數(shù)字孿生的五個維度分別是什么？

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

數(shù)字孿生的發(fā)展

2003年，數(shù)字孿生最初是在格里夫斯的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）執(zhí)行課程中提出，他將其定義為三個維度，包括一個“物理實體”、一個“數(shù)字對應物”和一個將兩部分聯(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(shù)字孿生的定義和功能，“一個綜合的多物理場、多尺度的飛行器或系統(tǒng)模擬，使用最佳可用的物理模型、傳感器數(shù)據(jù)更新、歷史數(shù)據(jù)等來反映其相應壽命”。

2011年，美國空軍探索了數(shù)字孿生在飛機結(jié)構(gòu)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(shù)字孿生的論文，指出它是未來飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。

2014年，數(shù)字孿生白皮書發(fā)表，其三維度結(jié)構(gòu)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、石油和天然氣、醫(yī)療保健和醫(yī)藥等。

當代數(shù)字孿生的五個維度

（PE表示物理實體，VE表示虛擬實體，Ss表示服務（應用），DD表示孿生數(shù)據(jù)，CN表示各組成部分間的連接）

隨著時代的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)“物理實體”、“虛擬實體”及其“連接”，這三個維度已經(jīng)不足以覆蓋數(shù)字孿生的范圍。“數(shù)據(jù)”和“服務（應用）”兩個維度加入進來組成了數(shù)字孿生的五個維度，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(shù)據(jù)，實現(xiàn)更全面、更準確的信息獲?。煌瑫r，“服務（應用）”納入數(shù)字孿生模型中，像檢測、判斷和預測等等對于用戶來說就比較直觀了。

數(shù)字孿生的核心

模型、數(shù)據(jù)、連接和服務始終在數(shù)字孿生中扮演著最重要的角色，這四個部分也是數(shù)字孿生的核心。

模型

數(shù)字孿生的一個重要特征是，對于每個物理對象，都有一個“數(shù)字鏡像”存在于虛擬世界中，并與它在整個生命周期中一起“工作”。大多數(shù)人對數(shù)字孿生第一印象中的“3D模型”，可以說就是這里所說的模型中的一部分，但數(shù)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，具有實時同步、可靠映射和高保真等特點。

數(shù)據(jù)

數(shù)字孿生數(shù)據(jù)由五部分組成：一是來自物理實體的數(shù)據(jù)，主要包括運行狀態(tài)和工作條件；二是來自虛擬鏡像的數(shù)據(jù)，由模型參數(shù)和模型運行數(shù)據(jù)組成；三是來自服務應用的數(shù)據(jù)，描述服務的封裝、組合、調(diào)用等；四是從收集的數(shù)據(jù)中挖掘或從現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)中獲取的領(lǐng)域知識；最后是以上數(shù)據(jù)的融合處理數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)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

服務又分為面向物理實體和面向虛擬鏡像兩種服務。這些服務通過實時調(diào)節(jié)使物理實體按預期工作，并通過物理實體與鏡像模型的關(guān)系校準以及模型參數(shù)校準保持虛擬鏡像的高保真度。面向物理實體的服務主要包括監(jiān)測服務、PHM服務、狀態(tài)預測服務、能耗優(yōu)化服務等；面向虛擬鏡像的服務主要包括模型的構(gòu)建服務、標定服務和測試服務等。

連接

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

數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

從技術(shù)角度來看，數(shù)字孿生體系的構(gòu)建分為：物理實體建模（傳感、射頻、嵌入、數(shù)采）、虛擬鏡像建模（3D模型、行為建模、規(guī)則建模、模型集成、模型分析、模型評估）、服務建模（資源管理、服務描述、服務封裝、服務可視化、搜索與匹配、服務評估、容錯管理、人機交互）、數(shù)據(jù)建模（存儲、清理、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換、感知、無線、API、標準）。

數(shù)字孿生構(gòu)建的八條準則：基于數(shù)據(jù)和知識、模塊化、輕量化、層次化、標準化、服務化、開放性和可擴展、魯棒性。這些準則對數(shù)字孿生的受眾來說，非常貼心。因為，當前數(shù)字孿生對很多人來說，還很“科幻”，而且往往他們看到的數(shù)字孿生相關(guān)宣傳都是“全生命周期（設(shè)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，沒有設(shè)計階段行嗎？這樣的系統(tǒng)得做多大，涵蓋多少范圍？……這時候這些準則就能解決這些疑問。 

首先可以肯定的是，數(shù)字孿生是未來的主流方向，其次我們也應該正視當前發(fā)展數(shù)字孿生的基礎(chǔ)不足，比如行業(yè)差異、基礎(chǔ)設(shè)施等等。在這種情況下，數(shù)字孿生的落地就應該是模塊化、輕量化、標準化、服務化的。所謂服務化，不只是要將功能、應用、資源等服務化，還指的是企業(yè)應該將目光放在數(shù)字孿生所能提供的最終服務和應用，比如預測性維護。而數(shù)字孿生供應商也應該盡可能的封裝底層技術(shù)，為客戶提供人性化、易用的應用，因為數(shù)字孿生不是目的，最終的應用才是目的。而另一方面，數(shù)字孿生需要持續(xù)開發(fā)、持續(xù)獲益、持續(xù)改進，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)和準則的成功實現(xiàn)，答案就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。無論是從五維數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)支撐集來看，還是從其構(gòu)建準則來說，我們都可以清晰的看到數(shù)字孿生和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有很多的相似性，數(shù)字孿生可以看作是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個子集。尤其以數(shù)據(jù)為中心、以服務（應用）為導向這關(guān)鍵兩點上更是不謀而合。簡言之，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺也是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)平臺。

平臺支撐數(shù)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(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺很多優(yōu)勢完全就是為了數(shù)字孿生構(gòu)建準則而準備，或者為了解決數(shù)字孿生的技術(shù)挑戰(zhàn)而生。它覆蓋了邊緣端，到邊緣物聯(lián)網(wǎng)平臺，數(shù)據(jù)治理平臺，有全流程的數(shù)據(jù)生命周期平臺，幫助客戶實現(xiàn)應用和系統(tǒng)的構(gòu)建，幫助客戶管理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)價值。

首先，寄云NeuSeer工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)在物理實體層面支撐數(shù)字孿生的構(gòu)建。它提供不同類型的接口，RS232/485/以太網(wǎng)，可以對接包括西門子、歐姆龍、三菱、臺達等數(shù)百種常見的PLC，靈活的配置數(shù)據(jù)采集的點表和格式化，并提供高性能的MQTT轉(zhuǎn)發(fā)通道；同時，提供統(tǒng)一的管理接口，支持遠程的配置升級和VPN接入。

在數(shù)據(jù)方面，寄云工業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺提供封裝好的數(shù)據(jù)讀寫接口，支持數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)對象，以及各種常見的計算函數(shù)，構(gòu)建各種分析指標。提供可擴展、分布式、海量的實時數(shù)據(jù)庫和MPP數(shù)據(jù)庫，提供高性能的匯聚和查詢能力。支持不同類型的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)和業(yè)務系統(tǒng)的采集和接入，提供便捷的任務和調(diào)度管理。應用通過數(shù)據(jù)對象API和規(guī)則配置API訪問數(shù)據(jù)，無需編寫SQL語句，降低開發(fā)難度、加快開發(fā)進度，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

不僅如此，工業(yè)數(shù)據(jù)分析建模平臺還提供靈活的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)對象；支持豐富的數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)探查、統(tǒng)計分析、機器學習、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(shù)字孿生理念中的服務發(fā)現(xiàn)和搜索等技術(shù)相呼應。

除此以外，寄云NeuSeer工業(yè)應用開發(fā)平臺無(低)代碼可視化開發(fā)功能的工業(yè)組態(tài)、2D/3D、儀表盤、分析報表、填報表單，以及直接關(guān)聯(lián)指標數(shù)據(jù)、安全的發(fā)布機制、可集成到應用中的優(yōu)勢，再加上先進的編譯、打包、部署，持續(xù)更新，豐富的微服務目錄，API網(wǎng)關(guān)，統(tǒng)一用戶登錄，支持邊緣端部署等能力，能夠讓數(shù)字孿生構(gòu)建規(guī)則中的服務化、輕量化、模塊化和標準化等實施起來如魚得水。

平臺+數(shù)據(jù)智能應用雙驅(qū)動

正因為深刻的看到智能制造、數(shù)字孿生的核心是數(shù)據(jù)，應用是導向，基礎(chǔ)是平臺，寄云科技提出了“平臺+數(shù)據(jù)智能應用雙輪驅(qū)動”戰(zhàn)略：“以NeuSeer工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為主線，數(shù)據(jù)智能應用為基礎(chǔ)的雙輪驅(qū)動模式”。從橫向集成的角度，制造企業(yè)需要通過平臺去連接人、機、物等各類工業(yè)要素，獲取各種設(shè)備實時數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，再深入結(jié)合行業(yè)的機理模型，輔以機器學習和人工智能分析，構(gòu)建生產(chǎn)指標的優(yōu)化能力，實現(xiàn)反饋控制和實時決策能力，進而優(yōu)化生產(chǎn)制造過程。