说一说工业互联网与数字孪生之间的关系

今年 2月18日,美国工业互联网联盟（IndustrialInternetConsortium，IIC）正式公布《工业应用中的数字孪生：定义，行业价值、设计、标准及应用案例)》市场研究报告（下面通称“市场研究报告”）,致力于为寻找“降本、提质、增效”有效途径的商业服务领导者、系统架构师及其在数字孪生领域从业研究、开发设计、布署和检测实践活动的有关工作人员，出示数字孪生在工业运用中的实际操作指导。市场研究报告从工业互联网的角度论述了数字孪生的界定、经济收益、管理体系构架及其完成数字孪生的必要基础，根据不同制造行业具体运用实例叙述了工业互联网与数字孪生的关系。伴随着数字孪生技术迅速发展及自主创新应用研究，将来美国工业互联网联盟还将考虑到在其工业互联网参照构架中融进数字孪生因素。

一、工业互联网角度的数字孪生定义以及关系

美国工业互联网联盟觉得数字孪生是资产、过程或系统软件的正式数字表明，能捕捉对应实体的特性和行为，并在特殊词义中展开通讯、储存、表述或解决。数字孪生包含但不限于下列几种信息内容的组成：1）物理学模型和数据；2）剖析模型和数据；3）时间序列分析数据和历史；4）业务流程数据；5）主数据；6）数据可视化模型和7）各类计算。

依据业务流程要求不一样，可搭建复杂性不同的数字孪生。如下图所示，对于重要零部件，搭建零部件孪生体；对于机器设备，搭建包括好几个重要零部件孪生体的机器设备孪生体；对于复杂系统，构建包括多个机器设备孪生体的系统软件孪生体。

数字孪生之间的关联主要有三种：层次型、关联型和点到点型。为了完成虚拟信息空间与实际物理世界的紧密结合，孪生体在信息空间的关系与其对应物理实体在物理世界的关系相同，如下图所示。层次型，如单独零部件孪生体与多个零部件孪生体建立的复合型孪生体之间的关系。关联型，如天燃气管道数字孪生体与燃气生产应用设备孪生体之间的关联。点到点型，如电力网中多个风能发电机孪生体之间的关联。

二、全生命周期中数字孪生产生极大经济收益

数字孪生处理信息孤岛难题，为全局性提升管理决策出示重要支撑。目前工业生产制造中包含很多信息内容，因为多源对映异构、异地分散化的特点易产生信息孤岛，影响信息内容全自动商品流通没有充分发挥应有价值。比如生产制造中，各机器设备运作情况信息内容储存在各自固件里，导致产线或生产车间没法根据各机器设备具体运作情况优化管理决策。数字孪生技术运用每一个孪生体为代理商，搜集相匹配实体数据、运用不同模型展开测算剖析管理决策、根据集成化接口出示给不同业务流程目的的运用，确保生命期信息内容商品流通体现全局性优化管理决策。比如根据创建主要设备孪生体搭建生产车间孪生体，运用感知设备搜集对应实体数据展开剖析，根据集成化接口将决策信息内容下发各设备自动控制系统提升全生产车间范畴的生产制造运行活动。

数字孪生出示单一接口，为实体全生命周期信息内容顺畅出示重要保障。实体的孪生体是浏览其生命期信息内容单一接口。如下图所示，商品生产商在数字空间搭建产品类别的孪生体，包括市场需求分析、计算机辅助设计图、设计文档；搭建商品的孪生体，在这其中包含商品生产制造信息内容、从顾客那搜集的设备维护信息内容等；产品类别孪生体和商品孪生体组成复合型商品孪生体，为商品生产商提供全部信息内容单一接口。

数字孪生能为工业运用带来极大经济收益。一是数字孪生与人工智能技术、深度学习互为基础协作发展。二是数字孪生推动高精密虚拟传感器研发，处理重要物理量无法精确测量难题。三是数字孪生助推传感器失灵漂移矫正，提升感知品质防止误警报误关机等安全事故。四是数字孪生减少信息查询、格式转化、信息内容导入时间，助推协作工程项目。五是数字孪生助推运维管理难题，降低服务器宕机时间经济成本费。六是数字孪生应用自动更新，助推提质增效。七是数字孪生不会受到时间地址限定迅速精确回应，利润最大化运用专家知识。

三、数字孪生设计方案观念

数字孪生由数据、模型和服务项目接口构成。如下图所示，数据是数字孪生的关键基础，主要由模型需要的物理实体信息内容构成，包含设计产品、生产制造、运作维护保养数据和业务流程买卖数据。模型是数字孪生的重要体现，主要包含测算剖析模型和运作操纵模型，前面一种用以叙述、了解和预测分析孪生体的运作情况和行为，后面一种用以具体指导物理实体运作以体现业务流程目标。服务项目是数字孪生的呈现表达，用于多个孪生体之间数据浏览和功能启用，及其联接孪生体两者之间对应物理实体。

创建孪生体间、孪生体内多部件间的互操作性。互操作性是2个或多个系统软件互相交换信息内容并彼此应用已交换信息内容的能力。创建孪生体多部件间的互操作体制和规范是体现数字孪生互操作性的基础。一方面，确保每一孪生体中都具有一部分公共数据特性和模型的通用性构造，以便于根据常见方式 浏览和启用。而另一方面，对接国际上的标准或地域互认的通讯协议来定义信息内容语法、信息内容语义、预估行为和信息交换形式，处理多个孪生体间的互操作性、孪生体内各类应用软件互操作性、孪生体及其相应物理实体的互操作性、孪生体及其物理信息源的互操作性。

四、创建数字孪生涉及到多领域技术性难题

美国工业互联网同盟觉得创建数字孪生时要重点考量八大技术领域，包含信息内容建模、信息内容迁移、信息内容同步、服务接口、连接、部署、安全及互操作性。

一是信息内容建模方面，信息内容是数字孪生的主导要素，围绕整个生命周期，建模时要重点元模型、结构化模块化及拓展体制、映射体制、信息内容关联建模体制、部件建模方法。

二是信息内容迁移方面，从各信息源到孪生体迁移时要着重不同来源信息内容迁移体制、重复采用以及组合体制、信息内容存储体制、在线离线信息内容迁移体制等。

三是信息内容同步方面，要着重信息源与孪生体之间的双向同步方式 、大中型繁杂孪生体中多个子孪生体之间信息内容同步体制、信息内容同步频率安全等同步规范、确保孪生体以及信息源的互操作性以促进信息内容同步的规范方式 。

四是服务接口方面，要着重离线信息内容浏览机制、在线信息内容浏览机制、大批量流失信息交换体制、跨经销商互操作的应用服务规范。

五是连接识别方面，要着重唯一性识别孪生体及其相应实体并创建连接的体制、在互联网中全自动发觉实体并连接相应孪生体的体制、发觉其它孪生体并创建连接的体制、不同经销商的孪生体可互操作的连接规范。

六是部署体制方面，要着重灵活部署体制（可边缘可云部署）、分布式系统孪生体的部件部署体制、多态部署体制。

七是安全保障方面，要着重孪生体内数据信息浏览的安全控制体制、复合孪生体中各子孪生体的经销商浏览安全控制体制、物理实体及其孪生体之间的双向通信安全体制，以及确保信息内容、模型和其它数据库真实有效的方式 。

八是互操作方面，必须着重多个孪生体间互操作的协议体制、确保不同应用和孪生体间互操作的协议体制、孪生体及其相应实体间互操作的协议体制、孪生体与其它信息源之间互操作的协议体制。

五、数字孪生标准化基本建设正处在发展环节

美国工业互联网联盟初步整理了原有和在研的数字孪生有关国际标准化工作。一是国际标准机构ISO、IEEE标准化研究会等发动的数字孪生标准化研发工作。例如ISO/TC184成立了数字孪生体标准化研制组；IEEE标准化研究会发动了IEEEP2806项目探讨加工厂自然环境下物理实体数字表示的系统架构图；ISO/AWI23247也用类似方式 探讨数字孪生生产制造架构，该架构侧重于孪生体的服务接口和多功能性以完成孪生体能即插即用。二是出现了一部分未明确提起数字孪生专业术语但与其密切相关的标准化活动。例如IEC6283标准化定义了以数字工厂资产表述为中心的数字工厂架构，但并没有明确提起数字孪生；ISO/IECJTC1的新型技术创新联合组觉得数字孪生是十五个新型技术中急需深入探究的领域，该联合组正积极探究与开源社区的合作模式。

六、结语

数字孪生是推进工业互联网发展完成工业生产4.0的先进使能技术和方式 ，广受科学界、工业界特别关注。目前，全球工业互联网发展有条不紊，为数字孪生带来优良孵化床，各类应用场景迅速落地，应用场景范畴持续扩宽。美国工业互联网联盟的《工业生产运用中的数字孪生：定义，领域使用价值、设计、标准化及运用案例)》白皮书，带来了工业互联网视野下的数字孪生定义、市场价值、体系架构及工业生产数字孪生的部署执行途径，通过不同领域具体运用案例表述了工业生产互联网平台与其孪生体的关系，为进一步推动数字孪生技术探讨及工业生产中的推广应用打下了重要基础。随着我国“新基建”的迅速推进，将会推进数字孪生技术在各个领域的深入运用与蓬勃发展，从而激励出无限的产业链发展潜力与市场动能。