數(shù)字孿生成熟度模型

01

摘要

數(shù)字孿生作為一種實現(xiàn)信息物理融合，促進數(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，基于團隊數(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（L0）、以虛映實（L1）、以虛控實（L2）、以虛預實（L3）、以虛優(yōu)實（L4）、虛實共生（L5）”六個等級。為便于不同數(shù)字孿生實際應(yīng)用的成熟度評價操作，基于作者團隊前期提出的數(shù)字孿生五維模型，從五個維度提出了十九項數(shù)字孿生成熟度評價因子，并設(shè)計了一套數(shù)字孿生成熟度評價應(yīng)用流程。最后分別面向單元級數(shù)字孿生（如機器人）和系統(tǒng)級數(shù)字孿生（如車間）開展了數(shù)字孿生成熟度評價應(yīng)用，驗證了本文所提出方法的可用性和有效性。數(shù)字孿生當前還處于應(yīng)用的初級階段，期望本文相關(guān)工作能為進一步認識數(shù)字孿生，開展數(shù)字孿生學術(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)字孿生成熟度評價需求分析

數(shù)字孿生作為實現(xiàn)信息物理融合的有效手段，受到國內(nèi)外學術(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，作者團隊圍繞數(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)字孿生模型評價指標體系、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生服務(wù)、數(shù)字孿生標準體系、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)用實踐工作。然而，在與國內(nèi)外學者、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)為缺少針對數(shù)字孿生范疇和發(fā)展階段的系統(tǒng)性描述和評價方法，而成熟度模型是對目標系統(tǒng)的概念范疇、發(fā)展過程和階段性目標的系統(tǒng)性描述，同時，它還具有評價目標系統(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)計了一套數(shù)字孿生成熟度評價應(yīng)用流程。

2、數(shù)字孿生成熟度等級

統(tǒng)計分析現(xiàn)有數(shù)字孿生相關(guān)理論研究和應(yīng)用實踐，依據(jù)其功能和用途主要可分為以下幾類：①基于數(shù)字孿生的物理實體設(shè)計驗證與等效分析；②基于數(shù)字孿生的物理實體運行過程可視化監(jiān)測；③基于數(shù)字孿生的物理實體遠程運維管控；④基于數(shù)字孿生的診斷與預測；⑤基于數(shù)字孿生的智能決策和優(yōu)化；⑥基于數(shù)字孿生的物理實體全生命周期跟蹤、回溯與管理。通過對上述各類數(shù)字孿生研究和應(yīng)用進行共性分析發(fā)現(xiàn)，物理實體、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，基于作者團隊前期提出的數(shù)字孿生五維模型，從物理實體（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）五個維度出發(fā)，根據(jù)連接交互方式與自動化程度的不同，以數(shù)字孿生所能提供的功能服務(wù)為主線，將數(shù)字孿生分為六個成熟度等級，如圖1所示。其中，物理空間中的物理實體與信息空間中的數(shù)字孿生模型通過兩者間的連接進行交互，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)則蘊含數(shù)字孿生的所有信息，貫穿當前-未來、物理空間-信息空間、物理實體-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具有不同等級的能力程度，但由于圖片的信息容量有限，圖1沒有對其進行詳細展開和具體描述，該部分內(nèi)容將在第三章進行展開。

圖1 數(shù)字孿生成熟度等級

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

2.2 一級（L1）：以虛映實
以虛映實指利用數(shù)字孿生模型實時復現(xiàn)物理實體的實時狀態(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的第一等級（L1）。在該等級，數(shù)字孿生模型由真實且具有時效性的物理實體相關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動運行，同步直觀呈現(xiàn)與物理實體相同的運行狀態(tài)和過程，輸出與物理實體運行相同的結(jié)果，從而在一定程度上突破時間、空間和環(huán)境約束對于物理實體監(jiān)測過程的限制，但對于物理實體的操作和管控依舊依賴現(xiàn)場人員的直接介入，仍無法實現(xiàn)物理實體的遠程可視化操控。

2.3 二級（L2）：以虛控實
以虛控實指利用數(shù)字孿生模型間接控制物理實體的運行過程，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級的第二等級（L2）。在該等級，信息空間中的數(shù)字孿生模型已具有相對完整的運動和控制邏輯，能夠接受輸入指令在信息空間中實現(xiàn)較為復雜的運行過程。同時，在以虛映實的基礎(chǔ)上，增量建設(shè)由數(shù)字孿生模型到物理實體的數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)虛實實時雙向閉環(huán)交互，從而賦予物理實體遠程可視化操控的能力，進一步突破空間和環(huán)境約束對于物理實體操控的限制。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體的管控效率。

2.4 三級（L3）：以虛預實
以虛預實指利用數(shù)字孿生模型預測物理實體未來一段時間的運行過程和狀態(tài)，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級的第三等級（L3）。在該等級，數(shù)字孿生模型能夠基于與物理實體的實時雙向閉環(huán)交互，動態(tài)反映物理實體當前的實際狀態(tài)，并通過合理利用數(shù)字孿生模型所描述的顯性機理和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)所蘊含的隱性規(guī)律，實現(xiàn)對物理實體未來運行過程的在線預演和對運行結(jié)果的推測，從而在一定程度上將未知轉(zhuǎn)化為預知，將突發(fā)和偶發(fā)問題轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)問題。

2.5 四級（L4）：以虛優(yōu)實
以虛優(yōu)實指利用數(shù)字孿生模型對物理實體進行優(yōu)化，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級的第四等級（L4）。在該等級，數(shù)字孿生不僅能夠基于數(shù)字孿生模型實時反映物理實體的運行狀態(tài)，結(jié)合數(shù)字孿生數(shù)據(jù)預測物理實體的未來發(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，實現(xiàn)具有時效性的智能決策和優(yōu)化，并基于實時交互機制實現(xiàn)對物理實體的智能管控。

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

3、數(shù)字孿生成熟度評價因子

數(shù)字孿生成熟度等級從宏觀角度描述了數(shù)字孿生的概念范疇和階梯目標，以及由各階段目標串聯(lián)而成的數(shù)字孿生演進路徑。為實現(xiàn)可操作的數(shù)字孿生成熟度評價，從物理實體、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)五個維度，進一步分析得到能夠影響數(shù)字孿生成熟度等級的十九個相關(guān)因素，將其作為評價因子進行成熟度分級，并明確數(shù)字孿生各成熟度等級對于評價因子成熟度等級的具體要求，如表1至表6所示。

表1數(shù)字孿生各成熟度等級要求

表2 物理實體維度的評價因子

表3 數(shù)字孿生模型維度的評價因子

表4 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)維度的評價因子

表5 連接交互維度的評價因子

表6 功能服務(wù)維度的評價因子

4、數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程

上述數(shù)字孿生成熟度等級和數(shù)字孿生成熟度評價因子構(gòu)成了數(shù)字孿生成熟度模型，如圖2所示。其中，數(shù)字孿生成熟度等級系統(tǒng)性描述了數(shù)字孿生的概念范疇和階段性目標，以及數(shù)字孿生在各個發(fā)展階段所具有的能力特征，而數(shù)字孿生成熟度評價因子則從物理實體、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)五個細分維度，分別梳理了不同成熟度等級的數(shù)字孿生所需要具備的不同程度的能力，為可操作的數(shù)字孿生成熟度評價奠定了基礎(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數(shù)字孿生應(yīng)用進行成熟度評價，確定當前數(shù)字孿生應(yīng)用整體的成熟度等級和成熟度評分，以及各維度評價因子的成熟度等級，從而明確該應(yīng)用目前的短板，進而基于短板提供具有針對性的數(shù)字孿生優(yōu)化建議?；诖耍疚奶岢鲇稍u價、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)字孿生成熟度等級與評分、確定短板和提供優(yōu)化建議三個環(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，分別對單元級數(shù)字孿生（數(shù)字孿生機器人）和系統(tǒng)級數(shù)字孿生（數(shù)字孿生車間）進行成熟度評價，分別如圖4和圖5所示。其中，對單元級數(shù)字孿生的成熟度評價結(jié)果用于指導其升級優(yōu)化，對系統(tǒng)級數(shù)字孿生的成熟度評價結(jié)果用于比較兩個數(shù)字孿生車間的發(fā)展程度。

圖4 數(shù)字孿生機器人成熟度評價結(jié)果

圖5數(shù)字孿生車間A和數(shù)字孿生車間B的成熟度評價結(jié)果

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審核編輯 ：李倩