【观点与争鸣】关于数字孪生的冷思考及其背后的建模和仿真技术
作者:张霖
近年来,数字孪生(Digital Twin)一词迅速蹿红,成为一个炙手可热的概念。但随着工业界和学术界对数字孪生的不断解读,其含义却越发扑朔迷离,和其他一些相关概念的界限也越来越模糊。数字孪生到底是什么,能做什么,边界在哪里,它和建模仿真是什么关系等等问题令很多人困惑。本文尝试对其中的一些疑惑进行粗浅的分析。
1. Digitaltwin 到底指什么?
图1是上面各种定义中所提到的和DT有关的各个部分。包括①物理对象、②数据、③模型、④仿真和⑤仿真结果。这些定义分别将DT指向图1中的不同部分。第一类:定义(1)至(5)将DT定义为数字副本、数字表示、软件表示或虚拟表示,指向③,即DT是一个随物理对象实时更新的模型,因为不管是数字副本、数字表示还是软件表示或虚拟表示,都属于模型的范畴。第二类:定义(6)至(8)将DT指向③和④,即DT是模型加仿真。第三类:定义(9)将DT指向②和⑤,即DT是连接物理对象和模型之间的桥梁。那么,作为一个严谨的学术术语,哪一个更合理呢?不妨来分析一下。第二类将建模和仿真合起来定义成一个新的概念,一方面没有必要,另一方面也不合理。因为模型和仿真虽然密切相关,但确是两件事情。模型是对事物的描述,而仿真则是基于模型的各种活动,就像两个数的量纲不同,是不能直接相加成为一个数的。第三类听起来很有煽动性,但却最不合理。如果将来自物理对象的数据或是仿真反馈的数据称为"桥梁"到无可厚非,但这两类数据都不能称为物理对象的Twin。因此,相对而言还是第一类定义最为合理,即DT就是物理对象的一个数字化模型。只不过这个模型可以实时接收来自物理对象的数据,从而可以不断演化以保持与物理对象的一致。当然并不是说之前的模型不具备演化特性,只不过之前模型的演化并没有强调实时性。在关于DT的理解中,还有一个问题令人困扰,即一个DT是否应该包含物理对象,即图1中的①?这也使得很多人对于DT与信息物理系统的关系感到困惑。造成这个问题的根源也来自NASA和美国空军研究办公室的相关文献 [12] [13],它们认为DT概念由三个不同的部分组成:物理产品,数字/虚拟产品以及两个产品之间的连接。即图1中的①②③甚至⑤。但显然这样的解释存在逻辑上的问题。如果DT里面包含物理系统,那么这个Twin就没有了参照物。因为Twin一定是和另一个人(或物体)相对而言的。当然如果将①和③合起来称为 Twins,即双胞胎,倒还说得过去,但不能叫Digital Twins,因为其中一个是digital,另一个是physical。所以在DT概念里还是应该把物理对象和数字模型这两部分区分开来。 按照前面的分析,若将DT定义为物理对象的一个数字化模型,那么DT和信息物理系统(Cyber Physical System)之间的关系就很容易理清了,即数字模型、基于数字模型的各种活动(仿真)、物理对象以及数字模型和物理对象之间的连接(数据及仿真结果)形成一个信息物理系统,如图2所示。
参考文献
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[14] H. Res. 487,In the House of Representatives, U. S., July 16, 2007.
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[16] HIGHEREDUCATION ACT OF 1965,As Amended Through P.L.115-334, Enacted December 20, 2018.