數字孿生的五個(gè)維度分別是什么？

數字孿生（DT）是一種實(shí)用的OT/IT融合方法，能夠增強二者的交互，并融合來(lái)自雙方的數據。它有助于開(kāi)發(fā)更智能、更高效、更可靠的制造系統，也是實(shí)施智能制造的關(guān)鍵一步。目前來(lái)看，很多人對數字孿生的認知還不夠全面，尤其“數據”和“應用”并沒(méi)有受到足夠的重視，但其實(shí)這二者是除“物理實(shí)體”和“虛擬實(shí)體”及其“連接”之外，數字孿生中最為重要的兩個(gè)要素?？傮w來(lái)說(shuō)，數字孿生應該包含物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、物理與虛擬實(shí)體的連接、數據和應用五個(gè)維度。

數字孿生的發(fā)展

2003年，數字孿生最初是在格里夫斯的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）執行課程中提出，他將其定義為三個(gè)維度，包括一個(gè)“物理實(shí)體”、一個(gè)“數字對應物”和一個(gè)將兩部分聯(lián)系在一起的“連接”。

2010年，美國宇航局在《建模、仿真、信息技術(shù)》草案中詳細闡述了航天飛行器數字孿生的定義和功能，“一個(gè)綜合的多物理場(chǎng)、多尺度的飛行器或系統模擬，使用最佳可用的物理模型、傳感器數據更新、歷史數據等來(lái)反映其相應壽命”。

2011年，美國空軍探索了數字孿生在飛機結構健康管理中的應用。

2012年，美國宇航局和美國空軍聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于數字孿生的論文，指出它是未來(lái)飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。

2014年，數字孿生白皮書(shū)發(fā)表，其三維度結構得到廣泛宣傳。隨后，它被引入航空航天工業(yè)以外的更多領(lǐng)域，如汽車(chē)、石油和天然氣、醫療保健和醫藥等。

當代數字孿生的五個(gè)維度

（PE表示物理實(shí)體，VE表示虛擬實(shí)體，Ss表示服務(wù)（應用），DD表示孿生數據，CN表示各組成部分間的連接）

隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，人們發(fā)現“物理實(shí)體”、“虛擬實(shí)體”及其“連接”，這三個(gè)維度已經(jīng)不足以覆蓋數字孿生的范圍?！皵祿焙汀胺?wù)（應用）”兩個(gè)維度加入進(jìn)來(lái)組成了數字孿生的五個(gè)維度，這樣除了物理、虛擬以及二者的交互之外，還可以利用新技術(shù)融合物理和虛擬兩方面的數據，實(shí)現更全面、更準確的信息獲??；同時(shí)，“服務(wù)（應用）”納入數字孿生模型中，像檢測、判斷和預測等等對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)就比較直觀(guān)了。

數字孿生的核心

模型、數據、連接和服務(wù)始終在數字孿生中扮演著(zhù)最重要的角色，這四個(gè)部分也是數字孿生的核心。

模型

數字孿生的一個(gè)重要特征是，對于每個(gè)物理對象，都有一個(gè)“數字鏡像”存在于虛擬世界中，并與它在整個(gè)生命周期中一起“工作”。大多數人對數字孿生第一印象中的“3D模型”，可以說(shuō)就是這里所說(shuō)的模型中的一部分，但數字孿生的模型，不僅僅是你能看到的3D模型，它包括幾何尺寸、物理特性和行為等，具有實(shí)時(shí)同步、可靠映射和高保真等特點(diǎn)。

數據

數字孿生數據由五部分組成：一是來(lái)自物理實(shí)體的數據，主要包括運行狀態(tài)和工作條件；二是來(lái)自虛擬鏡像的數據，由模型參數和模型運行數據組成；三是來(lái)自服務(wù)應用的數據，描述服務(wù)的封裝、組合、調用等；四是從收集的數據中挖掘或從現有數據庫和系統中獲取的領(lǐng)域知識；最后是以上數據的融合處理數據，可以通過(guò)數據融合算法（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、D-S算法和卡爾曼濾波）獲得。

服務(wù)

服務(wù)又分為面向物理實(shí)體和面向虛擬鏡像兩種服務(wù)。這些服務(wù)通過(guò)實(shí)時(shí)調節使物理實(shí)體按預期工作，并通過(guò)物理實(shí)體與鏡像模型的關(guān)系校準以及模型參數校準保持虛擬鏡像的高保真度。面向物理實(shí)體的服務(wù)主要包括監測服務(wù)、PHM服務(wù)、狀態(tài)預測服務(wù)、能耗優(yōu)化服務(wù)等；面向虛擬鏡像的服務(wù)主要包括模型的構建服務(wù)、標定服務(wù)和測試服務(wù)等。

連接

從概念圖可以看到，在五維數字孿生中的連接，不止于物理實(shí)體與虛擬鏡像之間的連接，還包括他們與服務(wù)以及數字孿生數據之間的雙向連接。由此也可以看出，數字孿生中服務(wù)和數據角色的增加，也帶來(lái)了整個(gè)體系角色之間聯(lián)系的復雜化。

數字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

從技術(shù)角度來(lái)看，數字孿生體系的構建分為：物理實(shí)體建模（傳感、射頻、嵌入、數采）、虛擬鏡像建模（3D模型、行為建模、規則建模、模型集成、模型分析、模型評估）、服務(wù)建模（資源管理、服務(wù)描述、服務(wù)封裝、服務(wù)可視化、搜索與匹配、服務(wù)評估、容錯管理、人機交互）、數據建模（存儲、清理、轉換、集成、融合、分析、可視、完整性、安全性）、連接建模（協(xié)議分析、協(xié)議轉換、感知、無(wú)線(xiàn)、API、標準）。

數字孿生構建的八條準則：基于數據和知識、模塊化、輕量化、層次化、標準化、服務(wù)化、開(kāi)放性和可擴展、魯棒性。這些準則對數字孿生的受眾來(lái)說(shuō)，非常貼心。因為，當前數字孿生對很多人來(lái)說(shuō)，還很“科幻”，而且往往他們看到的數字孿生相關(guān)宣傳都是“全生命周期（設計、生產(chǎn)、維護等等）”，那么多“全”才叫“全”呢，生命周期應該覆蓋到哪里呢，沒(méi)有設計階段行嗎？這樣的系統得做多大，涵蓋多少范圍？……這時(shí)候這些準則就能解決這些疑問(wèn)。 

首先可以肯定的是，數字孿生是未來(lái)的主流方向，其次我們也應該正視當前發(fā)展數字孿生的基礎不足，比如行業(yè)差異、基礎設施等等。在這種情況下，數字孿生的落地就應該是模塊化、輕量化、標準化、服務(wù)化的。所謂服務(wù)化，不只是要將功能、應用、資源等服務(wù)化，還指的是企業(yè)應該將目光放在數字孿生所能提供的最終服務(wù)和應用，比如預測性維護。而數字孿生供應商也應該盡可能的封裝底層技術(shù)，為客戶(hù)提供人性化、易用的應用，因為數字孿生不是目的，最終的應用才是目的。而另一方面，數字孿生需要持續開(kāi)發(fā)、持續獲益、持續改進(jìn)，模塊化、輕量化、標準化也就顯得尤為重要。

那么，如何才能保證這些技術(shù)和準則的成功實(shí)現，答案就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。無(wú)論是從五維數字孿生的關(guān)鍵技術(shù)支撐集來(lái)看，還是從其構建準則來(lái)說(shuō)，我們都可以清晰的看到數字孿生和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有很多的相似性，數字孿生可以看作是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)子集。尤其以數據為中心、以服務(wù)（應用）為導向這關(guān)鍵兩點(diǎn)上更是不謀而合。簡(jiǎn)言之，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺也是數字孿生的基礎平臺。

平臺支撐數字孿生

以寄云NeuSeer 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為例，我們可以發(fā)現，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺很多優(yōu)勢完全就是為了數字孿生構建準則而準備，或者為了解決數字孿生的技術(shù)挑戰而生。它覆蓋了邊緣端，到邊緣物聯(lián)網(wǎng)平臺，數據治理平臺，有全流程的數據生命周期平臺，幫助客戶(hù)實(shí)現應用和系統的構建，幫助客戶(hù)管理數據，發(fā)現數據價(jià)值。

首先，寄云NeuSeer工業(yè)數據采集網(wǎng)關(guān)在物理實(shí)體層面支撐數字孿生的構建。它提供不同類(lèi)型的接口，RS232/485/以太網(wǎng)，可以對接包括西門(mén)子、歐姆龍、三菱、臺達等數百種常見(jiàn)的PLC，靈活的配置數據采集的點(diǎn)表和格式化，并提供高性能的MQTT轉發(fā)通道；同時(shí)，提供統一的管理接口，支持遠程的配置升級和VPN接入。

在數據方面，寄云工業(yè)數據管理平臺提供封裝好的數據讀寫(xiě)接口，支持數據模型、數據對象，以及各種常見(jiàn)的計算函數，構建各種分析指標。提供可擴展、分布式、海量的實(shí)時(shí)數據庫和MPP數據庫，提供高性能的匯聚和查詢(xún)能力。支持不同類(lèi)型的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數據和業(yè)務(wù)系統的采集和接入，提供便捷的任務(wù)和調度管理。應用通過(guò)數據對象API和規則配置API訪(fǎng)問(wèn)數據，無(wú)需編寫(xiě)SQL語(yǔ)句，降低開(kāi)發(fā)難度、加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，并實(shí)現數據共享。

不僅如此，工業(yè)數據分析建模平臺還提供靈活的數據模型和數據對象；支持豐富的數據預處理、數據探查、統計分析、機器學(xué)習、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的各種分析模型和可視化；并支持模型的發(fā)布和共享，這與數字孿生理念中的服務(wù)發(fā)現和搜索等技術(shù)相呼應。

除此以外，寄云NeuSeer工業(yè)應用開(kāi)發(fā)平臺無(wú)(低)代碼可視化開(kāi)發(fā)功能的工業(yè)組態(tài)、2D/3D、儀表盤(pán)、分析報表、填報表單，以及直接關(guān)聯(lián)指標數據、安全的發(fā)布機制、可集成到應用中的優(yōu)勢，再加上先進(jìn)的編譯、打包、部署，持續更新，豐富的微服務(wù)目錄，API網(wǎng)關(guān)，統一用戶(hù)登錄，支持邊緣端部署等能力，能夠讓數字孿生構建規則中的服務(wù)化、輕量化、模塊化和標準化等實(shí)施起來(lái)如魚(yú)得水。

平臺+數據智能應用雙驅動(dòng)

正因為深刻的看到智能制造、數字孿生的核心是數據，應用是導向，基礎是平臺，寄云科技提出了“平臺+數據智能應用雙輪驅動(dòng)”戰略：“以NeuSeer工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為主線(xiàn)，數據智能應用為基礎的雙輪驅動(dòng)模式”。從橫向集成的角度，制造企業(yè)需要通過(guò)平臺去連接人、機、物等各類(lèi)工業(yè)要素，獲取各種設備實(shí)時(shí)數據和生產(chǎn)過(guò)程數據，再深入結合行業(yè)的機理模型，輔以機器學(xué)習和人工智能分析，構建生產(chǎn)指標的優(yōu)化能力，實(shí)現反饋控制和實(shí)時(shí)決策能力，進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)制造過(guò)程。