2.2.6 數(shù)字主線

1 數(shù)字主線基本概念

數(shù)字孿生作為先進(jìn)理念的核心支撐技術(shù)，其本質(zhì)實(shí)現(xiàn)了物理與信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通，深度融合。數(shù)字孿生中的物理實(shí)體對(duì)象、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)及孿生數(shù)據(jù)就本身而言是信息孤島，數(shù)字主線（Digital Thread，或者叫數(shù)字線程、數(shù)字紐帶）的引入很好地將這些相對(duì)獨(dú)立的部分糅合成一個(gè)無縫、高度一體化的整體。

數(shù)字主線是一種可擴(kuò)展、可配置的企業(yè)級(jí)分析框架，提供訪問、綜合并分析系統(tǒng)生命周期各階段數(shù)據(jù)的能力，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)商、制造商、供應(yīng)商、運(yùn)行維護(hù)服務(wù)商和用戶能夠基于高逼真度的系統(tǒng)模型，充分利用各類技術(shù)數(shù)據(jù)、信息和工程知識(shí)的無縫交互與集成分析，完成對(duì)項(xiàng)目成本、進(jìn)度、性能和風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)分析與動(dòng)態(tài)評(píng)估。數(shù)字主線圍繞復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期管理需求，實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)過程中數(shù)據(jù)、流程及分析的結(jié)構(gòu)化分類管理，形成貫穿全生命周期的流程、模型、分析方法及應(yīng)用工具，連接產(chǎn)品全生命周期各階段孤立功能視圖形成一個(gè)集成視圖。

數(shù)字主線為在正確的時(shí)間將正確的信息傳遞到正確的地方提供了條件，使得產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)的模型能夠及時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的雙向同步和溝通，實(shí)現(xiàn)模型在各階段的流動(dòng)、重用與反饋。在數(shù)字主線運(yùn)行過程中，數(shù)字主線各個(gè)環(huán)節(jié)中所收集有關(guān)產(chǎn)品的模型和數(shù)據(jù)，構(gòu)成了產(chǎn)品實(shí)體的數(shù)字孿生。數(shù)字主線和產(chǎn)品全生命周期的關(guān)系如圖2-14所示。

為了建立數(shù)字主線，需要形成一種以3D模型定義為基礎(chǔ)，為整個(gè)企業(yè)所共享的、全面集成和協(xié)同制造的環(huán)境。在企業(yè)或供應(yīng)鏈中，無論在何處的數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費(fèi)者，在制造過程的任何點(diǎn)上，都將連接到一個(gè)共同的數(shù)據(jù)源上。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將從設(shè)計(jì)階段開始，延伸到制造，繼而到最后裝配。數(shù)字主線的核心就是如何搭建一個(gè)涵蓋產(chǎn)品生命周期全過程的協(xié)同環(huán)境，使統(tǒng)一的模型在產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流動(dòng)、重用和不斷豐富的過程。數(shù)字主線的特點(diǎn)主要包括以下四個(gè)方面：

1）統(tǒng)一的數(shù)字模型。在數(shù)字主線中，所有環(huán)節(jié)都能為信息完整、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、語義化的數(shù)字化模型所表述，可以被相應(yīng)的數(shù)字系統(tǒng)讀取和理解。數(shù)字主線采用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）分析框架，通過先進(jìn)的建模與仿真工具建立一種技術(shù)流程。

2）雙向流動(dòng)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，是“設(shè)計(jì)→制造→試驗(yàn)→使用”這一模式，數(shù)據(jù)是單向傳遞。數(shù)據(jù)主線基于全生命周期內(nèi)形成的狀態(tài)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)一致的模型，各環(huán)節(jié)都能夠及時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的雙向同步和溝通，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)—虛擬綜合—數(shù)字制造—物理制造—使用維護(hù)”各個(gè)階段數(shù)據(jù)的共享和反饋，為數(shù)字孿生應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

3）新興信息技術(shù)的支持。數(shù)字主線充分利用高速發(fā)展的信息技術(shù)如非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、數(shù)據(jù)模型、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，基于產(chǎn)品通用數(shù)據(jù)庫和物理模型，采用統(tǒng)一、快速、標(biāo)準(zhǔn)、泛在的通信和交互方式，實(shí)現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)的快速傳遞。

4）數(shù)字主線是設(shè)計(jì)商、制造商、供應(yīng)商、運(yùn)行維護(hù)服務(wù)商和用戶之間的強(qiáng)有力的協(xié)作紐帶，提供制造業(yè)的敏捷性和自適應(yīng)性的需求，能夠加速新產(chǎn)品的開發(fā)和部署，同時(shí)也能夠降低風(fēng)險(xiǎn)。

2 數(shù)字主線與數(shù)字孿生

在基于數(shù)字孿生的智能系統(tǒng)中，數(shù)字孿生體是對(duì)象、模型和數(shù)據(jù)，數(shù)字主線是方法、通道、鏈接和接口。數(shù)字主線為產(chǎn)品數(shù)字孿生提供了訪問、整合和轉(zhuǎn)換能力，其目標(biāo)是貫通產(chǎn)品生命周期和價(jià)值鏈。通過數(shù)字主線可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期階段間的模型和關(guān)鍵數(shù)據(jù)雙向交互，使產(chǎn)品生命周期各階段的模型保持一致，最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理和模型管理。

依靠數(shù)字主線，數(shù)字孿生中的物理實(shí)體和虛擬模型的交互是實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)的雙向連接、雙向映射、雙向驅(qū)動(dòng)的過程，而非單一方向進(jìn)行的。一方面，物理實(shí)體在實(shí)際的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、運(yùn)行過程中的全生命周期數(shù)據(jù)、狀態(tài)等及時(shí)反映到虛擬端，在虛擬端完成模擬、監(jiān)控、可視化呈現(xiàn)過程，虛擬端是物理實(shí)體端的真實(shí)、同步刻畫與描述，并記錄了物理實(shí)體的進(jìn)化過程，兩者共生；從這一角度看，物理實(shí)體驅(qū)動(dòng)虛擬模型的更新，使得虛擬模型與物理實(shí)體保持高度的一致性。另一方面，虛擬模型根據(jù)物理實(shí)體的數(shù)據(jù)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)等智能優(yōu)化算法對(duì)物理實(shí)體行為進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，用于優(yōu)化物理實(shí)體的決策過程。在虛擬端完成預(yù)演后，及時(shí)逆向傳到物理實(shí)體側(cè)，主動(dòng)引導(dǎo)和控制物理實(shí)體的變化過程，虛擬模型以當(dāng)前最優(yōu)結(jié)果驅(qū)動(dòng)物理實(shí)體的運(yùn)轉(zhuǎn)。該閉環(huán)過程中虛實(shí)兩者不斷交替、迭代進(jìn)行，虛實(shí)融合是實(shí)現(xiàn)以虛控實(shí)的前提與先決條件，以虛控實(shí)是虛實(shí)融合的目標(biāo)和本質(zhì)要求。沒有物理實(shí)體側(cè)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息的采集，虛擬端的模型更新演化與決策生成無法進(jìn)行；沒有虛擬端的仿真分析、推演預(yù)測(cè)、先行驗(yàn)證與優(yōu)化，物理實(shí)體側(cè)的系統(tǒng)功能無法得到優(yōu)化。兩者共享智慧，相互促進(jìn)，協(xié)同發(fā)展與進(jìn)化，最終實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)的自感知、自認(rèn)知、自分析、自決策、自優(yōu)化、自調(diào)控、自學(xué)習(xí)。