數(shù)字孿生成熟度模型

陶飛，張辰源，戚慶林，張賀

北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院

01摘要

數(shù)字孿生作為一種實(shí)現(xiàn)信息物理融合，促進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化提升的有效手段，受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府部門的廣泛關(guān)注。然而，在數(shù)字孿生研究和落地應(yīng)用過程中，存在以下疑惑和問題：①如何判斷是不是數(shù)字孿生？②如何評(píng)判現(xiàn)有數(shù)字孿生能否滿足應(yīng)用需求？③若不滿足應(yīng)用需求如何優(yōu)化提升？為解決上述問題，基于團(tuán)隊(duì)數(shù)字孿生前期研究基礎(chǔ)，本文研究提出了一套數(shù)字孿生成熟度模型，將數(shù)字孿生成熟度分為“以虛仿實(shí)（L0）、以虛映實(shí)（L1）、以虛控實(shí)（L2）、以虛預(yù)實(shí)（L3）、以虛優(yōu)實(shí)（L4）、虛實(shí)共生（L5）”六個(gè)等級(jí)。為便于不同數(shù)字孿生實(shí)際應(yīng)用的成熟度評(píng)價(jià)操作，基于作者團(tuán)隊(duì)前期提出的數(shù)字孿生五維模型，從五個(gè)維度提出了十九項(xiàng)數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)因子，并設(shè)計(jì)了一套數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)應(yīng)用流程。最后分別面向單元級(jí)數(shù)字孿生（如機(jī)器人）和系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生（如車間）開展了數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)應(yīng)用，驗(yàn)證了本文所提出方法的可用性和有效性。數(shù)字孿生當(dāng)前還處于應(yīng)用的初級(jí)階段，期望本文相關(guān)工作能為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)數(shù)字孿生，開展數(shù)字孿生學(xué)術(shù)研究和交流，推廣落地應(yīng)用提供一些參考。

02文章主要工作

1、數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)需求分析

數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)信息物理融合的有效手段，受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、政府部門和相關(guān)領(lǐng)域人士的廣泛關(guān)注與高度重視。近年來，作者團(tuán)隊(duì)圍繞數(shù)字孿生五維模型、數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論、數(shù)字孿生多尺度建模方法、數(shù)字孿生模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生服務(wù)、數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)字孿生使能技術(shù)與工具等開展了探索性理論研究工作, 并聚焦數(shù)字孿生車間、數(shù)字孿生裝備、數(shù)字孿生衛(wèi)星等開展了一系列應(yīng)用實(shí)踐工作。然而，在與國內(nèi)外學(xué)者、政府部門和相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)交流探討的過程中，發(fā)現(xiàn)存在以下共性疑問和困惑：

（1）如何判斷是不是數(shù)字孿生？

（2）如何評(píng)判現(xiàn)有數(shù)字孿生能否滿足應(yīng)用需求？（3）若不滿足應(yīng)用需求如何優(yōu)化提升？

上述問題可歸結(jié)為缺少針對(duì)數(shù)字孿生范疇和發(fā)展階段的系統(tǒng)性描述和評(píng)價(jià)方法，而成熟度模型是對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的概念范疇、發(fā)展過程和階段性目標(biāo)的系統(tǒng)性描述，同時(shí)，它還具有評(píng)價(jià)目標(biāo)系統(tǒng)現(xiàn)階段發(fā)展水平和能力程度的功能。因此，本文從落地應(yīng)用的角度出發(fā)，研究提出了一套數(shù)字孿生成熟度模型，并設(shè)計(jì)了一套數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)應(yīng)用流程。

2、數(shù)字孿生成熟度等級(jí)

統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)有數(shù)字孿生相關(guān)理論研究和應(yīng)用實(shí)踐，依據(jù)其功能和用途主要可分為以下幾類：①基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體設(shè)計(jì)驗(yàn)證與等效分析；②基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體運(yùn)行過程可視化監(jiān)測；③基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體遠(yuǎn)程運(yùn)維管控；④基于數(shù)字孿生的診斷與預(yù)測；⑤基于數(shù)字孿生的智能決策和優(yōu)化；⑥基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體全生命周期跟蹤、回溯與管理。通過對(duì)上述各類數(shù)字孿生研究和應(yīng)用進(jìn)行共性分析發(fā)現(xiàn)，物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型和兩者間的連接與交互組成了數(shù)字孿生的“最小概念”。在此基礎(chǔ)上，基于作者團(tuán)隊(duì)前期提出的數(shù)字孿生五維模型，從物理實(shí)體（PE）、數(shù)字孿生模型（DM）、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)（DD）、連接交互（CI）和功能服務(wù)（FS）五個(gè)維度出發(fā)，根據(jù)連接交互方式與自動(dòng)化程度的不同，以數(shù)字孿生所能提供的功能服務(wù)為主線，將數(shù)字孿生分為六個(gè)成熟度等級(jí)，如圖1所示。其中，物理空間中的物理實(shí)體與信息空間中的數(shù)字孿生模型通過兩者間的連接進(jìn)行交互，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)則蘊(yùn)含數(shù)字孿生的所有信息，貫穿當(dāng)前-未來、物理空間-信息空間、物理實(shí)體-數(shù)字孿生模型-連接交互-功能服務(wù)。此外，圖1中的物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、連接交互和功能服務(wù)在數(shù)字孿生的各成熟度等級(jí)具有不同等級(jí)的能力程度，但由于圖片的信息容量有限，圖1沒有對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)展開和具體描述，該部分內(nèi)容將在第三章進(jìn)行展開。

圖1 數(shù)字孿生成熟度等級(jí)

2.1 零級(jí)（L0）：以虛仿實(shí) 以虛仿實(shí)指利用數(shù)字孿生模型對(duì)物理實(shí)體描述和刻畫，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第零等級(jí)（L0），滿足此要求的實(shí)踐和應(yīng)用可歸入廣義數(shù)字孿生的概念范疇。在該等級(jí)，數(shù)字孿生模型從幾何、物理、行為和規(guī)則某個(gè)或多個(gè)維度對(duì)物理實(shí)體單方面或多方面的屬性和特征進(jìn)行描述，從而能夠在一定程度上代替物理實(shí)體進(jìn)行仿真分析或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證，但數(shù)字孿生模型與物理實(shí)體之間無法通過直接的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，主要依賴人的介入實(shí)現(xiàn)間接的虛實(shí)交互，包括對(duì)物理實(shí)體的控制和對(duì)數(shù)字孿生模型的控制與更新等。

2.2 一級(jí)（L1）：以虛映實(shí) 以虛映實(shí)指利用數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)和變化過程，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第一等級(jí)（L1）。在該等級(jí)，數(shù)字孿生模型由真實(shí)且具有時(shí)效性的物理實(shí)體相關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，同步直觀呈現(xiàn)與物理實(shí)體相同的運(yùn)行狀態(tài)和過程，輸出與物理實(shí)體運(yùn)行相同的結(jié)果，從而在一定程度上突破時(shí)間、空間和環(huán)境約束對(duì)于物理實(shí)體監(jiān)測過程的限制，但對(duì)于物理實(shí)體的操作和管控依舊依賴現(xiàn)場人員的直接介入，仍無法實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的遠(yuǎn)程可視化操控。

2.3 二級(jí)（L2）：以虛控實(shí) 以虛控實(shí)指利用數(shù)字孿生模型間接控制物理實(shí)體的運(yùn)行過程，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第二等級(jí)（L2）。在該等級(jí)，信息空間中的數(shù)字孿生模型已具有相對(duì)完整的運(yùn)動(dòng)和控制邏輯，能夠接受輸入指令在信息空間中實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的運(yùn)行過程。同時(shí)，在以虛映實(shí)的基礎(chǔ)上，增量建設(shè)由數(shù)字孿生模型到物理實(shí)體的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)實(shí)時(shí)雙向閉環(huán)交互，從而賦予物理實(shí)體遠(yuǎn)程可視化操控的能力，進(jìn)一步突破空間和環(huán)境約束對(duì)于物理實(shí)體操控的限制。盡管這種控制并不一定是智能的或優(yōu)化的，但仍可大幅提高物理實(shí)體的管控效率。

2.4 三級(jí)（L3）：以虛預(yù)實(shí) 以虛預(yù)實(shí)指利用數(shù)字孿生模型預(yù)測物理實(shí)體未來一段時(shí)間的運(yùn)行過程和狀態(tài)，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第三等級(jí)（L3）。在該等級(jí)，數(shù)字孿生模型能夠基于與物理實(shí)體的實(shí)時(shí)雙向閉環(huán)交互，動(dòng)態(tài)反映物理實(shí)體當(dāng)前的實(shí)際狀態(tài)，并通過合理利用數(shù)字孿生模型所描述的顯性機(jī)理和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的隱性規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體未來運(yùn)行過程的在線預(yù)演和對(duì)運(yùn)行結(jié)果的推測，從而在一定程度上將未知轉(zhuǎn)化為預(yù)知，將突發(fā)和偶發(fā)問題轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)問題。

2.5 四級(jí)（L4）：以虛優(yōu)實(shí) 以虛優(yōu)實(shí)指利用數(shù)字孿生模型對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行優(yōu)化，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第四等級(jí)（L4）。在該等級(jí)，數(shù)字孿生不僅能夠基于數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)反映物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合數(shù)字孿生數(shù)據(jù)預(yù)測物理實(shí)體的未來發(fā)展，還能夠在此基礎(chǔ)上，利用策略、算法和前期積累沉淀的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)具有時(shí)效性的智能決策和優(yōu)化，并基于實(shí)時(shí)交互機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的智能管控。

2.6 五級(jí)（L5）：虛實(shí)共生 虛實(shí)共生作為數(shù)字孿生的理想目標(biāo)，指物理實(shí)體和數(shù)字孿生模型在長時(shí)間的同步運(yùn)行，甚至是在全生命周期中通過動(dòng)態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)自主孿生，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第五等級(jí)（L5）。在該等級(jí)，物理實(shí)體和數(shù)字孿生模型能夠基于雙向交互實(shí)時(shí)感知和認(rèn)知對(duì)方的更新內(nèi)容，并基于兩者間的差異，利用3D打印、機(jī)器人、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和數(shù)字孿生模型的自主構(gòu)建或動(dòng)態(tài)重構(gòu)，使兩者在長時(shí)間的運(yùn)行過程中保持動(dòng)態(tài)一致性，從而保證包括可視化、預(yù)測、決策、優(yōu)化等諸多功能服務(wù)的有效性，實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、可持續(xù)的數(shù)字孿生。

3、數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)因子

數(shù)字孿生成熟度等級(jí)從宏觀角度描述了數(shù)字孿生的概念范疇和階梯目標(biāo)，以及由各階段目標(biāo)串聯(lián)而成的數(shù)字孿生演進(jìn)路徑。為實(shí)現(xiàn)可操作的數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)，從物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、連接交互和功能服務(wù)五個(gè)維度，進(jìn)一步分析得到能夠影響數(shù)字孿生成熟度等級(jí)的十九個(gè)相關(guān)因素，將其作為評(píng)價(jià)因子進(jìn)行成熟度分級(jí)，并明確數(shù)字孿生各成熟度等級(jí)對(duì)于評(píng)價(jià)因子成熟度等級(jí)的具體要求，如表1至表6所示。

表1?數(shù)字孿生各成熟度等級(jí)要求

表2 物理實(shí)體維度的評(píng)價(jià)因子

表3 數(shù)字孿生模型維度的評(píng)價(jià)因子

表4 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)維度的評(píng)價(jià)因子

表5 連接交互維度的評(píng)價(jià)因子

表6 功能服務(wù)維度的評(píng)價(jià)因子

4、數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程

上述數(shù)字孿生成熟度等級(jí)和數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)因子構(gòu)成了數(shù)字孿生成熟度模型，如圖2所示。其中，數(shù)字孿生成熟度等級(jí)系統(tǒng)性描述了數(shù)字孿生的概念范疇和階段性目標(biāo)，以及數(shù)字孿生在各個(gè)發(fā)展階段所具有的能力特征，而數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)因子則從物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、連接交互和功能服務(wù)五個(gè)細(xì)分維度，分別梳理了不同成熟度等級(jí)的數(shù)字孿生所需要具備的不同程度的能力，為可操作的數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

圖2?數(shù)字孿生成熟度模型構(gòu)成

數(shù)字孿生成熟度模型主要用途是對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用進(jìn)行成熟度評(píng)價(jià)，確定當(dāng)前數(shù)字孿生應(yīng)用整體的成熟度等級(jí)和成熟度評(píng)分，以及各維度評(píng)價(jià)因子的成熟度等級(jí)，從而明確該應(yīng)用目前的短板，進(jìn)而基于短板提供具有針對(duì)性的數(shù)字孿生優(yōu)化建議。基于此，本文提出由評(píng)價(jià)、分析和優(yōu)化三階段構(gòu)成的數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程，如圖3所示。其中，數(shù)字孿生模型成熟度模型主要參與確定數(shù)字孿生成熟度等級(jí)與評(píng)分、確定短板和提供優(yōu)化建議三個(gè)環(huán)節(jié)。

圖3 數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程

5、應(yīng)用案例

為驗(yàn)證本文提出的數(shù)字孿生成熟度模型及其應(yīng)用流程，分別對(duì)單元級(jí)數(shù)字孿生（數(shù)字孿生機(jī)器人）和系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生（數(shù)字孿生車間）進(jìn)行成熟度評(píng)價(jià)，分別如圖4和圖5所示。其中，對(duì)單元級(jí)數(shù)字孿生的成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果用于指導(dǎo)其升級(jí)優(yōu)化，對(duì)系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生的成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果用于比較兩個(gè)數(shù)字孿生車間的發(fā)展程度。

圖4 數(shù)字孿生機(jī)器人成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5?數(shù)字孿生車間A和數(shù)字孿生車間B的成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果

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