孿生五維模型能滿(mǎn)足上節(jié)所述數(shù)字孿生應(yīng)用的新需求。首先，MDT是一個(gè)通用的參考架構(gòu)，能適用不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用對(duì)象。其次，它的五維結(jié)構(gòu)能與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等New IT技術(shù)集成與融合，滿(mǎn)足信息物理系統(tǒng)集成、信息物理數(shù)據(jù)融合、虛實(shí)雙向連接與交互等需求。再次，孿生數(shù)據(jù)（DD）集成融合了信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足信息空間與物理空間的一致性與同步性需求，能提供更加準(zhǔn)確、全面的全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支持。服務(wù)（Ss）對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用過(guò)程中面向不同領(lǐng)域、不同層次用戶(hù)、不同業(yè)務(wù)所需的各類(lèi)數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果等進(jìn)行服務(wù)化封裝，并以應(yīng)用軟件或移動(dòng)端App的形式提供給用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)的便捷與按需使用。連接（CN）實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)及數(shù)據(jù)之間的普適工業(yè)互聯(lián)，從而支持虛實(shí)實(shí)時(shí)互聯(lián)與融合。虛擬實(shí)體（VE）從多維度、多空間尺度、及多時(shí)間尺度對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行刻畫(huà)和描述。

2.1 物理實(shí)體（PE）

PE是數(shù)字孿生五維模型的構(gòu)成基礎(chǔ)，對(duì)PE的準(zhǔn)確分析與有效維護(hù)是建立MDT的前提。PE具有層次性，按照功能及結(jié)構(gòu)一般包括單元級(jí)（Unit）PE、系統(tǒng)級(jí)（System）PE和復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)（System of systems）PE三個(gè)層級(jí)。以數(shù)字孿生車(chē)間［2］為例，車(chē)間內(nèi)各設(shè)備可視為單元級(jí)PE，是功能實(shí)現(xiàn)的最小單元；根據(jù)產(chǎn)品的工藝及工序，由設(shè)備組合配置構(gòu)成的生產(chǎn)線(xiàn)可視為系統(tǒng)級(jí)PE，可以完成特定零部件的加工任務(wù)；由生產(chǎn)線(xiàn)組成的車(chē)間可視為復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)PE，是一個(gè)包括了物料流、能量流與信息流的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各子系統(tǒng)間的組織、協(xié)調(diào)及管理等。根據(jù)不同應(yīng)用需求和管控粒度對(duì)PE進(jìn)行分層，是分層構(gòu)建MDT的基礎(chǔ)。例如，針對(duì)單個(gè)設(shè)備構(gòu)建單元級(jí)MDT，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)和維護(hù)等；針對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)MDT，從而對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的調(diào)度、進(jìn)度控制和產(chǎn)品質(zhì)量控制等進(jìn)行分析及優(yōu)化；而針對(duì)整個(gè)車(chē)間，可構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)MDT，對(duì)各子系統(tǒng)及子系統(tǒng)間的交互與耦合關(guān)系進(jìn)行描述，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的演化進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。

2.2 虛擬實(shí)體（VE）

VE如式（2）所示［8］，包括幾何模型（Gv）、物理模型（Pv）、行為模型（Bv）和規(guī)則模型（Rv），這些模型能從多時(shí)間尺度、多空間尺度對(duì)PE進(jìn)行描述與刻畫(huà)［2，5］，

VE=（Gv，Pv，Bv，Rv）。

（2）

式中：Gv為描述PE幾何參數(shù)（如形狀、尺寸、位置等）與關(guān)系（如裝配關(guān)系）的三維模型，與PE具備良好的時(shí)空一致性，對(duì)細(xì)節(jié)層次的渲染可使Gv從視覺(jué)上更加接近PE。Gv可利用三維建模軟件（如SolidWorks、3D MAX、ProE、AutoCAD等）或儀器設(shè)備（如三維掃描儀）來(lái)創(chuàng)建。

Pv在Gv的基礎(chǔ)上增加了PE的物理屬性、約束、及特征等信息，通?？捎肁NSYS，ABAQUS，Hypermesh等工具從宏觀及微觀尺度進(jìn)行動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)近似模擬與刻畫(huà)，如結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)建模仿真分析等。

Bv描述了不同粒度不同空間尺度下的PE在不同時(shí)間尺度下的外部環(huán)境與干擾，以及內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制共同作用下產(chǎn)生的實(shí)時(shí)響應(yīng)及行為，如隨時(shí)間推進(jìn)的演化行為、動(dòng)態(tài)功能行為、性能退化行為等。創(chuàng)建PE的行為模型是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及問(wèn)題模型、評(píng)估模型、決策模型等多種模型的構(gòu)建，可利用有限狀態(tài)機(jī)、馬爾可夫鏈、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、基于本體的建模方法進(jìn)行Bv的創(chuàng)建。

Rv包括基于歷史關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的規(guī)律規(guī)則，基于隱性知識(shí)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，以及相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則等。這些規(guī)則隨著時(shí)間的推移自增長(zhǎng)、自學(xué)習(xí)、自演化，使VE具備實(shí)時(shí)的判斷、評(píng)估、優(yōu)化及預(yù)測(cè)的能力，從而不僅能對(duì)PE進(jìn)行控制與運(yùn)行指導(dǎo)，還能對(duì)VE進(jìn)行校正與一致性分析。Rv可通過(guò)集成已有的知識(shí)獲得，也可利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法不斷挖掘產(chǎn)生新規(guī)則。

通過(guò)對(duì)上述4類(lèi)模型進(jìn)行組裝、集成與融合，從而創(chuàng)建對(duì)應(yīng)PE的完整VE。同時(shí)通過(guò)模型校核、驗(yàn)證和確認(rèn)（VV&A）來(lái)驗(yàn)證VE的一致性、準(zhǔn)確度、靈敏度等，保證VE能真實(shí)映射PE［2，5］。此外，可使用VR與AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)VE與PE虛實(shí)疊加及融合顯示，增強(qiáng)VE的沉浸性、真實(shí)性及交互性。

2.3 服務(wù)（Ss）

Ss是指對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用過(guò)程中所需各類(lèi)數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果進(jìn)行服務(wù)化封裝，以工具組件、中間件、模塊引擎等形式支撐數(shù)字孿生內(nèi)部功能運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)的“功能性服務(wù)（FService）”，以及以應(yīng)用軟件、移動(dòng)端App等形式滿(mǎn)足不同領(lǐng)域不同用戶(hù)不同業(yè)務(wù)需求的“業(yè)務(wù)性服務(wù)（BService）”，其中FService為BService的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行提供支撐。

FService主要包括：①面向VE提供的模型管理服務(wù)，如建模仿真服務(wù)、模型組裝與融合服務(wù)、模型VV&A服務(wù)、模型一致性分析服務(wù)等；②面向DD提供的數(shù)據(jù)管理與處理服務(wù)，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、封裝、清洗、關(guān)聯(lián)、挖掘、融合等服務(wù)；③面向CN提供的綜合連接服務(wù)，如數(shù)據(jù)采集服務(wù)、感知接入服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)、協(xié)議服務(wù)、接口服務(wù)等。

BService主要包括：①面向終端現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作指導(dǎo)服務(wù)，如虛擬裝配服務(wù)、設(shè)備維修維護(hù)服務(wù)、工藝培訓(xùn)服務(wù)；②面向?qū)I(yè)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)化技術(shù)服務(wù)，如能耗多層次多階段仿真評(píng)估服務(wù)、設(shè)備控制策略自適應(yīng)服務(wù)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度服務(wù)、動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真服務(wù)等；③面向管理決策人員的智能決策服務(wù)，如需求分析服務(wù)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估服務(wù)、趨勢(shì)預(yù)測(cè)服務(wù)等；④面向終端用戶(hù)的產(chǎn)品服務(wù)，如用戶(hù)功能體驗(yàn)服務(wù)、虛擬培訓(xùn)服務(wù)、遠(yuǎn)程維修服務(wù)等。這些服務(wù)對(duì)于用戶(hù)而言是一個(gè)屏蔽了數(shù)字孿生內(nèi)部異構(gòu)性與復(fù)雜性的黑箱，通過(guò)應(yīng)用軟件、移動(dòng)端App等形式向用戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出，從而降低數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)踐中對(duì)用戶(hù)專(zhuān)業(yè)能力與知識(shí)的要求，實(shí)現(xiàn)便捷的按需使用。

2.4 孿生數(shù)據(jù)（DD）

DD是數(shù)字孿生的驅(qū)動(dòng)［7］。如式（3）所示［8］，DD主要包括PE數(shù)據(jù)（Dp），VE數(shù)據(jù)（Dv），Ss數(shù)據(jù)（Ds），知識(shí)數(shù)據(jù)（Dk），及融合衍生數(shù)據(jù)（Df）。

DD=（Dp，Dv，Ds，Dk，Df）。

（3）

式中：Dp主要包括體現(xiàn)PE規(guī)格、功能、性能、關(guān)系等的物理要素屬性數(shù)據(jù)與反映PE運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)性能、環(huán)境參數(shù)、突發(fā)擾動(dòng)等的動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)，可通過(guò)傳感器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行采集；Dv主要包括VE相關(guān)數(shù)據(jù)，如幾何尺寸、裝配關(guān)系、位置等幾何模型相關(guān)數(shù)據(jù)，材料屬性、載荷、特征等物理模型相關(guān)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)因素、環(huán)境擾動(dòng)、運(yùn)行機(jī)制等行為模型相關(guān)數(shù)據(jù)，約束、規(guī)則、關(guān)聯(lián)關(guān)系等規(guī)則模型相關(guān)數(shù)據(jù)，以及基于上述模型開(kāi)展的過(guò)程仿真、行為仿真、過(guò)程驗(yàn)證、評(píng)估、分析、預(yù)測(cè)等的仿真數(shù)據(jù)；Ds主要包括FService相關(guān)數(shù)據(jù)（如算法、模型、數(shù)據(jù)處理方法等）與BService相關(guān)數(shù)據(jù)（如企業(yè)管理數(shù)據(jù)，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，產(chǎn)品管理數(shù)據(jù)、市場(chǎng)分析數(shù)據(jù)等）；Dk包括專(zhuān)家知識(shí)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則約束、推理推論、常用算法庫(kù)與模型庫(kù)等；Df是對(duì)Dp，Dv，Ds，Dk進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、分類(lèi)、關(guān)聯(lián)、集成、融合等相關(guān)處理后得到的衍生數(shù)據(jù)，通過(guò)融合物理實(shí)況數(shù)據(jù)與多時(shí)空關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、專(zhuān)家知識(shí)等信息數(shù)據(jù)得到信息物理融合數(shù)據(jù)，從而反映更加全面與準(zhǔn)確的信息，并實(shí)現(xiàn)信息的共享與增值。

2.5 連接（CN）

CN實(shí)現(xiàn)MDT各組成部分的互聯(lián)互通。如式（4）所示［8］，CN包括PE和DD的連接（CN_PD）、PE和VE的連接（CN_PV）、PE和Ss的連接（CN_PS）、VE和DD的連接（CN_VD）、VE和Ss的連接（CN_VS）、Ss和DD的連接（CN_SD），

CN=（CN_PD，CN_PV，CN_PS，

CN_VD，CN_VS，CN_SD）。

（4）

式中：①CN_PD實(shí)現(xiàn)PE和DD的交互：可利用各種傳感器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等對(duì)PE數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)MTConnect、OPC-UA、MQTT等協(xié)議規(guī)范傳輸至DD；相應(yīng)地，DD中經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)或指令可通過(guò)OPC-UA、MQTT、CoAP等協(xié)議規(guī)范傳輸并反饋給PE，實(shí)現(xiàn)PE的運(yùn)行優(yōu)化。②CN_PV實(shí)現(xiàn)PE和VE的交互：CN_PV與CN_PD的實(shí)現(xiàn)方法與協(xié)議類(lèi)似，采集的PE實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至VE，用于更新校正各類(lèi)數(shù)字模型；采集的VE仿真分析等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為控制指令下達(dá)至PE執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)PE的實(shí)時(shí)控制。③CN_PS實(shí)現(xiàn)PE和Ss的交互：同樣地，CN_PS與CN_PD的實(shí)現(xiàn)方法及協(xié)議類(lèi)似，采集的PE實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至Ss，實(shí)現(xiàn)對(duì)Ss的更新與優(yōu)化；Ss產(chǎn)生的操作指導(dǎo)、專(zhuān)業(yè)分析、決策優(yōu)化等結(jié)果以應(yīng)用軟件或移動(dòng)端App的形式提供給用戶(hù)，通過(guò)人工操作實(shí)現(xiàn)對(duì)PE的調(diào)控。④CN_VD實(shí)現(xiàn)VE和DD的交互：通過(guò)JDBC、ODBC等數(shù)據(jù)庫(kù)接口，一方面將VE產(chǎn)生的仿真及相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到DD中，另一方面實(shí)時(shí)讀取DD的融合數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、生命周期數(shù)據(jù)等驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)仿真。⑤CN_VS實(shí)現(xiàn)VE和Ss的交互：可通過(guò)Socket、RPC、MQSeries等軟件接口實(shí)現(xiàn)VE與Ss的雙向通訊，完成直接的指令傳遞、數(shù)據(jù)收發(fā)、消息同步等。⑥CN_SD實(shí)現(xiàn)Ss和DD的交互：與CN_VD類(lèi)似，通過(guò)JDBC、ODBC等數(shù)據(jù)庫(kù)接口，一方面將Ss的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到DD，另一方面實(shí)時(shí)讀取DD中的歷史數(shù)據(jù)、規(guī)則數(shù)據(jù)、常用算法及模型等支持Ss的運(yùn)行與優(yōu)化。

來(lái)源《計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)》 2019年第1期 P1-18頁(yè) 不聲明原創(chuàng)，如有問(wèn)題可聯(lián)系我刪除。

審核編輯 黃昊宇