2.3 數(shù)字孿生系統(tǒng)的一般架構(gòu)

2.3.1 一般架構(gòu)設(shè)計

基于數(shù)字孿生的智能系統(tǒng)強調(diào)的是物理系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的協(xié)調(diào)感知統(tǒng)一，所以基于數(shù)字孿生的智能系統(tǒng)最重要的有兩個方面：一是數(shù)字化的物理系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的實時連接；另外就是實現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的智能計算模塊。本節(jié)將實時連接以及智能計算的模塊定義為“數(shù)字孿生引擎”，最終形成數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構(gòu)，包括物理實體、虛擬實體、數(shù)字孿生引擎和數(shù)字孿生服務(wù)四個部分，如圖2-15所示。

1 物理實體（Physical Entity）

物理實體，是數(shù)字孿生所要映射的在物理空間實際存在的一個系統(tǒng)。數(shù)字孿生系統(tǒng)所包括的物理實體需要有數(shù)字化接口，能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息映射。物理實體中的各個部分，通過物理連接或活動關(guān)系結(jié)合起來，其本身可以是一個CPS單元、CPS系統(tǒng)或CPS體系。

物理實體中各異構(gòu)要素的全面互聯(lián)感知是構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)的前提和關(guān)鍵，智能感知的基礎(chǔ)在于泛在的數(shù)據(jù)采集，常見的數(shù)據(jù)來源包括各類聲光熱電力傳感器、條形碼、計算機/手機/平板電腦/手環(huán)等智能終端、系統(tǒng)固有的機器/設(shè)備或者智能儀表、系統(tǒng)人員數(shù)據(jù)、企業(yè)的管理數(shù)據(jù)、本地/云端存儲的歷史可追溯數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)傳輸方式通常有現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、射頻識別技術(shù)、無線藍(lán)牙技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。

物理實體信息感知的手段包括直接和間接兩類。直接手段是指物理實體本身帶有傳感器，能采集自身的數(shù)據(jù)；間接手段是通過物理實體外在的環(huán)境感知，間接獲取物理實體的運行狀態(tài)。例如，針對某些機械設(shè)備，其內(nèi)置的溫度、振動等傳感器可以感知其運行狀態(tài)，而通過視頻、聲音等方式從外部環(huán)境采集設(shè)備信息，可以獲取其運行的外在表現(xiàn)狀態(tài)。這些外在傳感器的信息也是物理實體數(shù)據(jù)采集的一部分。

物理實體的另外一個功能是“精準(zhǔn)執(zhí)行”，即能接收虛擬實體、數(shù)字孿生引擎發(fā)送過來的指令，完成某些動作。依靠高速、低延遲、高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，物理實體能及時接收虛擬系統(tǒng)仿真、分析、優(yōu)化后的管控命令并精準(zhǔn)執(zhí)行，并將執(zhí)行結(jié)果實時反饋給數(shù)字孿生體以進(jìn)一步迭代優(yōu)化。

借助互聯(lián)網(wǎng)、云計算、邊云協(xié)同等技術(shù)，物理實體各組成部分在空間維度上遠(yuǎn)距離分布式協(xié)同控制成為可能，而不必將系統(tǒng)局限在狹小的范圍內(nèi)。物理實體可以具有分散化、社會化、協(xié)同化的特點。

簡而言之，為了支撐數(shù)字孿生系統(tǒng)的實施，物理實體需要具備數(shù)字化接入能力。從角色來看，物理實體是數(shù)字孿生系統(tǒng)的實現(xiàn)基礎(chǔ)，同時也是數(shù)字孿生系統(tǒng)最終所要優(yōu)化的目標(biāo)對象。

2 虛擬實體（Virtual Entity）

虛擬實體是物理實體對應(yīng)在信息空間的數(shù)字模型，以及物理實體運行過程的相關(guān)信息系統(tǒng)。信息系統(tǒng)是物理對象的信息模型抽象，并且包括了一些物理實體運行過程的管理、控制等邏輯。

虛擬實體的模型是指在物理實體設(shè)計和運行過程中所構(gòu)建的幾何模型、機理模型以及數(shù)據(jù)模型。這些模型可以看作是對物理實體的一個定義。對于一個工業(yè)產(chǎn)品來說，模型包括三維設(shè)計模型、有限元分析模型、制造工藝模型、運行過程的數(shù)據(jù)模型等。

由于當(dāng)前的很多產(chǎn)品、系統(tǒng)本身就是一個CPS系統(tǒng)，因此，信息系統(tǒng)是物理實體運行過程不可缺少的部分，例如，數(shù)控機床所包含的數(shù)控操作系統(tǒng)、數(shù)控程序，工廠和車間運行相關(guān)的ERP、PLM、MES等系統(tǒng)，這些信息系統(tǒng)是物理系統(tǒng)運行必不可少的部分，也是物理實體在信息空間所對應(yīng)的虛擬實體的一部分。

在數(shù)字孿生系統(tǒng)里面的虛擬實體，可以看成是物理實體在信息空間的一個數(shù)字化映射。在數(shù)字孿生技術(shù)出現(xiàn)之前，這些虛擬實體的組成部分就已經(jīng)存在，并且在仿真分析、系統(tǒng)運行管控等方面已經(jīng)開展豐富的應(yīng)用。但是這些應(yīng)用沒有充分發(fā)揮實時數(shù)據(jù)的作用，模型之間也沒有構(gòu)建成系統(tǒng)化的聯(lián)系，因此是局部的、非系統(tǒng)化的“淺層數(shù)字映射”。

3 數(shù)字孿生引擎（Digital Twin Engine）

數(shù)字孿生引擎一方面是實現(xiàn)物理系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)實時連接同步的驅(qū)動引擎，另一方面是數(shù)字孿生系統(tǒng)智能算法和智能計算引擎核心，為用戶提供高級智能化服務(wù)。在數(shù)字孿生引擎的支持下，數(shù)字孿生系統(tǒng)才真正形成，實現(xiàn)虛實交互驅(qū)動以及提供各類數(shù)字孿生智能化服務(wù)，所以數(shù)字孿生引擎即是數(shù)字孿生系統(tǒng)的“心臟和大腦”。

如前文分析，數(shù)字孿生引擎從功能上來說主要包括交互驅(qū)動和智能計算。數(shù)字孿生應(yīng)用通過構(gòu)建擬實的界面，充分利用三維模型等來形象地展示計算和分析的結(jié)果，提高人機交互的水平。其智能計算是利用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進(jìn)行仿真分析與預(yù)測，提供傳統(tǒng)虛擬實體應(yīng)用所沒有的智能計算結(jié)果。

在數(shù)字孿生系統(tǒng)出現(xiàn)之前，虛擬實體已經(jīng)包含了很多反映物理實體運行規(guī)律的模型，用來對物理實體進(jìn)行模擬仿真，同時，虛擬實體中的信息系統(tǒng)也包括了很多物理實體運行過程所采集的數(shù)據(jù)；但是，這些模型和數(shù)據(jù)因為分屬不同的應(yīng)用目的而開發(fā)，沒有很好地融合起來，不能充分發(fā)揮作用。數(shù)字孿生就是解決傳統(tǒng)應(yīng)用模型和數(shù)據(jù)分離的各自為政的問題，通過兩者的融合充分發(fā)揮協(xié)同作用。數(shù)字孿生引擎的另外一個重要功能，就是完成模型和數(shù)據(jù)融合，包括相關(guān)的數(shù)據(jù)管理和模型管理功能。

4 數(shù)字孿生服務(wù)（Digital Twin Service）

數(shù)字孿生服務(wù)是指數(shù)字孿生系統(tǒng)向用戶各類應(yīng)用系統(tǒng)提供的各類服務(wù)接口，是物理實體、虛擬實體在數(shù)字孿生引擎支持下提供的新一代應(yīng)用服務(wù)，是數(shù)字孿生系統(tǒng)功能的體現(xiàn)。

物理實體和虛擬實體在沒有數(shù)字孿生引擎的支持下，能進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的系統(tǒng)運行，完成各自預(yù)定的功能。但是，數(shù)字孿生引擎能讓物理實體、虛擬實體融合在一起，形成數(shù)字孿生系統(tǒng)，具有原來物理實體和虛擬實體獨立運行所沒有的新的功能。一個完整的數(shù)字孿生系統(tǒng)包括服務(wù)接口支持，也就是功能接口，能讓數(shù)字孿生系統(tǒng)真正地為用戶所用。

數(shù)字孿生服務(wù)包括仿真服務(wù)、監(jiān)控服務(wù)、分析服務(wù)和預(yù)測服務(wù)，同時，由于人機交互要求更高，虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）是數(shù)字孿生應(yīng)用的重要形式，因此，數(shù)字孿生服務(wù)也包括對這些應(yīng)用的服務(wù)接口支持。

數(shù)字孿生服務(wù)根據(jù)數(shù)字孿生系統(tǒng)的不同，具體實現(xiàn)內(nèi)容也不同，其設(shè)計和實現(xiàn)根據(jù)不同的行業(yè)、不同的規(guī)模而不同，同時，隨著數(shù)字孿生系統(tǒng)的不斷進(jìn)化，其服務(wù)內(nèi)容也會不斷增加，是一個逐步完善的過程。

基于數(shù)字孿生服務(wù)，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可以開發(fā)不同的應(yīng)用。數(shù)字孿生的應(yīng)用部分可以是傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的升級，部分是全新開發(fā)的應(yīng)用。由于移動互聯(lián)、泛在計算的廣泛應(yīng)用，手機、平板電腦、智能眼鏡等將是數(shù)字孿生應(yīng)用的一個新的發(fā)力點，也是提供給用戶沉浸體驗的新手段。

綜合上述內(nèi)容，一個數(shù)字孿生系統(tǒng)各個部分的組成結(jié)構(gòu)如圖2-16所示。