今年 2月18日,美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IndustrialInternetConsortium，IIC）正式公布《工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價(jià)值、設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例)》市場(chǎng)研究報(bào)告（下面通稱“市場(chǎng)研究報(bào)告”）,致力于為尋找“降本、提質(zhì)、增效”有效途徑的商業(yè)服務(wù)領(lǐng)導(dǎo)者、系統(tǒng)架構(gòu)師及其在數(shù)字孿生領(lǐng)域從業(yè)研究、開發(fā)設(shè)計(jì)、布署和檢測(cè)實(shí)踐活動(dòng)的有關(guān)工作人員，出示數(shù)字孿生在工業(yè)運(yùn)用中的實(shí)際操作指導(dǎo)。市場(chǎng)研究報(bào)告從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的角度論述了數(shù)字孿生的界定、經(jīng)濟(jì)收益、管理體系構(gòu)架及其完成數(shù)字孿生的必要基礎(chǔ)，根據(jù)不同制造行業(yè)具體運(yùn)用實(shí)例敘述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生的關(guān)系。伴隨著數(shù)字孿生技術(shù)迅速發(fā)展及自主創(chuàng)新應(yīng)用研究，將來(lái)美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟還將考慮到在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參照構(gòu)架中融進(jìn)數(shù)字孿生因素。
一、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)角度的數(shù)字孿生定義以及關(guān)系
美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟覺得數(shù)字孿生是資產(chǎn)、過(guò)程或系統(tǒng)軟件的正式數(shù)字表明，能捕捉對(duì)應(yīng)實(shí)體的特性和行為，并在特殊詞義中展開通訊、儲(chǔ)存、表述或解決。數(shù)字孿生包含但不限于下列幾種信息內(nèi)容的組成：1）物理學(xué)模型和數(shù)據(jù)；2）剖析模型和數(shù)據(jù)；3）時(shí)間序列分析數(shù)據(jù)和歷史；4）業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)；5）主數(shù)據(jù)；6）數(shù)據(jù)可視化模型和7）各類計(jì)算。
依據(jù)業(yè)務(wù)流程要求不一樣，可搭建復(fù)雜性不同的數(shù)字孿生。如下圖所示，對(duì)于重要零部件，搭建零部件孿生體；對(duì)于機(jī)器設(shè)備，搭建包括好幾個(gè)重要零部件孿生體的機(jī)器設(shè)備孿生體；對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，構(gòu)建包括多個(gè)機(jī)器設(shè)備孿生體的系統(tǒng)軟件孿生體。
數(shù)字孿生之間的關(guān)聯(lián)主要有三種：層次型、關(guān)聯(lián)型和點(diǎn)到點(diǎn)型。為了完成虛擬信息空間與實(shí)際物理世界的緊密結(jié)合，孿生體在信息空間的關(guān)系與其對(duì)應(yīng)物理實(shí)體在物理世界的關(guān)系相同，如下圖所示。層次型，如單獨(dú)零部件孿生體與多個(gè)零部件孿生體建立的復(fù)合型孿生體之間的關(guān)系。關(guān)聯(lián)型，如天燃?xì)夤艿罃?shù)字孿生體與燃?xì)馍a(chǎn)應(yīng)用設(shè)備孿生體之間的關(guān)聯(lián)。點(diǎn)到點(diǎn)型，如電力網(wǎng)中多個(gè)風(fēng)能發(fā)電機(jī)孿生體之間的關(guān)聯(lián)。
二、全生命周期中數(shù)字孿生產(chǎn)生極大經(jīng)濟(jì)收益
數(shù)字孿生處理信息孤島難題，為全局性提升管理決策出示重要支撐。目前工業(yè)生產(chǎn)制造中包含很多信息內(nèi)容，因?yàn)槎嘣磳?duì)映異構(gòu)、異地分散化的特點(diǎn)易產(chǎn)生信息孤島，影響信息內(nèi)容全自動(dòng)商品流通沒有充分發(fā)揮應(yīng)有價(jià)值。比如生產(chǎn)制造中，各機(jī)器設(shè)備運(yùn)作情況信息內(nèi)容儲(chǔ)存在各自固件里，導(dǎo)致產(chǎn)線或生產(chǎn)車間沒法根據(jù)各機(jī)器設(shè)備具體運(yùn)作情況優(yōu)化管理決策。數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用每一個(gè)孿生體為代理商，搜集相匹配實(shí)體數(shù)據(jù)、運(yùn)用不同模型展開測(cè)算剖析管理決策、根據(jù)集成化接口出示給不同業(yè)務(wù)流程目的的運(yùn)用，確保生命期信息內(nèi)容商品流通體現(xiàn)全局性優(yōu)化管理決策。比如根據(jù)創(chuàng)建主要設(shè)備孿生體搭建生產(chǎn)車間孿生體，運(yùn)用感知設(shè)備搜集對(duì)應(yīng)實(shí)體數(shù)據(jù)展開剖析，根據(jù)集成化接口將決策信息內(nèi)容下發(fā)各設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)提升全生產(chǎn)車間范疇的生產(chǎn)制造運(yùn)行活動(dòng)。
數(shù)字孿生出示單一接口，為實(shí)體全生命周期信息內(nèi)容順暢出示重要保障。實(shí)體的孿生體是瀏覽其生命期信息內(nèi)容單一接口。如下圖所示，商品生產(chǎn)商在數(shù)字空間搭建產(chǎn)品類別的孿生體，包括市場(chǎng)需求分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)圖、設(shè)計(jì)文檔；搭建商品的孿生體，在這其中包含商品生產(chǎn)制造信息內(nèi)容、從顧客那搜集的設(shè)備維護(hù)信息內(nèi)容等；產(chǎn)品類別孿生體和商品孿生體組成復(fù)合型商品孿生體，為商品生產(chǎn)商提供全部信息內(nèi)容單一接口。
數(shù)字孿生能為工業(yè)運(yùn)用帶來(lái)極大經(jīng)濟(jì)收益。一是數(shù)字孿生與人工智能技術(shù)、深度學(xué)習(xí)互為基礎(chǔ)協(xié)作發(fā)展。二是數(shù)字孿生推動(dòng)高精密虛擬傳感器研發(fā)，處理重要物理量無(wú)法精確測(cè)量難題。三是數(shù)字孿生助推傳感器失靈漂移矯正，提升感知品質(zhì)防止誤警報(bào)誤關(guān)機(jī)等安全事故。四是數(shù)字孿生減少信息查詢、格式轉(zhuǎn)化、信息內(nèi)容導(dǎo)入時(shí)間，助推協(xié)作工程項(xiàng)目。五是數(shù)字孿生助推運(yùn)維管理難題，降低服務(wù)器宕機(jī)時(shí)間經(jīng)濟(jì)成本費(fèi)。六是數(shù)字孿生應(yīng)用自動(dòng)更新，助推提質(zhì)增效。七是數(shù)字孿生不會(huì)受到時(shí)間地址限定迅速精確回應(yīng)，利潤(rùn)最大化運(yùn)用專家知識(shí)。
三、數(shù)字孿生設(shè)計(jì)方案觀念
數(shù)字孿生由數(shù)據(jù)、模型和服務(wù)項(xiàng)目接口構(gòu)成。如下圖所示，數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的關(guān)鍵基礎(chǔ)，主要由模型需要的物理實(shí)體信息內(nèi)容構(gòu)成，包含設(shè)計(jì)產(chǎn)品、生產(chǎn)制造、運(yùn)作維護(hù)保養(yǎng)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)流程買賣數(shù)據(jù)。模型是數(shù)字孿生的重要體現(xiàn)，主要包含測(cè)算剖析模型和運(yùn)作操縱模型，前面一種用以敘述、了解和預(yù)測(cè)分析孿生體的運(yùn)作情況和行為，后面一種用以具體指導(dǎo)物理實(shí)體運(yùn)作以體現(xiàn)業(yè)務(wù)流程目標(biāo)。服務(wù)項(xiàng)目是數(shù)字孿生的呈現(xiàn)表達(dá)，用于多個(gè)孿生體之間數(shù)據(jù)瀏覽和功能啟用，及其聯(lián)接孿生體兩者之間對(duì)應(yīng)物理實(shí)體。
創(chuàng)建孿生體間、孿生體內(nèi)多部件間的互操作性?；ゲ僮餍允?/span>2個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)軟件互相交換信息內(nèi)容并彼此應(yīng)用已交換信息內(nèi)容的能力。創(chuàng)建孿生體多部件間的互操作體制和規(guī)范是體現(xiàn)數(shù)字孿生互操作性的基礎(chǔ)。一方面，確保每一孿生體中都具有一部分公共數(shù)據(jù)特性和模型的通用性構(gòu)造，以便于根據(jù)常見方式 瀏覽和啟用。而另一方面，對(duì)接國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)或地域互認(rèn)的通訊協(xié)議來(lái)定義信息內(nèi)容語(yǔ)法、信息內(nèi)容語(yǔ)義、預(yù)估行為和信息交換形式，處理多個(gè)孿生體間的互操作性、孿生體內(nèi)各類應(yīng)用軟件互操作性、孿生體及其相應(yīng)物理實(shí)體的互操作性、孿生體及其物理信息源的互操作性。
四、創(chuàng)建數(shù)字孿生涉及到多領(lǐng)域技術(shù)性難題
美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)同盟覺得創(chuàng)建數(shù)字孿生時(shí)要重點(diǎn)考量八大技術(shù)領(lǐng)域，包含信息內(nèi)容建模、信息內(nèi)容遷移、信息內(nèi)容同步、服務(wù)接口、連接、部署、安全及互操作性。
一是信息內(nèi)容建模方面，信息內(nèi)容是數(shù)字孿生的主導(dǎo)要素，圍繞整個(gè)生命周期，建模時(shí)要重點(diǎn)元模型、結(jié)構(gòu)化模塊化及拓展體制、映射體制、信息內(nèi)容關(guān)聯(lián)建模體制、部件建模方法。
二是信息內(nèi)容遷移方面，從各信息源到孿生體遷移時(shí)要著重不同來(lái)源信息內(nèi)容遷移體制、重復(fù)采用以及組合體制、信息內(nèi)容存儲(chǔ)體制、在線離線信息內(nèi)容遷移體制等。
三是信息內(nèi)容同步方面，要著重信息源與孿生體之間的雙向同步方式 、大中型繁雜孿生體中多個(gè)子孿生體之間信息內(nèi)容同步體制、信息內(nèi)容同步頻率安全等同步規(guī)范、確保孿生體以及信息源的互操作性以促進(jìn)信息內(nèi)容同步的規(guī)范方式 。
四是服務(wù)接口方面，要著重離線信息內(nèi)容瀏覽機(jī)制、在線信息內(nèi)容瀏覽機(jī)制、大批量流失信息交換體制、跨經(jīng)銷商互操作的應(yīng)用服務(wù)規(guī)范。
五是連接識(shí)別方面，要著重唯一性識(shí)別孿生體及其相應(yīng)實(shí)體并創(chuàng)建連接的體制、在互聯(lián)網(wǎng)中全自動(dòng)發(fā)覺實(shí)體并連接相應(yīng)孿生體的體制、發(fā)覺其它孿生體并創(chuàng)建連接的體制、不同經(jīng)銷商的孿生體可互操作的連接規(guī)范。
六是部署體制方面，要著重靈活部署體制（可邊緣可云部署）、分布式系統(tǒng)孿生體的部件部署體制、多態(tài)部署體制。
七是安全保障方面，要著重孿生體內(nèi)數(shù)據(jù)信息瀏覽的安全控制體制、復(fù)合孿生體中各子孿生體的經(jīng)銷商瀏覽安全控制體制、物理實(shí)體及其孿生體之間的雙向通信安全體制，以及確保信息內(nèi)容、模型和其它數(shù)據(jù)庫(kù)真實(shí)有效的方式 。
八是互操作方面，必須著重多個(gè)孿生體間互操作的協(xié)議體制、確保不同應(yīng)用和孿生體間互操作的協(xié)議體制、孿生體及其相應(yīng)實(shí)體間互操作的協(xié)議體制、孿生體與其它信息源之間互操作的協(xié)議體制。
五、數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化基本建設(shè)正處在發(fā)展環(huán)節(jié)
美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟初步整理了原有和在研的數(shù)字孿生有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作。一是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)ISO、IEEE標(biāo)準(zhǔn)化研究會(huì)等發(fā)動(dòng)的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)工作。例如ISO/TC184成立了數(shù)字孿生體標(biāo)準(zhǔn)化研制組；IEEE標(biāo)準(zhǔn)化研究會(huì)發(fā)動(dòng)了IEEEP2806項(xiàng)目探討加工廠自然環(huán)境下物理實(shí)體數(shù)字表示的系統(tǒng)架構(gòu)圖；ISO/AWI23247也用類似方式 探討數(shù)字孿生生產(chǎn)制造架構(gòu)，該架構(gòu)側(cè)重于孿生體的服務(wù)接口和多功能性以完成孿生體能即插即用。二是出現(xiàn)了一部分未明確提起數(shù)字孿生專業(yè)術(shù)語(yǔ)但與其密切相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)。例如IEC6283標(biāo)準(zhǔn)化定義了以數(shù)字工廠資產(chǎn)表述為中心的數(shù)字工廠架構(gòu)，但并沒有明確提起數(shù)字孿生；ISO/IECJTC1的新型技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合組覺得數(shù)字孿生是十五個(gè)新型技術(shù)中急需深入探究的領(lǐng)域，該聯(lián)合組正積極探究與開源社區(qū)的合作模式。
六、結(jié)語(yǔ)
數(shù)字孿生是推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展完成工業(yè)生產(chǎn)4.0的先進(jìn)使能技術(shù)和方式 ，廣受科學(xué)界、工業(yè)界特別關(guān)注。目前，全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展有條不紊，為數(shù)字孿生帶來(lái)優(yōu)良孵化床，各類應(yīng)用場(chǎng)景迅速落地，應(yīng)用場(chǎng)景范疇持續(xù)擴(kuò)寬。美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的《工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)用中的數(shù)字孿生：定義，領(lǐng)域使用價(jià)值、設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化及運(yùn)用案例)》白皮書，帶來(lái)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)視野下的數(shù)字孿生定義、市場(chǎng)價(jià)值、體系架構(gòu)及工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字孿生的部署執(zhí)行途徑，通過(guò)不同領(lǐng)域具體運(yùn)用案例表述了工業(yè)生產(chǎn)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與其孿生體的關(guān)系，為進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)探討及工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用打下了重要基礎(chǔ)。隨著我國(guó)“新基建”的迅速推進(jìn)，將會(huì)推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的深入運(yùn)用與蓬勃發(fā)展，從而激勵(lì)出無(wú)限的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展?jié)摿εc市場(chǎng)動(dòng)能。