数字孪生技术及应用有何关键进展?

2023-10-30 理论教育版权反馈

【摘要】：2.1.1支撑系统的软件架构技术数字孪生作为物理世界的数字化表现，具备对物理世界建模、管理、演进的相关要求。

2.1.1　支撑系统的软件架构技术

数字孪生作为物理世界的数字化表现，具备对物理世界建模、管理、演进的相关要求。在数字孪生支撑系统的实现方面，软件架构是构建数字孪生支撑系统的基础。数字孪生首先要选择满足能力要求的软件架构。软件架构技术先后经历单体架构、C/S软件架构、B/S软件架构、SOA软件架构以及微服务架构等。在架构选择方面需综合考虑数字孪生系统在数据、集成、安全以及技术异构方面的复杂性，选择开放性好、兼容性强的微服务架构，基于最新的云原生技术、大数据技术、AI技术构建系统整体框架，并结合最新、活跃的开源社区成果，结合数字孪生应用针对性地建设相应的数字孪生软件架构及其相关架构技术选型，为数字孪生支撑系统奠定持续发展的技术基础。

2.1.2　全集数据管理及安全技术

数据的管理能力是数字孪生正确发挥作用的关键，提供有效管理物理实体的全集数据的技术和机制是数字孪生的基础。全集数据管理技术包括数据采集、数据识别、数据融合、数据技术状态和数据安全等。在数据采集和识别方面，数字孪生需要将来自互联网、物联网、智联网等多种网络渠道的产品数据、运营数据、机器数据、价值链数据和其他外部数据等多源数据进行管理和辨识；在数据融合方面，需要将企业的各类数据进行精细化管理，如结构化、半结构化、非结构化数据的提取和同步技术，尤其是非结构化数据的提取和同步处理；在数据技术状态方面，当各类数据间存在较强一致性要求时（例如工业、企业严格的技术状态约束要求），维护数据间的关联及变化，保障数据的一致性是确保数据价值的重要要求；在数据安全方面，除日常的数据安全之外，当涉及业务、商业或竞争需要而必须考虑数据权属要求时，数据的隐私和安全成为全集数据管理重要的应用技术。

2.1.3 动态建模及模型驱动技术

模型是数字孪生实现模型驱动的关键。来自物理世界的不同客体对应不同的模型，这就导致数字建模需要具备适应类型多样、属性多样、关系多样的客观现实。数字孪生需要具备通用的、普适的建模及模型管理机制。建模与模型管理技术首先要对各种复杂对象、属性、关系的表达技术进行分析，以满足静态以及随需的、动态的建模需要（如关系、属性的动态定义、计算属性等），适应不同客体的定义需要；其次，需要具备模型的接入和适配技术，即不同的客体数据可以通过自动化或半自动化方式连接到数字孪生的定义模型中［如通过ETL（extract-transform-load）工具或者定制的数据适配器］，从而建立起模型驱动的业务模式。另外，异构模型互操作技术也是数字孪生所需的关键技术，尤其是在工程领域的场景下，产品MCAD（机械计算机辅助设计）模型、ECAD（电子计算机辅助设计）模型以及仿真分析模型之间的互操作技术就是影响领域专业数据管理和融合的重要技术。(www.chuimin.cn)

2.1.4　高效计算与靶向服务技术

为更好地服务于物理客体的业务或商业目标，准确、随需地向物理实体提供被动或主动的反馈，数字孪生必须使用快速高效的数据分析计算技术和精准服务技术。数据分析技术包括分析场景与分析画像定义及基于画像的数据快速处理。首先，数字孪生可以结合实际的业务类型、环境等要素快速识别、获取并定义场景，快速完成场景画像，建立获取专业服务的关键输入。其次，再根据识别后的场景快速组织所需的各类数据，依据对应的领域模型，提供快速分析计算服务，并得到计算结果。目前在数据分析技术方面以外购数据采集、计算、存储、加工能力来进行数据处理分析的做法只是为数字孪生提供技术支撑能力，未来只有充分和业务强关联、强融合，建立结合业务的业务模型，从而通过数据和模型来驱动业务才可以进一步体现数据驱动、模型驱动的业务理念和价值。精准服务技术方面需要持续的知识自动化和智能化技术，要求不同业务环节不断进行知识积累和沉淀，将各类专业技术、专业技能、专业流程和专业服务数字化、结构化、软件化，继而实现针对业务环节的精准筛选和推介；精准服务技术中的精准靶向还需要面向不同客体提供个性化智能服务技术，数字孪生可以根据不同的客体（如人、设备和系统），将反馈结果推送到客体本身或指定中间环节（中间环节再计算或再处理），最终再形成满足客体需要的个性化服务。

2.1.5　虚实融合的沉浸式体验技术

数字孪生强调体验技术，在体验方面除传统数字化系统常用的图形用户界面（graphical user interface，GUI）、图表式、CAD/CAE模型及其他可视化展示方式之外，将充分结合虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augmented reality，AR）和混合现实（mixed reality，MR）等多种感知技术，通过多模式、多渠道体验来实现人类与数字世界的高效连接。如多声道体验将在这些多模式设备中动用所有人类感官以及先进的计算机器官（如热量、湿度和雷达）［10］。

这种多体验技术将创造一种环境体验，真正向“环境就是计算机”的方向逐渐演化。尤其是感知和交互模型的组合将带来对物理客体的更全面的沉浸式体验，推动对物理客体的认知发展和提升，实现从考虑个人设备和分散的用户界面（user interface，UI）技术逐步向多模式多渠道的综合体验转变。

数字孪生技术及应用有何关键进展?

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