2.3.2 數(shù)字孿生引擎

數(shù)字孿生引擎是連接物理實(shí)體和虛擬實(shí)體，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的一個核心模塊。“虛擬實(shí)體+數(shù)字孿生引擎=數(shù)字孿生體”，因此，本節(jié)對數(shù)字孿生引擎的一般組成進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

圖2-16給出了數(shù)字孿生引擎的基本模塊，圖2-17對其組成給出了進(jìn)一步的說明。

1 交互驅(qū)動模塊

交互驅(qū)動模塊，是數(shù)字孿生引擎用來連接各個相關(guān)系統(tǒng)的核心模塊，包括物理實(shí)體交互驅(qū)動接口、虛擬實(shí)體交互驅(qū)動接口、外部軟件交互驅(qū)動接口和服務(wù)接口。

物理實(shí)體交互驅(qū)動接口，是從物理實(shí)體采集實(shí)時數(shù)據(jù)的接口以及傳送給物理實(shí)體的指令執(zhí)行接口。傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)應(yīng)用、管控軟件中，也包括了對物理實(shí)體的數(shù)據(jù)采集和指令下達(dá)，但是數(shù)字孿生系統(tǒng)根據(jù)模型和數(shù)據(jù)融合需求，需要更多的數(shù)據(jù)，以及更精準(zhǔn)的指令執(zhí)行功能，就需要數(shù)字孿生引擎的交互接口來提供額外的驅(qū)動接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的增強(qiáng)功能。

虛擬實(shí)體交互驅(qū)動接口，是數(shù)字孿生引擎的一個主要接口。模型、數(shù)據(jù)大部分通過這個接口進(jìn)入數(shù)字孿生引擎。一些計算結(jié)果也通過這個接口傳回給虛擬實(shí)體。根據(jù)上述分析，虛擬實(shí)體包括了數(shù)字模型和信息系統(tǒng)，傳統(tǒng)的管控功能還是需要通過信息系統(tǒng)完成，而數(shù)字孿生引擎所產(chǎn)生的新的數(shù)據(jù)能輔助模型仿真、信息系統(tǒng)運(yùn)行更好地完成。

外部軟件交互驅(qū)動接口，是指物理實(shí)體和數(shù)字孿生體本身之外的一些軟件，為數(shù)字孿生系統(tǒng)提供軟件環(huán)境。例如，一個數(shù)字孿生車間，其主要的軟件系統(tǒng)是MES，而企業(yè)級的ERP、SCM、PLM等軟件系統(tǒng)就是數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的外部軟件；對于一個建筑來說，BIM是其關(guān)鍵模型，而這個建筑所在的小區(qū)信息系統(tǒng)、CIM就是外部軟件。外部軟件為數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行提供了參考信息，以及一些功能支撐，所以需要專門的接口來獲取相關(guān)的模型和數(shù)據(jù)。

服務(wù)接口，是數(shù)字孿生引擎為數(shù)字孿生服務(wù)模塊提供各類模型和數(shù)據(jù)訪問的接口。這類接口比較多，根據(jù)不同的實(shí)際系統(tǒng)需求而進(jìn)行定義。

2 數(shù)據(jù)存儲和管理模塊

數(shù)據(jù)存儲和管理，是數(shù)字孿生引擎運(yùn)行的一個數(shù)據(jù)支撐環(huán)境。虛擬實(shí)體的信息系統(tǒng)包括了物理實(shí)體運(yùn)行過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)是根據(jù)業(yè)務(wù)需求而定義的，不能滿足數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)需求，因此，在已有的信息之外，數(shù)字孿生引擎需要定義自己的數(shù)據(jù)存儲和管理。從這個意義上說，數(shù)字孿生引擎的數(shù)據(jù)存儲和管理是虛擬實(shí)體中包含的信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲之外的一個補(bǔ)充。

這個模塊一般包括實(shí)時數(shù)據(jù)庫、主題數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫。主題數(shù)據(jù)庫存放的是按各類分析主題整理的實(shí)時或半實(shí)時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)倉庫包括了按一定主題存放的經(jīng)過分析整理后的數(shù)據(jù)，用于支持聯(lián)機(jī)分析處理（OLAP）和數(shù)據(jù)挖掘。

數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)集成是傳統(tǒng)意義上的ETL（抽取、轉(zhuǎn)化、裝載）過程，數(shù)據(jù)更新則是根據(jù)物理實(shí)體和虛擬實(shí)體接口，實(shí)時在線更新相關(guān)數(shù)據(jù)的過程。

需要說明的是，由于數(shù)據(jù)的多樣性，所以需要根據(jù)不同數(shù)據(jù)特點(diǎn)來選擇關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或者是分布式文件系統(tǒng)來存儲不同的數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生引擎需要支持多模式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用集成與管理。

3 模型管理模塊

模型管理，主要包括機(jī)理模型和基于數(shù)據(jù)的模型。這些模型如果在虛擬實(shí)體中已經(jīng)包含，則在數(shù)字孿生引擎中無須重建，但是需要對模型進(jìn)行跟蹤，保證這些模型在數(shù)字孿生應(yīng)用中可用和可管理。

模型采集，是指根據(jù)數(shù)字孿生智能計算和模型/數(shù)據(jù)融合需要，從虛擬實(shí)體中選擇相關(guān)模型導(dǎo)入到數(shù)字孿生引擎模型庫的過程。模型訓(xùn)練，是根據(jù)應(yīng)用需要，從數(shù)據(jù)中訓(xùn)練新模型的過程。模型更新，是對模型進(jìn)行完善和更新的過程。模型分發(fā)，是根據(jù)服務(wù)需求，對相關(guān)模型分發(fā)過程進(jìn)行管理的模塊。

4 模型/數(shù)據(jù)融合模塊

模型和數(shù)據(jù)的融合，是數(shù)字孿生的基本特征。脫離了模型的數(shù)據(jù)分析，就會脫離物理實(shí)體的基本邏輯和應(yīng)用場景，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析的無目的性；而離開了實(shí)時數(shù)據(jù)，模型只能作為物理實(shí)體設(shè)計規(guī)劃時的靜態(tài)應(yīng)用，不能指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行。

模型和數(shù)據(jù)映射，是建立相關(guān)模型和實(shí)時數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。例如，利用三維幾何模型，可以構(gòu)建實(shí)時數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，支持?jǐn)?shù)據(jù)在三維空間中的展示；對于仿真模型引入實(shí)時數(shù)據(jù)，可以完善仿真參數(shù)，讓模型運(yùn)行更加貼合實(shí)際過程。

模型和數(shù)據(jù)的比較，是構(gòu)建模型運(yùn)行結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的比較關(guān)系，這個對于一些管控方案的評估起到關(guān)鍵作用，也能評估模型參數(shù)設(shè)定是否合理。

數(shù)據(jù)驅(qū)動下的模型更新，是對傳統(tǒng)建模過程中參數(shù)不確定的一個補(bǔ)充。在物理實(shí)體運(yùn)行前，很多仿真參數(shù)都是假設(shè)的，或者是理論模型，不能和實(shí)際運(yùn)行狀況吻合。通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果來完善模型參數(shù)，讓模型更擬實(shí)，是數(shù)字孿生的一個基本功能。

模型驅(qū)動下的數(shù)據(jù)采集，是利用機(jī)理模型來指導(dǎo)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的大數(shù)據(jù)一個特點(diǎn)就是價值密度低，其含義就是大量的數(shù)據(jù)看起來是沒有用的，或者說是“無心”采集的；而在工業(yè)領(lǐng)域，由于傳感器部署都是需要成本的，沒有目的的數(shù)據(jù)采集在工業(yè)領(lǐng)域往往不切實(shí)際。利用機(jī)理模型分析需求來指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集過程，有限成本下部署最多的數(shù)據(jù)感知點(diǎn)，是數(shù)字孿生應(yīng)用順利開展的一個基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)和模型，是數(shù)字孿生系統(tǒng)的兩個基本面。數(shù)據(jù)代表了物理實(shí)體，是從物理實(shí)體運(yùn)行過程采集而來，代表實(shí)際；模型代表虛擬，是從數(shù)字模型分析、仿真而來，虛實(shí)融合就是模型和數(shù)據(jù)的融合。

5 智能計算模塊

智能計算模塊是數(shù)字孿生引擎的驅(qū)動力，通過智能計算實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生服務(wù)所需要的各類功能。

預(yù)測分析，是利用“模型+數(shù)據(jù)”對物理實(shí)體的運(yùn)行過程進(jìn)行預(yù)測。可以是一個運(yùn)行規(guī)律的計算，也可以是對幾種方案的仿真評估。給出虛擬實(shí)體未來運(yùn)行趨勢的分析，為物理實(shí)體的運(yùn)行提供優(yōu)化建議。

知識推理，是利用已有的知識模型，對一些事實(shí)進(jìn)行推理分析，得到推理結(jié)果的過程。一般用于規(guī)律已知情況下的判斷和決策。

在線/離線分析，是利用計算模型，進(jìn)行在線分析、離線分析。根據(jù)所掌握的分析模型以及應(yīng)用需要，可以選擇在線或離線模式。一般來說，大量的計算需要采用離線模式；局部的、明確的一些判斷，則可以結(jié)合邊緣計算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)在線模式。

X在環(huán)仿真，是指“硬件在環(huán)仿真”或“軟件在環(huán)仿真”。對于一個物理實(shí)體，其規(guī)劃設(shè)計、安裝調(diào)試過程往往是十分復(fù)雜的，利用硬件在環(huán)仿真，可以對軟件設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化；而軟件在環(huán)仿真，又可以對硬件設(shè)計和安裝進(jìn)行評估和檢驗(yàn)。利用模型和數(shù)據(jù)的融合，這部分功能在數(shù)字孿生系統(tǒng)中可以得到很好的支持。