基于物联网服务平台的数字孪生体系现状分析

数字孪生体是描述物理世界和数字空间的定义管理体系，它即是一种技术，也是一种新范式。自2010年宣布问世至今，受到了广泛的关注。工业4.0研究所2015年启动对数字孪生体的科学研究，至今获得了丰厚的成效。

以往五年期内，工业4.0研究所陆续完成了《数字孪生体发展史》、《数字孪生关键技术》、《数字孪生体演进》和《数字孪生体标准》等主题科学研究，建立了系统软件的知识结构，并明确提出了著名的三大派系（仿真派、连接派和数据派）判定。

在这个基础上，工业4.0研究所进一步设计了数字孪生体三大基础策略，即根据模拟仿真的数字工程项目、物联网服务平台和数据驱动等策略。

文中紧紧围绕三大基本策略，剖析数字孪生体发展的现状及发展趋势，便于数字孪生体同盟的公司依据自身需要推动数字化转型发展。

一、基于模拟仿真的数字工程项目策略

2003年1月，NSF组织了来源于密歇根大学、加州理工学院、伯克利、斯坦福大学、IBM等机构，编写了名为《通过信息基础设施变革科学和工程》的报告。

NSF接着在2003年、2004年组织了进一步的讨论，最后在2006年5月，公布了《基于仿真的工程科学：通过仿真变革工程科学》。

工业4.0研究所《数字孪生体发展史》课题研究显示，NSF在2006年公布的汇报，显示美国推动新工程项目课程的信心，这为2010年NASA和国防部明确提出数字孪生体定义管理体系确立了科学研究基础。

因为NASA和美国国防部明确提出数字孪生体相距时间较为短，大家觉得他们相互明确提出了数字孪生体定义管理体系。尽管其他专家学者宣称最开始提出该定义，但没有一切书面形式直接证据，或是压根没有明确提出“数字孪生体”这一语汇，大多数是其它叫法，比如，MichaelGrieves提出的镜像空间实体模型。

接着，美国国防部对数字孪生体表现了超乎寻常的好感，不但激励各种经销商再次做有关工程项目认证和科学研究，并且融合到数字工程项目发展战略，开始设计“数字孪生体范式”。

2012年，分别来源于NASA和USAF的E.H.Glaessgen和D.S.Stargel报名参加“第53届构造、结构动力学和原材料交流会”，做了“数字孪生体范式”的讲话，强调数字孪生体受NSF提出SBES的影响。

实际上，基于模拟仿真的数字工程项目开始变成复杂系统基本建设的标准配置，并慢慢用数字孪生体展开描述。

航天航空、轿车和石油化工设备等高使用价值行业有很大项目投资冲动运用新技术应用，数字孪生技术跟他们的要求匹配度高，这种公司一般早就运用了CAx，转为数字孪生体就变成名正言顺的事情。

运用基于模拟仿真的数字工程项目，在设计产品和生产制造现场互动上形成较好效果，一般反映为商品数据库管理或商品生命期管理方法，经销商为了得到 大量收益，通常会推荐其模拟仿真作用。

工业领域的模拟仿真作用牵涉到基础学科知识，比如物理、有机化学或分子生物学等，这给公司带来极大的成本，除非是公司产品盈利非常高，一般没有必要选用基于模拟仿真的数字工程项目策略，他们还有物联网服务平台策略和数据驱动策略能够运用。

二、物联网服务平台策略

2011年左右，世界各个国家陆续推动了我国智能制造发展战略，德国发布工业4.0，美国设计智能制造方案，日本明确提出智能机器人改革等，中国那时候主打两化融合。德国工业4.0以信息物理系统为关键技术，美国智能制造主要紧紧围绕数字生产制造来推动，日本加强自动化技术及机器人技术，中国明确提出了两化融合测评体系。

此外，美国通用电气期待运用互联网更新改造工业念头衍化出去的“工业互联网”，它在2014年创立了工业互联网联盟，这个机构显而易见归属于民间行为，不代表美国政府部门，美国商务部下属NIST推动的智能制造才具备象征性。

美国通用电气的工业互联网定义管理体系来源于物联网，而物联网当时早已形成了10多年，美国通用电气判断物联网能够为数字化转型发展出示技术性支撑，将建立生产制造方式和运营模式的转变。

2015年，美国几个著名咨询管理公司发觉美国通用电气选用数字孪生体来搭建工业互联网技术管理体系，便于跟工业自动化技术管理体系结合起来，因此竞相公布预测分析报告，把数字孪生体称作未来的技术。比如，Gartner、IDC等IT咨询管理公司公布了好几份报告，直接促进了数字孪生体浪潮。

美国IT咨询公司跟IT公司之间的相互配合十分默契，当Gartner和IDC等咨询管理公司公布汇报时，IBM、Oracle、微软和Ansys等IT公司对外公布，“我们也有数字孪生体解决方法了”。

因为工业互联网跟我国“互联网+”定义贴近，跟我国加工制造业大国影响力匹配度高，我国追踪两年后，快速引入该定义，并依据中国的国情做了很多科学研究，建立了我国的工业互联网管理体系。2016年，信通院公布了《工业互联网体系架构1.0》，公布互联网、数据信息和安全性三大功能管理体系。

伴随着很多公司干预工业互联网运用，云服务方式相对比较完善，对应回来就变成工业互联网服务平台，因而，“服务平台”逐渐变成工业互联网管理体系构架中的一种关键元素，逐渐取代了不适合落地的“数据信息”功能管理体系，最后变成《工业互联网体系架构2.0》，2020年4月23日，信通院公布了该汇报。在汇报中，数字孪生体变成了数据信息功能完成的“重要支撑点”。

到此，数字孪生体连接派的思想体系已经成形，选用该管理体系构架的公司一般挑选“物联网服务平台策略”，把物联网数据平台放进价值创造关键影响力。必须强调的是，物联网服务平台策略对是不是选用模拟仿真没有规定，这需要公司依据本身状况挑选，实际上，绝大多数公司并不需要模拟仿真级別的数据信息展现，他们大多数需要有一个漂亮的几何模型就可以了。

三、数据驱动策略

数字孪生体做为物理世界和数字空间结合的工程项目定义和管理体系，具备极强的实用性，工业4.0研究所于2016年率先称作”通用目的技术”，并论述：除了在加工制造业具备使用价值，数字孪生体在电力能源、工程建筑、大城市、农牧业和国防安全等领域具备无法想象的使用价值。

以生产加工为核心内容的工业，基于物理、有机化学、分子生物学等多课程建模仿真是前提条件，它是数字孪生体形成之初的关键需求，之后伴随着物联网感知建立数字化，更改了价值创造点。在物联网基础上，可完成远程控制数据可视化和一定的预测剖析，成为物联网服务平台方式。

针对非加工制造业的电力能源、工程建筑、大城市、农牧业等领域，模拟仿真并不是刚性需求，或是由于成本费太高而变成不必要的功能，这种应用领域的根本需求是运用数字孪生体，创建一套“数据驱动”的数字工程项目。这跟传统式的消费互联网大数据不一样，制造行业权威专家一般用“工业数据信息”来叙述。

20世纪80年代兴起了“工业数据信息”改革，它是工业领域数字化转型发展新形态。美国商务部下属NIST生物学家SharonJ.Kemmerer在1999年公布的《STEP：伟大体验》，详细说明了那时候建立的工业数据标准演变故事。

创作者在书里专门辟出一个章节目录剖析了“数据信息共享”和“数据传输”之间的区别。她觉得STEP和ISO10303很好的解决了数据传输难题，由于其目的便是为了确保各类产品设计实体模型之间能够完成导入导出。

美国商务部觉得，它是工业数字化转型发展的困扰，因而花销了很多资源来推动该工作。比照那时候处在美日贸易战之争中的日本加工制造业，它已经“好高骛远”推动“智能制造系统软件”。

时任NIST生物学家Kemmerer报名参加了日本进行的IMS产品研发方案，她显然心照不宣，连数据传输也没有做到，搞智能制造系统软件不具有可行性分析。客观事实也证明了这一结果，2010年，日本撤出亲自建立的IMS同盟，宣布日本数字化转型发展之失败。

美国循规蹈矩，遵照科学研究规律性，安安稳稳推动工业数字化转型发展，把重点放到数据传输问题解决上，协同需求大户波音公司（波音767和777）和美国国防部（洛克马丁F-22战机），解决他们推动数字工程项目中碰到的数据传输难题。NIST坦诚，STEP方案只解决了数据传输难题，数据共享难题还无法解决。

据工业4.0研究所最新跟进，现阶段NIST开设“数据和电子信息科学办公室”，正在处理物理学、分子生物学、有机化学和材料科学中的数据分析科学挑战，这跟互联网企业所说的互联网大数据或数据分析科学有天壤之别。

选用数据驱动策略的公司，遵从的剖析架构不同，价值创造方法自然也不同，就像NIST所说，在工业及其他领域，人工智能和互联网大数据改变了传统式工程项目科学工作方式。

四、结语

基于模拟仿真的数字化工程项目、物联网平台和数据驱动三大基础策略各有其用，公司不用为了某些时髦随便改变自己的核心策略，因为不同领域会对数字孪生体关键技术和解决方法提出要求。具备创新意识的创业者，敢于突破逻辑思维限制，顺应时代需要，成为中国数字孪生自主创新的突破性力量。