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美國工業(yè)互聯(lián)網聯(lián)盟認為數(shù)字孿生是資產、過程或系統(tǒng)的正式數(shù)字表示，能捕獲對應實體的屬性和行為，并在特定語義中進行通信、存儲、解釋或處理。數(shù)字孿生包括但不限于以下幾類信息的組合：1）物理模型和數(shù)據(jù)；2）分析模型和數(shù)據(jù)；3）時間序列數(shù)據(jù)和歷史；4）業(yè)務數(shù)據(jù)；5）主數(shù)據(jù)；6）可視化模型和7）各種計算。

根據(jù)業(yè)務需求不同，可構建復雜程度不同的數(shù)字孿生。如圖1所示，針對關鍵零部件，構建零部件孿生體；針對設備，構建包含多個關鍵零部件孿生體的設備孿生體；針對復雜系統(tǒng)，構建包含多個設備孿生體的系統(tǒng)孿生體。

數(shù)字孿生之間的關系主要有三種：層次型、關聯(lián)型和點對點型。為了實現(xiàn)虛擬信息空間與實際物理世界的深度融合，孿生體在信息空間的關系與其對應物理實體在物理世界的關系相同，如圖2所示。層次型，如單個零部件孿生體與多個零部件孿生體組建的復合孿生體之間的關系。關聯(lián)型，如天然氣管道數(shù)字孿生體與天然氣生產使用設備孿生體之間的關系。點對點型，如電網中多個風力發(fā)電機孿生體之間的關系。

數(shù)字孿生解決信息孤島問題，為全局優(yōu)化決策提供重要支撐。現(xiàn)階段工業(yè)生產中包含大量信息，由于多源異構、異地分散的特征易形成信息孤島，影響信息自動流通沒有發(fā)揮應有價值。例如生產制造中，各設備運行狀態(tài)信息保存在各自固件里，導致產線或車間無法基于各設備實際運行狀態(tài)優(yōu)化決策。數(shù)字孿生技術利用每個孿生體為代理，收集對應實體數(shù)據(jù)、利用不同模型進行計算分析決策、通過集成接口提供給不同業(yè)務目的的應用，保障生命周期信息流通實現(xiàn)全局優(yōu)化決策。例如通過建立關鍵設備孿生體構建車間孿生體，利用感知設備收集對應實體數(shù)據(jù)進行分析，通過集成接口將決策信息下達各設備控制系統(tǒng)優(yōu)化全車間范圍的生產運行活動。

數(shù)字孿生提供單一接口，為實體全生命周期信息流暢提供重要保障。實體的孿生體是訪問其生命周期信息單一接口。如圖3所示，產品制造商在數(shù)字空間構建產品類型的孿生體，包含市場分析、計算機輔助設計圖紙、設計文檔；構建產品的孿生體，在其中包含產品生產信息、從客戶那收集的維保信息等；產品類型孿生體和產品孿生體構成復合產品孿生體，為產品制造商提供所有信息單一接口。

數(shù)字孿生能為工業(yè)應用帶來巨大商業(yè)價值。一是數(shù)字孿生與人工智能、機器學習互為基礎協(xié)同發(fā)展。二是數(shù)字孿生促進高精度虛擬傳感器研發(fā)，解決關鍵物理量無法測量問題。三是數(shù)字孿生助力傳感器失靈漂移矯正，提高感知質量避免誤報警誤停機等事故。四是數(shù)字孿生減少信息查詢、格式轉換、信息導入時間，助力協(xié)同工程。五是數(shù)字孿生助力運維問題，減少宕機時間經濟成本。六是數(shù)字孿生使用實時更新，助力提質增效。七是數(shù)字孿生不受時間地點限制快速準確響應，最大化利用專家知識。

數(shù)字孿生由數(shù)據(jù)、模型和服務接口組成。如圖4所示，數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的重要基礎，主要由建模所需的物理實體信息組成，包括產品設計、生產、運行維護數(shù)據(jù)和業(yè)務交易數(shù)據(jù)。模型是數(shù)字孿生的關鍵實現(xiàn)，主要包括計算分析模型和運行控制模型，前者用于描述、理解和預測孿生體的運行狀態(tài)和行為，后者用于指導物理實體運行以實現(xiàn)業(yè)務目標。服務是數(shù)字孿生的呈現(xiàn)表達，用于多個孿生體之間數(shù)據(jù)訪問和功能調用，以及連接孿生體與其對應物理實體。

建立孿生體間、孿生體內多組件間的互操作性。互操作性是兩個或多個系統(tǒng)交換信息并相互使用已交換信息的能力。建立孿生體多組件間的互操作機制和標準是實現(xiàn)數(shù)字孿生互操作性的基礎。一方面，保障每個孿生體中都具備一些公共數(shù)據(jù)屬性和模型的通用結構，以便通過常用方法訪問和調用。另一方面，對接國際標準或區(qū)域互認的通信協(xié)議來定義信息語法、信息語義、預期行為和信息交換方式，解決多個孿生體間的互操作性、孿生體內各種應用程序互操作性、孿生體與其對應物理實體的互操作性、孿生體與其物理信息源的互操作性。

美國工業(yè)互聯(lián)網聯(lián)盟認為構建數(shù)字孿生時要著重考慮八大技術領域，包括信息建模、信息遷移、信息同步、服務接口、連接、部署、安全及互操作性。

一是信息建模方面，信息是數(shù)字孿生的核心元素，貫穿整個生命周期，建模時要著重元模型、結構化模塊化及擴展機制、映射機制、信息關系建模機制、組件建模方法。

二是信息遷移方面，從各信息源到孿生體遷移時要著重不同來源信息遷移機制、復制引用及其組合機制、信息緩存機制、在線離線信息遷移機制等。

三是信息同步方面，要著重信息源與孿生體之間的雙向同步方法、大型復雜孿生體中多個子孿生體之間信息同步機制、信息同步頻率安全等同步規(guī)則、保障孿生體及其信息源的互操作性以促進信息同步的標準方法。

四是服務接口方面，要著重離線信息訪問機制、在線信息訪問機制、批量流失信息交換機制、跨供應商互操作的應用服務標準。

五是連接識別方面，要著重唯一識別孿生體與其對應實體并建立連接的機制、在網絡中自動發(fā)現(xiàn)實體并連接對應孿生體的機制、發(fā)現(xiàn)其他孿生體并建立連接的機制、不同供應商的孿生體可互操作的連接標準。

六是部署機制方面，要著重靈活部署機制（可邊緣可云部署）、分布式孿生體的組件部署機制、多態(tài)部署機制。

七是安全保障方面，要著重孿生體內數(shù)據(jù)訪問的安全控制機制、復合孿生體中各子孿生體的供應商訪問安全控制機制、物理實體與其孿生體之間的雙向通信安全機制，以及保障信息、模型和其他元數(shù)據(jù)真實性的方法。

八是互操作方面，需要著重多個孿生體間互操作的協(xié)議機制、保障不同應用和孿生體間互操作的協(xié)議機制、孿生體與其對應實體間互操作的協(xié)議機制、孿生體與其他信息源之間互操作的協(xié)議機制。

美國工業(yè)互聯(lián)網聯(lián)盟初步梳理了現(xiàn)有和在研的數(shù)字孿生相關國際標準化工作。一是國際標準組織ISO、IEEE標準協(xié)會等發(fā)起的數(shù)字孿生標準研制工作。例如ISO/TC 184成立了數(shù)字孿生體標準研制組；IEEE標準協(xié)會發(fā)起了IEEE P2806項目研究工廠環(huán)境下物理實體數(shù)字表示的系統(tǒng)架構；ISO/AWI 23247也用類似方法研究數(shù)字孿生制造框架，該框架側重于孿生體的服務接口和功能性以實現(xiàn)孿生體能即插即用。二是出現(xiàn)了一些未明確提及數(shù)字孿生術語但是與其密切相關的標準活動。例如IEC 6283標準定義了以數(shù)字工廠資產表示為中心的數(shù)字工廠框架，但是沒有明確提及數(shù)字孿生；ISO/IEC JTC1的新興技術創(chuàng)新聯(lián)合組認為數(shù)字孿生是15個新興技術中急需深入研究的領域，該聯(lián)合組正積極探索與開源社區(qū)的合作模式。

數(shù)字孿生是推進工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展實現(xiàn)工業(yè)4.0的先進使能技術和方法，廣受學術界、產業(yè)界關注。當前，全球工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展如火如荼，為數(shù)字孿生提供良好孵化床，各種應用場景加速落地，應用領域范圍不斷拓寬。美國工業(yè)互聯(lián)網聯(lián)盟的《工業(yè)應用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價值、設計、標準及應用案例)》白皮書，提供了工業(yè)互聯(lián)網視角下的數(shù)字孿生定義、商業(yè)價值、體系架構以及工業(yè)數(shù)字孿生的部署實施路徑，通過不同行業(yè)實際應用案例描述了工業(yè)互聯(lián)網平臺與其孿生體的關系，為進一步數(shù)字孿生技術研究及工業(yè)中的應用推廣奠定了重要基礎。隨著我國“新基建”的快速推進，將會推動數(shù)字孿生技術在各個行業(yè)的深入應用與蓬勃發(fā)展，從而激發(fā)出無限的產業(yè)潛力與市場動能。