连载(6)数字孪生体成熟度模型

文章来源:APS研究
2020-07-28

三)数字孪生体的应用框架

基于数字孪生体概念模型(图5)和数字孪生系统参考架构(图6),本白皮 书将系统目的、系统层次/物质尺度和系统生存期三个维度构成的三维空间作为 数字孪生体应用场景的参考框架(图7)。例如,数字孪生体的创建、对象系统 的故障诊断和健康管理都是在系统生存期维度上的扩展应用。表3给出了数字挛 生体按系统目的和系统层次/物质尺度两个维度展开的应用场景示例。



表3中加粗标红的场景,本白皮书后续章节将按数字孪生制造、数字孪生 业、数字孪生城市、数字孪生战场分别展开阐述。物质层次的划分引用了北京大 学化学与分子工程学院徐光宪院士的工作。

四)数字孪生体成熟度模型

数字孪生体不仅仅是物理世界的镜像,也要接受物理世界实时信息,更要反 过来实时驱动物理世界,而且进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。这个演变 过程称为成熟度进化,即一个数字孪生体的生长发育将经历数化、互动、先知、 先觉和共智等几个过程(图8)。


1. 数化

“数化”是对物理世界数字化的过程。这个过程需要将物理对象表达为计算 机和网络所能识别的数字模型。建模技术是数字化的核心技术之一,例如测绘扫 描、几何建模、网格建模、系统建模、流程建模、组织建模等技术。物联网是“数 化”的另一项核心技术,将物理世界本身的状态变为可以被计算机和网络所能感 知、识别和分析。

2. 互动

“互动”主要是指数字对象间及其与物理对象之间的实时动态互动。物联网 是实现虚实之间互动的核心技术。数字世界的责任之一是预测和优化,同时根据 优化结果干预物理世界,所以需要将指令传递到物理世界。物理世界的新状态需 要实时传导到数字世界,作为数字世界的新初始值和新边界条件。另外,这种互 动包括数字对象之间的互动,依靠数字线程来实现。

3. 先知

“先知”是指利用仿真技术对物理世界的动态预测。这需要数字对象不仅表 达物理世界的几何形状,更需要在数字模型中融入物理规律和机理。仿真技术不 仅建立物理对象的数字化模型,还要根据当前状态,通过物理学规律和机理来计 算、分析和预测物理对象的未来状态。这种仿真不是对一个阶段或一种现象的仿 真,应是全周期和全领域的动态仿真。

4. 先觉

如果说“先知”是依据物理对象的确定规律和完整机理来预测数字孪生体的


未来,那“先觉”就是依据不完整的信息和不明确的机理通过工业大数据和机器 学习技术来预感未来。如果要求数字孪生体越来越智能和智慧,就不应局限于人 类对物理世界的确定性知识。其实人类本身就不是完全依赖确定性知识而领悟世 界的。

5.共智

“共智”是通过云计算技术实现不同数字孪生体之间的智慧交换和共享,其 隐含的前提是单个数字孪生体内部各构件的智慧首先是共享的。所谓“单个”数 字孪生体是人为定义的范围,多个数字孪生单体可以通过“共智”形成更大和更 高层次的数字孪生体,这个数量和层次可以是无限的。众多数字孪生体在“共” 过程中必然存在大量的数字资产的交易,区块链则提供了最佳交易机制。