數(shù)字孿生技術(shù)與工程實(shí)踐--第2章數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)和一般架構(gòu)

1、數(shù)字孿生技術(shù)與工程實(shí)踐第2章 數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)和一般架構(gòu)引言數(shù)字孿生技術(shù)，是從數(shù)字模型、數(shù)字樣機(jī)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展而來(lái)；而對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生，又和虛擬制造這一技術(shù)相關(guān)。數(shù)字孿生不是全新的技術(shù)，它具有建模仿真、虛擬制造、數(shù)字樣機(jī)等技術(shù)的特征，并在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了發(fā)展。數(shù)字孿生不是一種單一的技術(shù)，而是一系列技術(shù)的綜合應(yīng)用。數(shù)字孿生為這些技術(shù)在智能制造、智能建造和智慧城市等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了全新的、具體的場(chǎng)景，帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。2目錄2.1 數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)2.2 數(shù)字孿生推動(dòng)力新興信息技術(shù)2.3 數(shù)字孿生系統(tǒng)的一般架構(gòu)32.1 數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)4數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字孿生的技術(shù)基

2、礎(chǔ)，是指在數(shù)字孿生這一概念出現(xiàn)之前，就已經(jīng)廣泛研究和應(yīng)用的技術(shù)。這些技術(shù)的發(fā)展促使“數(shù)字孿生”這一概念的產(chǎn)生，同時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展也會(huì)對(duì)這些技術(shù)產(chǎn)生新的發(fā)展需求。這些技術(shù)主要包括建模仿真技術(shù)、虛擬制造技術(shù)和數(shù)字樣機(jī)技術(shù)。5數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)建模仿真技術(shù)：模型模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對(duì)系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識(shí)事物的一種手段或工具。模型大致可以分為三類： （1）物理模型：指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實(shí)體，如：飛行器研制中的飛行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）形式化模型：用某種規(guī)范表述方法構(gòu)建的、對(duì)客觀事物或過程的一種表達(dá)。形式化

3、模型實(shí)現(xiàn)了一種客觀世界的抽象，便于分析和研究。例如，數(shù)學(xué)模型，是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行抽象，用數(shù)學(xué)的方法來(lái)再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。（3）仿真模型：指根據(jù)系統(tǒng)的形式化模型，用仿真語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)施的模型。模型的構(gòu)建，一般都會(huì)有一套規(guī)范的建模體系，包括模型描述語(yǔ)言、模型描述方法、模型構(gòu)建方法等。數(shù)學(xué)就是一種表達(dá)客觀世界最常用的建模語(yǔ)言。在軟件工程里面常用的統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）也是一種通用的建模體系，支持面向?qū)ο蟮慕７椒ā?數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)建模仿真技術(shù)：數(shù)字制造模型在制造行業(yè)，數(shù)字制造模型是數(shù)字制造全生命周期中的一個(gè)不可缺少的工具。數(shù)字制造全生命周期包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)字傳輸、執(zhí)行控制、

4、事務(wù)管理和決策支持等，它是由一系列有序的模型構(gòu)成的，這些有序模型通常為：功能模型、信息模型、數(shù)據(jù)模型、控制模型和決策模型，有序通常指這些模型分別是在數(shù)字制造的不同生命周期階段上建立的。數(shù)字制造模型有多種分類方式。從形式上分，有全局結(jié)構(gòu)模型（如制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)）、局部結(jié)構(gòu)模型（如FMS模型）、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型和生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度模型等；從方法上分，有數(shù)學(xué)解析模型（如狀態(tài)空間模型）、圖示概念模型（如IDEF模型）及圖示解析混合模型（如Petri網(wǎng)模型）等；從功能上分，有結(jié)構(gòu)描述模型、系統(tǒng)分析模型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施模型和系統(tǒng)運(yùn)行管理模型等7數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)建模仿真技術(shù)：數(shù)字制造模型的主要對(duì)象在數(shù)字制造中，需要用

5、模型加以描述的對(duì)象包括：（1）產(chǎn)品：產(chǎn)品的生命周期需要采用各種產(chǎn)品模型和過程模型來(lái)描述；（2）資源：機(jī)器設(shè)備、資金、各種物料、人、計(jì)算設(shè)備、各種應(yīng)用軟件等制造系統(tǒng)中的資源，需要用相應(yīng)模型描述；（3）信息：對(duì)數(shù)字制造全過程的信息的采集、處理和運(yùn)用，需要建立適當(dāng)?shù)男畔⒛Ｐ停唬?）組織和決策：將數(shù)字制造的組織和決策過程模型化是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化決策的重要途徑；（5）生產(chǎn)過程：將生產(chǎn)過程模型化是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)生產(chǎn)、調(diào)度過程優(yōu)化的前提。8數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)建模仿真技術(shù)：仿真在對(duì)一個(gè)已經(jīng)存在或尚不存在但正在開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程中，為了了解系統(tǒng)的內(nèi)在特性，必須進(jìn)行一定的試驗(yàn)，由于系統(tǒng)不存在或其他一些原因，無(wú)法在原系

6、統(tǒng)上直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只能設(shè)法構(gòu)造既能反映系統(tǒng)特征又能符合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求的系統(tǒng)模型，并在該系統(tǒng)模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到了解或設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目的，于是，仿真技術(shù)就產(chǎn)生了。模擬（Simulation）即選取一個(gè)物理的或抽象的系統(tǒng)的某些行為特征，用另一系統(tǒng)來(lái)表示它們的過程。仿真（Emulation）即用另一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要是用硬件來(lái)全部或部分地模仿某一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使得模仿的系統(tǒng)能像被模仿的系統(tǒng)一樣接收同樣的數(shù)據(jù)、執(zhí)行同樣的程序，獲得同樣的結(jié)果。習(xí)慣上的“計(jì)算機(jī)仿真”應(yīng)該是“計(jì)算機(jī)模擬”。在不引起歧義的情況下，本書用習(xí)慣用語(yǔ)“仿真”來(lái)表述上述的“模擬”和“仿真”的概念。仿真就是建立系統(tǒng)的模型（數(shù)學(xué)模型、物理模

7、型或數(shù)學(xué)物理效應(yīng)模型），并在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計(jì)算機(jī)和其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并借助于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和資料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究并做出決策的一門綜合性和實(shí)驗(yàn)性的學(xué)科。9數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)建模仿真技術(shù)：仿真模型建模與仿真是指構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界實(shí)際系統(tǒng)的模型和在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真的復(fù)雜活動(dòng)，它主要包括實(shí)際系統(tǒng)、模型和計(jì)算機(jī)三個(gè)基本部分，同時(shí)考慮三個(gè)基本部分之間的關(guān)系，即建模關(guān)系和仿真關(guān)系。建模關(guān)系是通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)觀測(cè)和檢測(cè)，在忽略次要因素及不可監(jiān)測(cè)變量的基礎(chǔ)上，用規(guī)范表述方法（如數(shù)學(xué)

8、的方法）進(jìn)行描述，從而獲得實(shí)際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近似模型。仿真關(guān)系主要研究計(jì)算機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)與模型之間的關(guān)系，其程序能為計(jì)算機(jī)所接受并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。仿真研究就是把構(gòu)建好的形式化模型（如數(shù)學(xué)模型）放在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行求解。數(shù)學(xué)模型是人類用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述客觀事物的一種表達(dá)，它不能直接在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)算。需要把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以理解的模型，即按照計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和計(jì)算機(jī)運(yùn)算的特點(diǎn)（或者說按照一定的算法）進(jìn)行重新構(gòu)造模型，這個(gè)過程被稱為仿真建模。根據(jù)仿真模型利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫程序了，再把編寫好的程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算求解，并用數(shù)字或圖形等方式表示計(jì)算結(jié)果，這就是計(jì)算機(jī)仿真的基本過程。10數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)建模仿真技術(shù)：

9、建模和仿真的一般過程建模與仿真分別代表了兩個(gè)不同的過程，建模是指根據(jù)被仿真的對(duì)象或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成要素、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、約束條件和物理特性等，建立其形式化模型的過程，仿真則是利用計(jì)算機(jī)建立、校驗(yàn)、運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)的模型，以得到模型的行為特征，從而分析研究該系統(tǒng)的過程。整個(gè)過程有兩個(gè)抽象和轉(zhuǎn)換的過程：其一是從物理系統(tǒng)到形式化模型（如數(shù)學(xué)模型），這個(gè)是物理空間到信息空間的一個(gè)抽象其二是形式化模型（如數(shù)學(xué)模型）到計(jì)算機(jī)仿真模型的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過程是為了保障仿真能順利開展11數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)建模仿真技術(shù)：建模仿真方法在選擇建模方法時(shí)，應(yīng)該考慮被討論的系統(tǒng)的特征，以及所要跟蹤問題的性質(zhì)。常用的仿真建模方法包括靜態(tài)動(dòng)態(tài)

10、建模方法、連續(xù)離散建模、隨機(jī)確定性建模方法以及面向?qū)ο蠛投嘀悄荏w仿真建模方法。每一種建模方法都適用于其特定的抽象層級(jí)范圍。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模適合較高的抽象層級(jí)， 其在決策建模中已經(jīng)得到了典型應(yīng)用；離散事件建模支持中層和偏下層的抽象層級(jí)；基于智能體建模適合于多抽象層級(jí)的模型，既可以實(shí)現(xiàn)較低抽樣層級(jí)的物理對(duì)象細(xì)節(jié)建模，也可以實(shí)現(xiàn)公司和政府等較高抽象層級(jí)的建模。仿真建模方法的選擇要基于所需模擬的系統(tǒng)和建模的目標(biāo)來(lái)決定。制造系統(tǒng)各個(gè)層次對(duì)應(yīng)的仿真建模應(yīng)用12數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)虛擬制造技術(shù)虛擬制造技術(shù)（Virtual Manufacturing Technology，VMT）是以虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)

11、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的模擬仿真，從設(shè)計(jì)、加工和裝配、檢驗(yàn)、使用到回收，無(wú)需進(jìn)行物理樣品的制造，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段開始就能夠模擬出產(chǎn)品性能和制造流程，通過該種方式來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造流程，優(yōu)化生產(chǎn)管理和資源規(guī)劃，最小化產(chǎn)品的開發(fā)周期以及開發(fā)成本，最優(yōu)化制造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，最高化企業(yè)的生產(chǎn)效率，從而形成企業(yè)強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬制造的特點(diǎn)有：（1）模型化：虛擬制造以模型為核心，本質(zhì)上還是屬于仿真技術(shù)，離不開對(duì)模型的依賴，涉及到的模型有產(chǎn)品模型、過程模型、活動(dòng)模型和資源模型；（2）集成化：虛擬制造以模型信息集成為根本，虛擬制造對(duì)單項(xiàng)仿真技術(shù)的依賴決定了它所面

12、臨的是眾多的適應(yīng)各單項(xiàng)仿真技術(shù)的異構(gòu)模型，如何合理地集成這些模型就成為虛擬制造成功的基礎(chǔ)；（3）擬實(shí)化：虛擬制造以擬實(shí)仿真為特色，主要指仿真結(jié)果的高可信度，以及人與這個(gè)虛擬制造環(huán)境交互的自然化。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是改善人機(jī)交互自然化的普遍認(rèn)可的途徑。13數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)虛擬制造技術(shù)：虛擬制造的分類根據(jù)虛擬制造所涉及的工程活動(dòng)類型不同，虛擬制造分成三類，即以設(shè)計(jì)為核心的虛擬制造（Design-centered VM）、以生產(chǎn)為核心的虛擬制造（Production-centered VM）和以控制為核心的虛擬制造（Control-centered VM）。這種劃

13、分結(jié)果也反映了虛擬制造的功能結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)性虛擬制造：把制造信息引入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程，強(qiáng)調(diào)以統(tǒng)一制造信息模型為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真、分析與優(yōu)化，從而在設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)所設(shè)計(jì)的零件甚至整機(jī)進(jìn)行可制造性分析，包括加工工藝分析、鑄造熱力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、可裝配性分析等。為用戶提供全部制造過程所需要的設(shè)計(jì)信息和制造信息以及相應(yīng)的修改功能，并向用戶提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)修改建議。生產(chǎn)性虛擬制造：在生產(chǎn)過程模型中融入仿真技術(shù)，是在企業(yè)資源（如設(shè)備、人力、原材料等） 的約束條件下，實(shí)現(xiàn)制造方案的快速評(píng)價(jià)以及加工過程和生產(chǎn)過程的優(yōu)化。它對(duì)產(chǎn)品的可生產(chǎn)性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，對(duì)制造資源和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化組合，通

14、過提供精確的生產(chǎn)成本信息對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度進(jìn)行合理化決策。它貫穿于產(chǎn)品制造的全過程，包括與產(chǎn)品有關(guān)的工藝、夾具、設(shè)備、計(jì)劃以及企業(yè)等?？刂菩蕴摂M制造：為了實(shí)現(xiàn)虛擬制造的組織、調(diào)度與控制策略的優(yōu)化以及人工現(xiàn)實(shí)環(huán)境下虛擬制造過程中的人機(jī)智能交互與協(xié)同，需要對(duì)全系統(tǒng)的控制模型及現(xiàn)實(shí)加工過程進(jìn)行仿真，這就是以控制為中心的虛擬制造。14數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)數(shù)字樣機(jī)（Digital mock-up，DMU）技術(shù)興起于20世紀(jì)90年代。數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是以CAD/CAE/DFx（Design for X，是一種面向產(chǎn)品生命周期的設(shè)計(jì)理念，其中“X”代表產(chǎn)品生命周期中某一環(huán)節(jié)，如裝配、安裝、維護(hù)等）技術(shù)為

15、基礎(chǔ)，以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，融合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將多學(xué)科的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和分析過程集中到一起，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者、制造者和使用者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制的早期就可以直觀形象地對(duì)產(chǎn)品數(shù)字原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測(cè)試、制造仿真和使用仿真，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了全新的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)從設(shè)計(jì)及制造的角度出發(fā)，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、仿真與優(yōu)化，達(dá)到替代或精簡(jiǎn)物理樣機(jī)的目的。15數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)：相關(guān)技術(shù)幾何形體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)。用于機(jī)械系統(tǒng)的幾何建模，或者用來(lái)展現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技

16、術(shù)，主要是有限元分析（FEA）技術(shù)。模擬各種工況的軟件編程技術(shù)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)。優(yōu)化分析技術(shù)。16數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)：數(shù)字樣機(jī)的分類按照實(shí)現(xiàn)功能的不同可分為結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)、功能數(shù)字樣機(jī)和結(jié)構(gòu)與功能綜合數(shù)字樣機(jī)。結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)主要用來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品的外觀、形狀和裝配。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)首先表現(xiàn)出來(lái)的就是產(chǎn)品的外觀形狀是否滿意，其次，零部件能否按要求順利安裝，能否滿足配合要求，這些都是在產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)中得到檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)的。功能虛擬樣機(jī)主要用于驗(yàn)證產(chǎn)品的工作原理，如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。新產(chǎn)品在滿足了外觀形狀的要求以后，就要檢驗(yàn)產(chǎn)品整體上是否符合基于物理學(xué)的功能原理。這一過程往往要求能實(shí)時(shí)仿真

17、，但基于物理學(xué)功能分析，計(jì)算量很大，與實(shí)時(shí)性要求經(jīng)常沖突。17數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)：特點(diǎn)（1）真實(shí)性：真實(shí)性是數(shù)字樣機(jī)最本質(zhì)的屬性。采用數(shù)字樣機(jī)的根本目的是取代或者精簡(jiǎn)物理樣機(jī)。因此數(shù)字樣機(jī)應(yīng)是“具有一定的原型產(chǎn)品或系統(tǒng)真實(shí)功能并能夠與物理原型相媲美的計(jì)算機(jī)仿真模型”，可以在幾何、物理與行為各個(gè)方面逼近物理樣機(jī)。幾何真實(shí)性。數(shù)字樣機(jī)具有和實(shí)際產(chǎn)品相同的幾何結(jié)構(gòu)與幾何尺寸，相同的顏色、材質(zhì)與紋理，使得設(shè)計(jì)者能真實(shí)地感知產(chǎn)品的幾何屬性。物理真實(shí)性。數(shù)字樣機(jī)具有和實(shí)際產(chǎn)品相同或相近的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)屬性。能夠在虛擬環(huán)境中模擬零件間的相互作用。行為真實(shí)性。在外部環(huán)境的激勵(lì)下，數(shù)字樣機(jī)能夠做出與

18、實(shí)際產(chǎn)品相同或相近的行為響應(yīng)。（2）面向產(chǎn)品全生命周期：數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)是對(duì)物理產(chǎn)品全方位的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，而傳統(tǒng)的工程仿真只是對(duì)產(chǎn)品某方面進(jìn)行測(cè)試，以獲得產(chǎn)品在該方面的性能。數(shù)字樣機(jī)是由分布的、不同工具開發(fā)的甚至是異構(gòu)子模型所組成的模型聯(lián)合體，包括產(chǎn)品的CAD模型、外觀表示模型、功能和性能仿真模型、各種分析模型（可制造性、可裝配性等）、使用模型、維護(hù)模型和環(huán)境模型。（3）多領(lǐng)域多學(xué)科：復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往會(huì)涉及機(jī)械、控制、電子、液壓、氣動(dòng)等多個(gè)不同的領(lǐng)域。要想對(duì)這些復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行完整、準(zhǔn)確的仿真分析，必須將多個(gè)不同的學(xué)科領(lǐng)域的子系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行仿真分析，使得數(shù)字樣機(jī)能夠滿足設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能驗(yàn)

19、證與性能分析的要求。18數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)數(shù)字樣機(jī)和CAE有什么區(qū)別？CAE等建模分析一般是面向零件、部件級(jí)的，面向單一領(lǐng)域而數(shù)字樣機(jī)是針對(duì)產(chǎn)品“整體”的分析，是多領(lǐng)域、多物理場(chǎng)的綜合分析。192.2 數(shù)字孿生推動(dòng)力新興信息技術(shù)20數(shù)字孿生推動(dòng)力新興信息技術(shù)在數(shù)字孿生概念前后出現(xiàn)和發(fā)展的新興信息技術(shù)，推動(dòng)了數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步豐富了數(shù)字孿生的內(nèi)涵。數(shù)字孿生概念的提出以及實(shí)施，為這些技術(shù)的應(yīng)用提供了一個(gè)新的場(chǎng)景和需求，提出了新的要求，也帶動(dòng)了這些技術(shù)的發(fā)展。這里主要介紹：信息物理系統(tǒng)（CPS）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)大數(shù)據(jù)云計(jì)算3R：VR/AR/MR數(shù)字主線21數(shù)字孿生推動(dòng)力信息

20、物理系統(tǒng)信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystem，CPS），也有人稱為信息物理融合系統(tǒng)，最早是美國(guó)科學(xué)家相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的一種表述。它與物聯(lián)網(wǎng)相比，最顯著的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)物理過程與信息間的反饋。2008年美國(guó)加利福利亞大學(xué)的Lee.E在其技術(shù)報(bào)告信息物理系統(tǒng)：設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)中指出：信息物理系統(tǒng)是計(jì)算和物理過程的整合集成。嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，通常系統(tǒng)具有物理過程影響計(jì)算、計(jì)算也影響物理過程的反饋回路。從自動(dòng)化技術(shù)的觀點(diǎn)看，CPS是一種工程系統(tǒng)，由一個(gè)嵌入在物體中的計(jì)算和通信的內(nèi)核，以及物理環(huán)境中的結(jié)構(gòu)所監(jiān)測(cè)和控制。（Karl Henrik Johansson，2011）22

21、數(shù)字孿生推動(dòng)力信息物理系統(tǒng)：系統(tǒng)特點(diǎn)信息物理系統(tǒng)的本質(zhì)是構(gòu)建一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)閉環(huán)賦能體系，通過狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行，解決實(shí)際應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化CPS的四大核心技術(shù)要素分為“一硬”（感知和自動(dòng)控制）、“一軟”（工業(yè)軟件）、“一網(wǎng)”（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）、“一平臺(tái)”（工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái)）。其中感知和自動(dòng)控制是CPS實(shí)現(xiàn)的硬件支撐；工業(yè)軟件固化了CPS計(jì)算和數(shù)據(jù)流程的規(guī)則，是CPS的核心；工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)載體；工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái)是CPS數(shù)據(jù)匯聚和支撐上層解決方案的基礎(chǔ)，對(duì)外提供資源控制和能力服務(wù)

22、。信息物理系統(tǒng)白皮書(2017)23數(shù)字孿生推動(dòng)力信息物理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)閉環(huán)（1）狀態(tài)感知。 是對(duì)外界狀態(tài)的數(shù)據(jù)獲取。狀態(tài)感知通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等一些數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將這些蘊(yùn)含在物理實(shí)體背后的數(shù)據(jù)不斷的傳遞到信息空間，使得數(shù)據(jù)不斷“可見”，變?yōu)轱@性數(shù)據(jù)。狀態(tài)感知是對(duì)數(shù)據(jù)的初級(jí)采集加工，是一次數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)閉環(huán)的起點(diǎn)，也是數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的源動(dòng)力實(shí)時(shí)分析。 是對(duì)顯性數(shù)據(jù)的進(jìn)一步理解。是將感知的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成認(rèn)知的信息的過程，是對(duì)原始數(shù)據(jù)賦予意義的過程，也是發(fā)現(xiàn)物理實(shí)體狀態(tài)在時(shí)空域和邏輯域的內(nèi)在因果性或關(guān)聯(lián)性關(guān)系的過程。利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、聚類分析等數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析估計(jì)使得數(shù)據(jù)不斷“透明”，將

23、顯性化的數(shù)據(jù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為直觀可理解的信息。24數(shù)字孿生推動(dòng)力信息物理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)閉環(huán)（2）科學(xué)決策。 是對(duì)信息的綜合處理。決策是根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)、對(duì)現(xiàn)實(shí)的評(píng)估和對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)，為了達(dá)到明確的目的，在一定的條件約束下，所做的最優(yōu)決定。分析決策并最終形成最優(yōu)策略是CPS的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)不一定在系統(tǒng)最初投入運(yùn)行時(shí)就能產(chǎn)生效果，往往在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間之后逐漸形成一定范圍內(nèi)的知識(shí)。對(duì)信息的進(jìn)一步分析與判斷，使得信息真正的轉(zhuǎn)變成知識(shí)，并且不斷地迭代優(yōu)化形成系統(tǒng)運(yùn)行、產(chǎn)品狀態(tài)、企業(yè)發(fā)展所需的知識(shí)庫(kù)精準(zhǔn)執(zhí)行。 是對(duì)決策的精準(zhǔn)物理實(shí)現(xiàn)。在信息空間分析并形成的決策最終將會(huì)作用到物理空間，而物理空間的實(shí)體設(shè)備只能

24、以數(shù)據(jù)的形式接受信息空間的決策。執(zhí)行的本質(zhì)是將信息空間產(chǎn)生的決策轉(zhuǎn)換成物理實(shí)體可以執(zhí)行的命令，進(jìn)行物理層面的實(shí)現(xiàn)。輸出更為優(yōu)化的數(shù)據(jù)，使得物理空間設(shè)備運(yùn)行的更加可靠，資源調(diào)度更加合理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)高效運(yùn)營(yíng)，各環(huán)節(jié)智能協(xié)同效果逐步優(yōu)化25數(shù)字孿生推動(dòng)力信息物理系統(tǒng)：螺旋上升數(shù)據(jù)在自動(dòng)流動(dòng)的過程中逐步由隱性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為顯性數(shù)據(jù)顯性數(shù)據(jù)分析處理成為信息，信息最終通過綜合決策判斷轉(zhuǎn)化為有效的知識(shí)并固化在CPS中，同時(shí)產(chǎn)生的決策通過控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為優(yōu)化的數(shù)據(jù)作用到物理空間，使得物理空間的物理實(shí)體朝向資源配置更為優(yōu)化的方向發(fā)展。從這一層面來(lái)看，數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)應(yīng)是以資源優(yōu)化為最終目標(biāo)“螺旋式”上升的過程。信息物理系統(tǒng)

25、白皮書(2017)26數(shù)字孿生推動(dòng)力信息物理系統(tǒng)： CPS單元、系統(tǒng)和體系CPS具有層次性，一個(gè)智能部件、一臺(tái)智能設(shè)備、一條智能產(chǎn)線、一個(gè)智能工廠都可以成為CPS。同時(shí)CPS還具有系統(tǒng)性，一個(gè)工廠可能涵蓋多條產(chǎn)線，一條產(chǎn)線也會(huì)由多臺(tái)設(shè)備組成，因此可將CPS層次劃分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、體系級(jí)（System of Systems，SoS級(jí)）三個(gè)層次。CPS概念是隨“工業(yè)4.0”而為廣大用戶重視，但是CPS的概念不只是在制造領(lǐng)域，建筑、城市都可以看做是一個(gè)CPS系統(tǒng)或者CPS體系。信息物理系統(tǒng)白皮書(2017)27數(shù)字孿生推動(dòng)力信息物理系統(tǒng)： HCPS2018年，中國(guó)工程院周濟(jì)、李培根等院士發(fā)表了走向

26、新一代智能制造，里面除了提出了“數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化”這一智能制造范式外，還提出了“人信息物理系統(tǒng)”（Human CPS，HCPS）的概念傳統(tǒng)制造系統(tǒng)包含人和物理系統(tǒng)兩大部分，是完全通過人對(duì)機(jī)器的操作控制去完成各種工作任務(wù)的系統(tǒng)，是一種“人物理系統(tǒng)（HPS）”。信息系統(tǒng)（cyber system）的引入使得制造系統(tǒng)同時(shí)增加了“人信息系統(tǒng)”（human-cyber systems， HCS）和“信息物理系統(tǒng)”（cyber-physical systems， CPS），并形成了HCPS。新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展形成了新一代“人信息物理系統(tǒng)”28數(shù)字孿生推動(dòng)力信息物理系統(tǒng)： CPS和數(shù)字孿生的關(guān)系CP

27、S和數(shù)字孿生都體現(xiàn)了泛在連接、虛實(shí)映射，因此，兩個(gè)概念有一定的聯(lián)系。CPS更多地可以看做是一個(gè)理念，而數(shù)字孿生是一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。從廣義上說，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以看成是一個(gè)CPS的系統(tǒng)或CPS體系（SoS），體現(xiàn)了物理對(duì)象和信息空間虛擬模型之間的互動(dòng)。CPS是一個(gè)系統(tǒng)的整體理念，它著重于控制。CPS的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行是一個(gè)單元或一個(gè)系統(tǒng)的完整功能，缺一不可。如果物理對(duì)象離開了信息空間對(duì)象的控制，可能就不能運(yùn)行，不能實(shí)現(xiàn)全部功能。數(shù)字孿生側(cè)重于信息空間的數(shù)字孿生體，通過數(shù)字孿生體的運(yùn)作來(lái)更好地幫助物理系統(tǒng)的運(yùn)行。從某種意義上說，如果沒有數(shù)字孿生體的支持，物理系統(tǒng)也可以運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)部分

28、甚至全部的功能。以航天器的物理孿生來(lái)類比，地面上的孿生體如果發(fā)生故障不能運(yùn)行，不會(huì)影響到太空中航天器的功能。從這個(gè)意義上說，數(shù)字孿生系統(tǒng)的“整體性”沒有CPS這個(gè)概念那么嚴(yán)格。CPS概念及其實(shí)現(xiàn)能促進(jìn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)。從目前很多智能系統(tǒng)來(lái)說，其本身就是一個(gè)CPS單元或CPS系統(tǒng)，例如，數(shù)控機(jī)床、智能機(jī)器人等CPS單元，智能車間、智能交通系統(tǒng)等CPS系統(tǒng)，這些單元和系統(tǒng)都體現(xiàn)了信息空間和物理系統(tǒng)之間的互動(dòng)，其數(shù)據(jù)、控制和管理模型等都存在于信息空間，為進(jìn)一步構(gòu)建數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。數(shù)字孿生系統(tǒng)也可以看做是CPS理念的一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。數(shù)字孿生推動(dòng)力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)

29、網(wǎng)和新一代信息技術(shù)在工業(yè)全領(lǐng)域、全價(jià)值鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈中的融合集成應(yīng)用，是工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、人、產(chǎn)品之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，通過工業(yè)大數(shù)據(jù)的深度感知和計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠的智能決策和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。GE公司于2013年6月提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，隨后于2014年3月聯(lián)合AT&T、思科（Cisco）、通用電氣（GE）、IBM和英特爾（Intel）等公司發(fā)起了美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC），IIRA（Industrial Internet Reference Architecture）是IIC發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)2016年，針

30、對(duì)我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迫切發(fā)展，國(guó)內(nèi)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（Alliance of Industrial Internet，AII）在參考美國(guó)IIRA、德國(guó)RAMI4.0以及日本“工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)”（IVRA，Industrial Value ChainReference Architecture）的基礎(chǔ)下，提出了以網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和安全為主要功能體系的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.0數(shù)字孿生推動(dòng)力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.0工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是基于全面互聯(lián)而形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全是工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)視角的共性基礎(chǔ)和支撐網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)是驅(qū)動(dòng)，安全是保障三類企業(yè)主體：工業(yè)制造企業(yè)、工業(yè)服務(wù)

31、企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)七類互聯(lián)主體：在制品、智能機(jī)器、工廠控制系統(tǒng)、工廠云平臺(tái)（及管理軟件）、智能產(chǎn)品、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用八種互聯(lián)類型：七類互聯(lián)主體之間復(fù)雜多樣的互聯(lián)關(guān)系，成為連接設(shè)計(jì)能力、生產(chǎn)能力、商業(yè)能力以及用戶服務(wù)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三大優(yōu)化閉環(huán):面向機(jī)器設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化的閉環(huán)、面向生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)優(yōu)化的閉環(huán)以及面向企業(yè)協(xié)同、用戶交互與產(chǎn)品服務(wù)優(yōu)化的閉環(huán)數(shù)字孿生推動(dòng)力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)本質(zhì)上是一個(gè)工業(yè)云平臺(tái)，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，搭建起采集、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用工業(yè)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)服務(wù)體系，保障生產(chǎn)資源的全面連接、按需供給和智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的技術(shù)積累和應(yīng)用創(chuàng)新。作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)和安全”三大要素

32、之一，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是工業(yè)全要素鏈接的樞紐，是工業(yè)資源配置的核心。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）給出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參考架構(gòu)數(shù)字孿生推動(dòng)力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)泛在連接、云化服務(wù)、知識(shí)積累、應(yīng)用創(chuàng)新是辨識(shí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的四大特征。泛在連接讓平臺(tái)具備對(duì)設(shè)備、軟件、人員等各類生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)的全面采集能力。云化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)基于云計(jì)算架構(gòu)的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和計(jì)算。通過平臺(tái)上的知識(shí)積累，能夠提供基于工業(yè)知識(shí)機(jī)理的數(shù)據(jù)分析能力，并實(shí)現(xiàn)知識(shí)的固化、積累和復(fù)用。平臺(tái)應(yīng)用目標(biāo)是應(yīng)用創(chuàng)新，能夠調(diào)用平臺(tái)功能及資源，提供開放的工業(yè) APP 開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)工業(yè) APP 創(chuàng)新應(yīng)用。在制造行業(yè)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是新型制造系統(tǒng)的數(shù)字化神經(jīng)

33、中樞，在制造企業(yè)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮核心支撐作用。數(shù)字孿生推動(dòng)力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)的交互共融。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互連，并通過邊緣計(jì)算有效地解決物理實(shí)體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。物理實(shí)體通過傳感層將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳遞到應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后傳遞到虛擬模型中。同樣在虛擬模型中的仿真結(jié)果也逆向反饋到物理實(shí)體，通過網(wǎng)絡(luò)層中數(shù)據(jù)快速傳遞能力、結(jié)合計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，最后實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)體和虛擬模型的實(shí)時(shí)同步。此外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“萬(wàn)物互聯(lián)”不僅注重物理實(shí)體的互聯(lián)互通，也包括物理信息空間的深度融合，這與數(shù)字孿生

34、系統(tǒng)的虛實(shí)融合相契合，即數(shù)字孿生系統(tǒng)最終功能的實(shí)現(xiàn)依賴于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支持下構(gòu)建的數(shù)據(jù)平臺(tái)，并進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與推廣。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)施的基礎(chǔ)平臺(tái)。數(shù)字孿生系統(tǒng)涉及大量的模型和數(shù)據(jù)的管理與處理，包括模型訓(xùn)練、數(shù)據(jù)處理、模型和數(shù)據(jù)的分發(fā)等工作，都需要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)來(lái)提供支數(shù)字孿生推動(dòng)力大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)是信息技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算等信息技術(shù)的不斷發(fā)展和深入應(yīng)用，產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)。2013年，維克托爾耶舍恩伯格在大數(shù)據(jù)時(shí)代:生活、工作與思維的大變革一書中指出，大數(shù)據(jù)帶來(lái)的信息風(fēng)暴正在變革我們的生活、工作和思維，大數(shù)據(jù)開啟了一次重大的時(shí)代轉(zhuǎn)型。研究機(jī)構(gòu)Gartne

35、r給出了這樣的定義：“大數(shù)據(jù)”是需要新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力來(lái)適應(yīng)海量、高增長(zhǎng)率和多樣化的信息資產(chǎn)。大數(shù)據(jù)具有4個(gè)典型的特征：Volume（數(shù)據(jù)量大），Velocity（速度快），Variety（數(shù)據(jù)種類繁多），Value（數(shù)據(jù)價(jià)值大）：第一，數(shù)據(jù)體量巨大，所需要處理的數(shù)據(jù)從Petabyte級(jí)別到Exabyte級(jí)別，甚至是Zettabyte級(jí)別；第二，數(shù)據(jù)增長(zhǎng)速度快，對(duì)數(shù)據(jù)處理速度也要求快。當(dāng)今社會(huì)，每時(shí)每刻都有大量數(shù)據(jù)被獲取和存儲(chǔ)。同時(shí)，只有快速處理才能有效利用其價(jià)值；第三，數(shù)據(jù)類型繁多，包括文字、 圖像、 視頻、 地理位置信息等，涵蓋結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)

36、化數(shù)據(jù)；第四，價(jià)值密度較低，但商用價(jià)值大。表面上看很多數(shù)據(jù)沒有價(jià)值，但是通過大量數(shù)據(jù)的整合處理，可以挖掘出整體蘊(yùn)藏著的巨大價(jià)值。數(shù)字孿生推動(dòng)力大數(shù)據(jù)：工業(yè)大數(shù)據(jù)大量工業(yè)設(shè)備在其運(yùn)行過程中，通過傳感器、控制器等采集和處理了大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被有效地存儲(chǔ)起來(lái)，形成了工業(yè)大數(shù)據(jù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)作為對(duì)工業(yè)相關(guān)要素的數(shù)字化描述和在信息空間的映像，也符合大數(shù)據(jù)的4V特征，相對(duì)于其他類型大數(shù)據(jù)，工業(yè)大數(shù)據(jù)還具有反映工業(yè)邏輯的多模態(tài)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、高吞吐量等新特征。多模態(tài)是指工業(yè)大數(shù)據(jù)反映工業(yè)系統(tǒng)多方面特征及其各方面要素，涉及工業(yè)領(lǐng)域中“光、機(jī)、電、液、氣”等多學(xué)科、多專業(yè)信息化軟件產(chǎn)生的不同種類的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)

37、據(jù)。強(qiáng)關(guān)聯(lián)反映的是工業(yè)的系統(tǒng)性及其復(fù)雜動(dòng)態(tài)關(guān)系，包括兩個(gè)方面，一個(gè)是工業(yè)系統(tǒng)加工處理對(duì)象和工業(yè)系統(tǒng)本身的關(guān)聯(lián)，一個(gè)產(chǎn)品在加工過程會(huì)和工業(yè)系統(tǒng)發(fā)生關(guān)聯(lián)，而由于產(chǎn)品組成復(fù)雜，組成產(chǎn)品的零件、部件和組件會(huì)和多個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)；另外一方面是指工業(yè)大數(shù)據(jù)會(huì)有明顯的時(shí)效性，有時(shí)間序列關(guān)聯(lián)，通過時(shí)間戳把多個(gè)傳感器、多維度的感知數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，綜合反應(yīng)工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)。高吞吐量即工業(yè)傳感器要求瞬時(shí)寫入超大規(guī)模數(shù)據(jù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)來(lái)自傳感器和工業(yè)軟件，要滿足實(shí)時(shí)感知，其監(jiān)控頻率高，會(huì)高速產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生推動(dòng)力大數(shù)據(jù)：大數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生數(shù)字孿生的特點(diǎn)是“模型+數(shù)據(jù)”，其區(qū)別于傳統(tǒng)的仿真或者數(shù)字樣機(jī)，就在于結(jié)合模型，數(shù)

38、字孿生體能利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，有效對(duì)物理實(shí)體運(yùn)行所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和治理。大數(shù)據(jù)采集和處理是數(shù)字孿生體能同步反映物理實(shí)體的基本要求。另外，數(shù)字孿生體能進(jìn)行仿真和預(yù)測(cè)，需要對(duì)孿生體運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行同步建模，這也需要采集物理實(shí)體運(yùn)行過程的環(huán)境數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)構(gòu)建虛擬環(huán)境，提高模型運(yùn)行的真實(shí)性。數(shù)字孿生應(yīng)用中的監(jiān)控、分析和預(yù)測(cè)功能，也離不開大數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)。數(shù)字孿生推動(dòng)力云計(jì)算云計(jì)算，是一種將計(jì)算資源變成按需可用的公共資源的計(jì)算模式。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)學(xué)院對(duì)云計(jì)算的定義是：云計(jì)算是一種能夠通過網(wǎng)絡(luò)以便利的、按需付費(fèi)的方式獲取計(jì)算資源（包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用和服務(wù)）并提高其可用性的

39、模式，這些資源來(lái)自一個(gè)共享的、可配置的資源池，并能以最省力和無(wú)人干預(yù)的方式獲取和釋放。云計(jì)算服務(wù)分成基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Iaas）、平臺(tái)即服務(wù)（Paas）和軟件即服務(wù)（Saas）三類?；A(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a service，IaaS），就是將計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)資源作為一種虛擬化資源，供用戶按需使用。平臺(tái)即服務(wù)（Plantform as a service，PaaS），是將平臺(tái)資源作為可以訂購(gòu)的服務(wù)資源，供用戶使用。軟件即服務(wù)（Software as a service， SaaS）將軟件作為一種可以訂閱的服務(wù)提供給用戶。數(shù)字孿生推動(dòng)力云計(jì)算：云

40、計(jì)算與數(shù)字孿生基于數(shù)字孿生的智能系統(tǒng)中存在著海量、大規(guī)模、多源異構(gòu)的基礎(chǔ)靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、服務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的優(yōu)化數(shù)據(jù)、歷史可追溯/可回放數(shù)據(jù)等，對(duì)系統(tǒng)的算力提出了較高的要求，簡(jiǎn)單地通過堆疊系統(tǒng)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)算力的擴(kuò)展往往不能滿足實(shí)際的性能需求。云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算等的進(jìn)一步發(fā)展，由于其合理高效且易于大范圍部署、可大批量處理等優(yōu)勢(shì)，而逐漸運(yùn)用在數(shù)字孿生的各個(gè)場(chǎng)景中。此外，基于云計(jì)算提供的云服務(wù)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中化處理、存儲(chǔ)與共享，便于數(shù)字孿生系統(tǒng)中的上下游供應(yīng)商的高效協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全方位透明化管理。云平臺(tái)也是開展數(shù)字孿生應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺(tái)。數(shù)字孿生推動(dòng)力3R（

41、VR/AR/MR）：VR“虛擬現(xiàn)實(shí)”（virtual reality，簡(jiǎn)稱VR）是1989年美國(guó)的JLanier（后來(lái)曾是專做VR產(chǎn)品的VPL公司董事長(zhǎng)）提出的，所謂“虛擬現(xiàn)實(shí)”，是用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。國(guó)內(nèi)也有人譯為“靈境”、“幻真”等，國(guó)外與虛擬現(xiàn)實(shí)同類的術(shù)語(yǔ)，還有虛擬環(huán)境、人工現(xiàn)實(shí)、“元宇宙”等。數(shù)字孿生推動(dòng)力3R（VR/AR/MR）：VR的特征多感知性(Multi-Sensory)所謂多感知是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、

42、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)等幾種。 沉浸感(Immersion)Immersion又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動(dòng)起來(lái)是真的，甚至聞起來(lái)、嘗起來(lái)等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺一樣。交互性(Interactivity)指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作

43、程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實(shí)時(shí)性)。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)有手握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。構(gòu)想性(Imagination)強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。 數(shù)字孿生推動(dòng)力3R（VR/AR/MR）：AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）能有效地將虛擬場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景融合起來(lái)并對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景進(jìn)行增強(qiáng)，進(jìn)而將其通過顯示器、投影儀、可穿戴頭盔等工具呈現(xiàn)給用戶，完成物理、虛擬

44、世界的實(shí)時(shí)交互，有效提升用戶的感知和信息交流能力。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)要求真實(shí)、虛擬環(huán)境實(shí)時(shí)交互、有機(jī)融合，并且能在現(xiàn)實(shí)世界中精準(zhǔn)呈現(xiàn)虛擬物體，這與數(shù)字孿生技術(shù)中物理實(shí)體與鏡像模型互聯(lián)互通、虛實(shí)融合、以虛控實(shí)的特點(diǎn)高度契合，因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)字孿生中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的“增強(qiáng)”含義，有三個(gè)重要因素：現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界雙方信息都可被利用；上述信息可實(shí)時(shí)且交互利用；虛擬信息以三維的形式對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界。數(shù)字孿生推動(dòng)力3R（VR/AR/MR）：MR混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用

45、戶體驗(yàn)的真實(shí)感。MR 的主要特點(diǎn)在于空間掃描定位與實(shí)時(shí)運(yùn)行的能力，它可以將虛擬對(duì)象合并在真實(shí)的空間中，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛實(shí)融合的可視化環(huán)境。MR 是由數(shù)字世界和物理世界融合而成，這兩個(gè)世界共同定義了稱為虛擬連續(xù)體頻譜的兩個(gè)極端。左邊定義為物理現(xiàn)實(shí)，圖右定義為數(shù)字現(xiàn)實(shí)，在物理世界中疊加圖形、視頻流或全息影像的體驗(yàn)稱為“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”。 遮擋視線以呈現(xiàn)全沉浸式數(shù)字體驗(yàn)的體驗(yàn)是“虛擬現(xiàn)實(shí)”。 在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)之間實(shí)現(xiàn)的體驗(yàn)形成了“混合現(xiàn)實(shí)”，通過它可以：在物理世界中放置一個(gè)數(shù)字對(duì)象（如全息影像），就如同它真實(shí)存在一樣。在物理世界中以個(gè)人的數(shù)字形式（虛擬形象）出現(xiàn)，以在不同的時(shí)間點(diǎn)與他人異

46、步協(xié)作。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，物理邊界（如墻壁和家具）以數(shù)字形式出現(xiàn)在體驗(yàn)中，幫助用戶避開物理障礙物。數(shù)字孿生推動(dòng)力3R（VR/AR/MR）：VR/AR/MR的場(chǎng)景如果一切事物都是虛擬的則屬于 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）范疇如果展現(xiàn)出來(lái)的虛擬信息只能簡(jiǎn)單疊加在現(xiàn)實(shí)事物上，模型和實(shí)景沒有交互，模型不能修改實(shí)體景象，則屬于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）范疇混合現(xiàn)實(shí)（MR）的關(guān)鍵點(diǎn)就是與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互和信息的及時(shí)獲取，在MR環(huán)境中，實(shí)時(shí)的物體會(huì)被“數(shù)字化”，實(shí)時(shí)形成數(shù)字空間的模型，這樣和原有的數(shù)字空間的虛擬模型可以進(jìn)行交互，并且可以在數(shù)字空間中被改變。下圖中，與AR場(chǎng)景相比，MR場(chǎng)景中的工具出現(xiàn)在機(jī)械手臂的后面，可以體現(xiàn)出實(shí)際場(chǎng)

47、景（機(jī)器人）和模型的遮擋功能。數(shù)字孿生推動(dòng)力3R（VR/AR/MR）：3R和數(shù)字孿生的關(guān)系基于數(shù)字孿生的智能系統(tǒng)構(gòu)建了物理實(shí)體的高擬實(shí)性虛擬模型，提供了海量逼真的虛擬場(chǎng)景/模型/數(shù)據(jù)來(lái)源、高實(shí)時(shí)性和可靠的數(shù)據(jù)傳輸手段并定義了智能系統(tǒng)的新范式及新應(yīng)用，VR/AR/MR技術(shù)及智能硬件則依靠三維注冊(cè)技術(shù)、虛實(shí)融合顯示技術(shù)與新興的智能交互技術(shù)以全新、超現(xiàn)實(shí)、更高層次的可視化呈現(xiàn)形式。VR/AR/MR技術(shù)為用戶提供包含視覺、聽覺、觸覺等多感官的體驗(yàn)，形成真實(shí)世界中無(wú)法親身經(jīng)歷的沉浸式體驗(yàn)，便于用戶及時(shí)、準(zhǔn)確、全方位地獲取目標(biāo)系統(tǒng)的基本原理與構(gòu)造、運(yùn)轉(zhuǎn)情況、變化趨勢(shì)等多方位信息，幫助用戶更好地進(jìn)行系統(tǒng)決策

48、，最終以一種啟發(fā)式的方式以改進(jìn)系統(tǒng)性能，激發(fā)創(chuàng)造靈感，將各類應(yīng)用往更加智能化、個(gè)性化、快速化、靈活化的方向發(fā)展。數(shù)字孿生推動(dòng)力數(shù)字主線數(shù)字主線是一種可擴(kuò)展、可配置的企業(yè)級(jí)分析框架，提供訪問、綜合并分析系統(tǒng)生命周期各階段數(shù)據(jù)的能力，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)商、制造商、供應(yīng)商、運(yùn)行維護(hù)服務(wù)商和用戶能夠基于高逼真度的系統(tǒng)模型，充分利用各類技術(shù)數(shù)據(jù)、信息和工程知識(shí)的無(wú)縫交互與集成分析，完成對(duì)項(xiàng)目成本、進(jìn)度、性能和風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)分析與動(dòng)態(tài)評(píng)估。數(shù)字主線圍繞復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期管理需求，實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)過程中數(shù)據(jù)、流程及分析的結(jié)構(gòu)化分類管理，形成貫穿全生命周期的流程、模型、分析方法及應(yīng)用工具，連接產(chǎn)品全生命周期各階段孤立功能視圖形

49、成一個(gè)集成視圖。數(shù)字孿生推動(dòng)力數(shù)字主線：數(shù)字主線的特點(diǎn)統(tǒng)一的數(shù)字模型。在數(shù)字主線中，所有環(huán)節(jié)都能為信息完整、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范的、語(yǔ)義化的數(shù)字化模型所表述，可以被相應(yīng)的數(shù)字系統(tǒng)讀取和理解。數(shù)字主線采用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）分析框架，通過先進(jìn)的建模與仿真工具建立一種技術(shù)流程。雙向流動(dòng)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，是“設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)使用”這一模式，數(shù)據(jù)是單向傳遞。數(shù)據(jù)主線基于全生命周期內(nèi)形成的狀態(tài)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)一致的模型，各環(huán)節(jié)都能夠及時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的雙向同步和溝通，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)虛擬綜合數(shù)字制造物理制造使用維護(hù)”各個(gè)階段數(shù)據(jù)的共享和反饋，為數(shù)字孿生應(yīng)用提供基礎(chǔ)。新興信息技術(shù)的支持。數(shù)字主線充分利用高速發(fā)展的信息技術(shù)如非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)模型、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，基于產(chǎn)品通用數(shù)據(jù)庫(kù)和物理模型，采用統(tǒng)一、快速、標(biāo)準(zhǔn)、泛在的通信和交互方式，實(shí)現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)的快速傳遞。數(shù)字主線是設(shè)計(jì)商、制造商、供應(yīng)