从数字孪生五维模型到“数字底座”

伴随我国逐步迈入工业4.0时代，数字孪生开始逐渐地进入理论实践相互促进，相互完善的阶段，今天我们就从陶飞教授 (北航) 的论文《数字孪生五维模型及十大领域应用》切入话题，看一看它发展出来的“数字底座”这个新技术。

在陶教授的论文中，将数字孪生分解成了五个维度：

数字孪生的五维度模型1：

MDT = (PE,VE,Ss,DD,CN)

其中 PE表示物理实体，VE表示虚拟实体，Ss表示服务，DD表示孪生数据，CN表示各组成部分之间的连接。

数字孪生5维模型

在我们尝试建立物理世界到数字虚拟世界的映射时，这个五维模型可以帮助我们在工程的进行中梳理各个子工程和工作任务之间的关系。

从物理实体PE映射到虚拟实体VE的过程中，我们可以分层次地梳理物理实体之间的关系。从Z小的建模单元，到整个需要进行数字孪生映射的复杂系统，梳理他们之间的关系可以为我们的工作提供工程化的依据。

数字孪生车间

以构建数字车间孪生体为例，从孪生场景对客户的价值出发，我们需要找到在数字孪生世界中对现实物理世界中物理实体建模的重点，这个依据会根据孪生场景的用途发生变化。

举例讲，如果我们的孪生应用主要关注车间的产出物，那么建模的Z小单元就需要达到生产的产品的零件级别，而如果我们的孪生应用主要关注车间设备的运行和维护，建模的Z小单元则需要达到车间设备的组件级别。

可以看到，根据孪生服务Ss的不同，在实际开展工作的时候对物理实体的关注点是不一样的。因此，项目开展的第yi步往往是根据常见孪生需求或者客户的具体需求找到建模的重点。从“我们要向客户提供什么样的服务”问题出发，逐步梳理物理实体和它们之间的关系。孪生数据DD之间的关系也会逐渐地在这个过程中被梳理出来。需要哪些数据、哪些算法、哪些知识等支持孪生体的运行，也是围绕着孪生体可以提供什么样的服务这个核心进行组织。

近年来，伴随行业的不断发展，数字孪生行业运用五维模型方法分析和解决了多个领域中的数字孪生问题，提出了大量的解决方案，这些解决方案有自己的特点，但也呈现出一些数据和功能上的交集，我们把这些由“通用且可复用组件”构成的可以支持多个顶层应用的数据和功能的集合体叫做“数字底座”。它来自于真实的物理世界，为我们高效地开发数字孪生应用提供便利（图1）。

图1

举例讲，在比较大规模的智慧城市这样的项目中，地理信息，城区建筑模型，管网和道路模型可以作为数字孪生底座支持一系列的顶层应用（表1）。他们Z终呈现出来的孪生产品将会是类似图2、3的形式

表1

图2

在上图往期项目中，以城区3D场景作为孪生底座，我们可以为管理者提供能够直观结合空间位置信息处理辖区数据的管理场景。管理者在这样的场景中可以清晰的感知这一地理区域中诸如人口信息，房屋信息，公共基础设施位置和运行情况，治安状况，卫生状况等一系列数据。

“数字孪生底座“这种思路可以指导我们在具体工程中设计可复用组件，逐渐过渡到开发行业共性解决方案。