数字孪生连接交互理论与关键技术_陶飞.pdf

书书书第 卷第期计算机集成制造系统 年月 ：收稿日期：；修订日期：。；基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）。：，（，）数字孪生连接交互理论与关键技术陶飞，马昕，戚庆林，刘蔚然，张贺，张辰源（北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 ；北京航空航天大学 国际交叉科学研究院数字孪生国际研究中心，北京 ；北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 ）摘要：数字孪生作为实现信息物理融合的重要使能技术，备受各行各业广泛关注。基于虚实交互和数模驱动，数字孪生能满足仿真（以虚映实）、控制（以虚控实）、预测（以虚预实）、优化（以虚优实）等应用服务需求，其中连接与交互是实现数字孪生动态运行和虚实空间高效融合的核心关键。针对数字孪生连接交互如何理解与实现的问题，首先从内外两层阐述了数字孪生连接交互内涵，进而提出“准确实时一致安全可靠”连接交互准则。在此基础上，从“感知通信映射联动融合”五方面探索建立了一套数字孪生连接交互理论体系，分析了数字孪生连接交互关键技术。基于数字孪生连接交互理论与方法研究，结合笔者前期在物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据和服务的相关研究工作基础，进一步探究并丰富了数字孪生五维模型理论体系，以期为数字孪生的理论研究和应用落地提供系列理论和方法参考。关键词：数字孪生；连接；虚实交互；虚实映射；数模联动；交互融合中图分类号：文献标识码：，（，；，；，）：，：；计算机集成制造系统第 卷数字孪生连接交互需求随着科学技术的不断进步，数字化转型、智能化升级对物理世界与虚拟世界交互融合的需求日益迫切。人们希望借助科技创新促进虚实空间的互动融合，实现人类智慧和社会发展的互惠共赢。在此背景下，数字孪生应运而生，为虚实空间的交互与融合注入新活力。数字孪生由物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据、服务及上述四部分间的连接与交互组成。基于连接与交互，数模驱动的数字孪生能描述物理实体的属性特征、分析物理实体的行为规则、预测物理实体的未来状态，进而实现对物理实体的状态监测、运行维护、决策优化等功能服务。通过虚实信息的交互迭代，物理空间与虚拟空间彼此丰富、融 合、完 善，最 终 实 现 虚 实 共 生、数 模共荣。连接与交互是数字孪生的重要组成部分之一，其主要功能是实现数字孪生虚实要素间的数据传输与信息交换，同时不同数字孪生间、数字孪生与人及与环境间也需连接与交互实现数据传输。作为数字孪生的“血管”和“脉搏”，连接与交互搭建了信息交流共享的桥梁与纽带，为数字孪生模型动态更新、物理实体实时控制、决策方案在线优化运送“数据养分”，从而打破信息孤岛，加速信息共享与融合。通过信息交互，数字孪生能实现物理空间的状态预测、优化和控制，在一定程度上体现了数字孪生与传统仿真的区别与差异。在数字孪生的应用与实践过程中，为实现模型动态高精、数据实时交互、服务数模驱动等理想特征，经研究分析发现数字孪生连接交互存在以下新需求与新挑战。（）多方位互感物理世界是数字孪生建设与应用的出发点，为保障数字孪生能全面精准获取物理空间数据、感知物理对象状态及环境变化，需借助各类传感器技术实现：“全域全时全态”多尺度感知，获取感知对象的全物理域、全时间、全状态数据，保障物理世界时空信息的全面、实时覆盖；“语义图像空间”多模态感知，获取感知对象的多类型数据，实现物理空间的协同感知及综合理解；“端边云”多层次感知，保证感知数据的快速处理与分析，促进物理状态的实时感知。因此，为保障数字孪生全面、实时、精准感知物理世界状态变化，需建立覆盖全时空的综合感知体系，实现物理信息的多方位互感。（）全要素互联连接是要素间信息交流的桥梁，为避免出现由于信息不全面、不流通、不一致造成模型不精、数据不准、服务不优，需搭建：“虚实”要素连接，包括数字孪生内部及不同数字孪生间虚实要素的连接，一则完整刻画物理实体的静态特征及动态响应，并支持对物理实体的实时调控，二则加强信息、资源、能力的交流与共享，促进跨时空跨平台的协作；“虚虚”要素连接，涵盖数字孪生模型、数字孪生数据、服务等虚拟要素，从而支持物理实体的进一步分析、预测与优化，实现灵活控制与高效管理；“实实”要素连接，覆盖“人、机、料、法、环”多物理要素，以精准理解物理实体的协作能力及关系，进而实现协同合作。因此，为保障数字孪生提供保真模型、精准数据、优质服务，需构建数字孪生连接交互网络，实现数字孪生的信息全面互联。（）高质量互通数据实时传输是数字孪生实现动态仿真、控制、预测、优化等功能的基础，为保障数字孪生各要素能及时准确获取所需信息，需实现：实时通信，建立海量感知数据的高并发处理与通信机制，为物理实体的实时分析与控制、数字孪生模型的动态仿真与更新演化、数字孪生数据的更新推理与融合、服务的动态决策与优化提供实时数据支持；可靠通信，为数字孪生各要素提供完整、准确、一致的数据支持，保障数字孪生高效稳定运行；安全通信，提供安全可用的通信协议和交互机制，保证通信数据机密完整、交互对象安全可靠。因此，为保障数字孪生要素间可靠通信，需建立实时、可靠、安全的通信机制，实现高质量信息互通。（）多维度互融为实现虚实联动乃至共生，数字孪生还需考虑如何进一步实现交互融合：虚实融合，一方面感知物理实体的实时状态，并据此驱动数字孪生仿真与分析，达到虚实同步（从实到虚），另一方面将数字孪生提供的决策信息准确、实时传输给物理实体（从虚到实）；数模融合，一方面数字孪生数据可用于补充、修正、完善数字孪生模型，保障模型精准运行（以数强模），另一方面数字孪生模型可用于校验融合数据的准确性，提供精准数据分析（以模强数）；人机共融，通过人机智能的互促互进，使机器能准确理解人类需求与反应，同时具备智能感知和自主协同能力，从而实现人机密切合作、深度融合与和谐共生。因此，第期陶飞 等：数字孪生连接交互理论与关键技术为保障数字孪生具备融合智能，需满足虚实空间、模型数据、人机智能的交互融合需求，实现多维度互融。为满足上述需求，数字孪生连接交互亟需解决如下问题和挑战：何为连接交互，数字孪生连接交互的内涵是什么，包括哪些内容，具体有哪些要求？如何连接交互，数字孪生连接交互该怎样实施，有哪些相关技术？针对以上问题和挑战，在前期数字孪生模型构建理论体系、数字孪生数据理论体系、数字孪生车间、数字孪生卫星、数字孪生装备、数字孪生服务 等相关工作基础上，本文研究数字孪生连接交互需求与内涵，分析数字孪生连接交互准则，提出一套数字孪生连接交互理论体系，最后分析并总结数字孪生连接交互关键技术，为数字孪生的理论研究与落地应用提供理论和方法参考。数字孪生连接交互内涵为厘清数字孪生连接交互内涵，充分考虑数字孪生结构组成、应用场景、业务需求等多方面因素，从数字孪生五维模型架构出发，以单个物理对象构建的数字孪生为边界，从内部和外部两个层面阐述其连接交互内涵。如图所示，数字孪生内部连接交互涵盖同维度要素间连接交互和跨维度要素间连接交互，数字孪生外部连接交互既包括数字孪生间连接交互（涵盖人、机、物、环为对象构建的数字孪生间连接交互），又包括数字孪生与其他非数字孪生对象间连接交互，具体为数字孪生与人连接交互和数字孪生与环境连接交互。数字孪生内部连接交互剖析数字孪生的组成结构，其包括物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据、服务及连接交互。因此，数字孪生内部连接交互既需涵盖物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据和服务等不同维度要素间的连接交互，又需包括同一维度要素各组成单元间的连接交互。从交互对象的维度来看，内部连接交互分为 同 维 度 要 素 连 接交互 和 跨 维 度 要 素 连 接交互。同维连接交互：数字孪生同维度要素间连接交互同维连接交互为数字孪生同维度要素内部各单元间的连接交互，即物理实体间连接交互、数字孪生模型间连接交互、数字孪生数据间连接交互、服务间连接交互。（）物理实体间连接交互当物理实体内部单元难以独立满足业务需求时，往往需要借助其他实体单元的资源或能力，通过单元间的交互协作完成复杂业务。由于不同实体单元的运行机理、工作特性存在差异，实体单元交互时会产生一定耦合作用，进而导致实体单元的特性和能力发生变化。因此，需分析实体单元间的交互特性和耦合机理，建立时空耦合关系，进而实现实体单元间的能力共享与协同合作。（）数字孪生模型间连接交互为完整描述物理实体的形状结构、物理属性、行为响应、知识规则等多方面特性，数字孪生模型通常由表现上述特征的子模型组成。因此，通过数字孪生模型间连接，能够打破异构模型的孤立，实现子模型的动态耦合交互，从而完整表现数字孪生模型功能。由于数字孪生模型结构及特性各异，其连接交互内涵可从以下层面展开分析：从模型的功能维度来看，数字孪生模型间连接交互涵盖几何模型、物理模型、行为模型和规则模型等不同维度模型间连接交互，及每类模型内部各子模型间连接交互；从模型的学科领域来看，数字孪生模型间连接交互包括不同学科领域模型间的耦合交互，如“机械电气控制电磁”多领域模型的耦合；从模型的建模原理来看，数字孪生模型间连接交互包括机理模型与数据模型的连接交互，从而实现模型互补与融合。（）数字孪生数据间连接交互数字孪生数据包括来自物理实体、数字孪生模计算机集成制造系统第 卷型、服务的静态和动态数据，及专家知识、推理规则、时空关联关系等融合数据。由于多源数据的表示方式、生存周期、采集频率等特征不同，易导致异构数据难以交互和共享。因此，通过分析数字孪生数据的交互逻辑及流程，确立交互数据处理机制，实现数字孪生数据连接交互，从而打破数据壁垒造成的“信息孤岛”，满足多源、多维、异构、动态数字孪生数据的操作、通信与共享需求。从交互数据对象角度来看，数字孪生数据间连接交互涵盖物理实体数据、数字孪生模型数据、服务数据、专家知识、推理规则等不同数据对象间连接交互，以分析并描述数据间关联关系，生成融合信息与知识，最终为数字孪生提供高价值数据和信息资源。（）服务间连接交互由于单一服务通常针对具体需求提供特定资源、功能和属性，难以满足日益复杂的用户需求和高效服务质量要求。因此，需分析服务间耦合关联，建立通信机制和交互行为关联规则，实现数字孪生服务间交互与共享，从而降低服务的耦合性，支持服务的调用、组合及协作。服务间连接交互内涵可从以下方面展开分析：从服务的层次来看，涵盖基础功能、人机交互、运维管控、决策优化、集群协同与智能协作等服务间连接交互；从服务的面向对象来看，服务间连接交互既包括以数字孪生组成要素为对象的功能性服务间连接交互（如模型校验与修正、数据管理、物理实体控制等），又包含以不同需求人员为对象的业务性服务间连接交互（如虚拟调试、虚拟培训、远程运维等）。跨维连接交互：数字孪生不同维度要素间连接交互跨维连接交互是不同维度数字孪生组成要素间的连接交互，即物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据及服务间两两连接交互。根据数字孪生组成要素的虚实属性差异，物理实体与其他要素的交互属于虚实交互，数字孪生模型、数字孪生数据及服务间的交互属于虚虚交互。（）物理实体与数字孪生模型连接交互物理实体与数字孪生模型连接交互是数字孪生虚实交互的核心部分，实现数字孪生模型的动态描述及 物理 实 体 的 动 态 控 制。从 物 理 实 体 出发，获取并分析其静态动态数据，经数据处理后作为模型输入参数来驱动数字孪生模型运行，从而实现数字孪 生模 型 对物 理实 体 状 态 的 精 准 描述；从数字孪生模型出发，描述物理实体的运行机制及实时状态，将仿真分析结果转化为控制指令，并实时、准确传输给物理实体，实现对物理实体状态的动态调控。（）物理实体与数字孪生数据连接交互物理实体与数字孪生数据连接交互能支持物理实体数据的实时存储与分析，及对物理实体运行状态的调整优化。从物理实体出发，存储并分析物理实体的状态信息，不断积累更新经验知识，从而丰富数字孪生数据，以融合兼具时空属性的物理实体数据；从数字孪生数据出发，根据实时状态信息、历史运行信息、经验知识等形成决策信息并反馈给物理实体，以优化物理实体的运行状态。（）物理实体与服务连接交互物理实体与服务连接交互一是实现服务的更新与优化，二是