连载(5)数字孪生体的概念模型

文章来源:APS研究
2020-07-28

三、数字孪生体的模型

一项新兴技术或一个新概念的出现,术语定义是后续一切工作的基础。在给 出数字孪生体的文字定义并取得共识后,需要进一步开发基于自然语言定义的数 孪生体的概念模型,进而制定数字孪生体的术语表或术语体系。然后,需要根 据概念模型和应用需求,开发数字孪生体的参考架构及其应用框架和成熟度模型, 用来指导数字孪生体具体应用系统的设计、开发和实施。这个过程也是数字孪生 体标准体系中底层基础标准(术语、架构、框架、成熟度等)的制定过程(图4)。

 

 

图4概念模型、参考架构、应用框架、成熟度模型之间的关系

(一)数字孪生体的概念模型

基于第二章给出的数字孪生体文字定义,图5给出数字孪生体的概念模型。 图中粗实线代表继承和泛化关系,细实线代表属性关系,虚线代表可选属性关系。 左下角深蓝色是实体相关概念,左上角绿色是实体所在域的相关概念,右半边棕 色是数字孪生体相关概念,右上角红色是数字线程相关概念,其余分布在中间、 左边和底部的紫色是用于数字孪生体应用场景扩展的相关概念。本模型有以下特 点和考虑:

• 基本认同Michael Grieves博士对数字孪生体的分类;

・认同业界关于数字孪生体与物联网密不可分的观点;

•认同美军方对数字线程的定义;

•认同业界关于数字线程是数字孪生体关键使能技术的观点,将数字线程 纳入数字孪生体的概念模型。

另外,本模型从第四次工业革命的宏大视角出发,不局限于人工物理系统(如 智能产品、数字化车间)的数字孪生场景,而是将数字孪生的对象扩展到包含社 会系统在内的全部物理实体,并考虑从微观到宏观的各种尺度和从元素到体系的

各种层次,将工业化、城市化和全球化的各种需求和应用场景都包含其中,为数 孪生体的参考架构开发和应用场景扩展提供了依据。

二)数字孪生系统参考架构

基于数字孪生体的概念模型(图5),并参考GB/T 33474-2016和ISO/IEC 30141:2018两个物联网参考架构标准以及ISO 23247 (面向制造的数字孪生系统 框架)标准草案,图6给出了数字孪生系统的通用参考架构。一个典型的数字挛 生系统包括用户域、数字孪生体、测量与控制实体、现实物理域和跨域功能实体 共五个层次。

第一层(最上层)是使用数字孪生体的用户域,包括人、人机接口、应用软 件,以及其他相关数字孪生体(本白皮书称之为共智数字孪生体,可简称共智挛 生体)。

第二层是与物理实体目标对象对应的数字孪生体。它是反映物理对象某一视 角特征的数字模型,并提供建模管理、仿真服务和孪生共智三类功能。建模管理 涉及物理对象的数字建模与展示、与物理对象模型同步和运行管理。仿真服务包
括模型仿真、分析服务、报告生成和平台支持。孪生共智涉及共智孪生体等资源 的接口、互操作、在线插拔和安全访问。建模管理、仿真服务和孪生共智之间传 递实现物理对象的状态感知、诊断和预测所需的信息。

第三层是处于测量控制域、联接数字孪生体和物理实体的测量与控制实体, 实现物理对象的状态感知和控制功能。

第四层是与数字孪生体对应的物理实体目标对象所处的现实物理域。测量与 控制实体和现实物理域之间有测量数据流和控制信息流的传递。

测量与控制实体、数字孪生体以及用户域之间的数据流和信息流动传递,需 要信息交换、数据保证、安全保障等跨域功能实体的支持。信息交换通过适当的 协议实现数字孪生体之间交换信息。安全保障负责数字孪生系统安保相关的认证、授权、保密和完整性。数据保证与安全保障一起负责数字孪生系统数据的准确性和完整性。