数字孪生体 | 数字孪生体成熟度模型

    数字孪生体技术白皮书由两部分组成：

    第一部分关注对数字孪生体的抽象和总结。无论是参考架构、成熟度模型还是关键技术，都以“放之四海皆准”为原则。

    第二部分关注数字孪生体的应用场景，在工业、产业、民生和军事四个领域选择了最关键的场景做了实例化论述：数字孪生制造、数字孪生产业、数字孪生城市和数字孪生战场。

    下文节选自白皮书——数字孪生体成熟度模型中的部分内容，关于数字孪生体更完整的技术体系和应用实例化论述，敬请关注即将正式发布的《数字孪生体技术白皮书》。

    不论是否有人提出，或者你认不认可，即将过去的2019年已经成为事实上的“数字孪生年”。数字孪生体概念一方面炙手可热，一方面还有许多空白和待定领域，其成熟度模型就是其中一个。

    数字孪生体，广义上是由物理对象、数字镜像及互动系统构成的一个体系，狭义上是物理对象的数字镜像，参考架构则需要包含数字镜像和交互系统。但无论如何，数字孪生体已经超越了现有的数字化、物联网、仿真、大数据、人工智能、云计算等的任何一个概念。图1不代表最终的参考架构，但却是一个体现以上三者关系的简洁逻辑图。

图1 数字孪生体系的逻辑

    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，如图2所示。

图2 数字孪生体成熟度模型

    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，譬如测绘扫描、几何建模、网格建模、系统建模、流程建模、组织建模等技术。数字线程技术是数字化的另一项核心技术。物理对象在生命周期的不同阶段具有不同的数字化模型，这些模型之间的关联需要通过数字线程来实现。

    2.互动

    “互动”主要是指物理对象和数字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。利用物联网，物理世界的状态可以被计算机和网络所能感知、识别和分析，这些状态包括位置、属性和性能等。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。

    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“共智”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。

表1 数字孪生体成熟度模型、特征和关键技术