连载(7)数字孪生体的关键技术-建模

文章来源:APS研究
2020-07-30

从数字孪生体概念模型(图5)和数字孪生系统参考架构(图6)可以看出: 建模、仿真和基于数据融合的数字线程是数字孪生体的三项核心技术;能够做到 统领建模、仿真和数字线程的系统工程和MBSE,则成为数字孪生体的顶层框架 技术;物联网是数字孪生体的底层伴生技术;而云计算、机器学习、大数据、区 块链则是数字孪生体的外围使能技术。

(一)建模

从图2可以看出,数字化建模技术起源于上世纪50年代。建模的目的是将 我们对物理世界或问题的理解进行简化和模型化。而数字孪生体的目的或本质是 通过数字化和模型化,用信息换能量,以更少的能量消除各种物理实体、特别是 复杂系统的不确定性。所以建立物理实体的数字化模型或信息建模技术是创建数 孪生体、实现数字孪生的源头和核心技术,也是“数化”阶段的核心。

由于本白皮书将数字孪生体放在工业化、城市化和全球化所指向的人类文明 可持续发展的大目标下,所以,数字孪生体所需的建模技术也需要放在数字孪生 体应用场景的参考框架(图7)下考察。具体地说,数字孪生体的概念模型(图

5)中数字模型的视角类型的三个维度:需求指标、生存期阶段和空间尺度构成 了数字孪生体建模技术体系的三维空间(图9)。



将这一框架在工业化、城市化、全球化下不同的应用场景下进行实例化,可 得到具体场景的数字孪生体建模技术体系。图10是工业化视角下,在系统生存 周期和系统层次两个维度展开得到的PLM建模技术体系。图11是城市化视角下

的建模技术体系,其中图a)是英国数字建筑战略给出的从基于文档到基于模型的 建筑信息建模成熟度进化等级;图b)展示了瑞典等北欧国家开展的基于PLCSCISO 10303-239 )标准实现地理、建筑、城市等信息建模技术之间协同的验证工作。



同理,传播设计(见图3,是指利用感觉符号,如视听符号,进行信息传达 的设计,可用于媒体、影视和娱乐等行业)所需的VR/AR/MR等可视化建模技术 (详见本章第三节)、数字孪生组织所需的社会网络建模技术、以及数字孪生 场所需的指挥控制建模技术等,都属于全球化视角下人与人、人与组织、组织与

组织之间沟通交流所需的建模技术。

在某个应用场景下的某种建模技术,只能提供某类物理实体某个视角的模型

视图。这时数字孪生体和对应物理实体间的互动(状态感知和对象控制的数据流 和信息流传递),一般只能满足单个低层次具体需求指标的要求。对于复合的、 高层次需求指标,通常需要有反映若干建模视角的多视图模型所对应的多个数字 孪生体与同一个物理实体对象实现互动。这时的多视图或多视角一般来自物理实 体对象的不同生存期阶段或多个系统层次/物质尺度,多视图模型间的协同就需 要数字线程技术的支持。