1、數(shù)字攣生的內(nèi)涵一、兩個典型案例21、智慧城市:“虛擬新加坡” 22、智能制造：超臨界二氧化碳循環(huán)的數(shù)字彎生體3二、數(shù)字攣生的定義51、數(shù)化62、互動63、先知74、先覺7三、數(shù)字攣生與數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務的辯證關系81、面向?qū)ο蟛煌?2、數(shù)化能力不同83、仿真能力不同8四、數(shù)字季生的參考架構9五、數(shù)字享生關鍵技術101、建模102、仿真123、數(shù)字線程134、MBSE15建模管理涉及物理對象的數(shù)字建模與展示、與物理對象模型同步和運行管理。 仿真服務包括模型仿真、分析服務、報告生成和平臺支持。攣生共智涉及共智攣生 體等資源的接口、互操作、在線插拔和安全訪問。建模管理、仿真服務和攣生共智之間傳遞實現(xiàn)物理對

2、象的狀態(tài)感知、診斷和預 測所需的信息。第三層是處于測量控制域、聯(lián)接數(shù)字攣生體和物理實體的測量與控制實體，實 現(xiàn)物理對象的狀態(tài)感知和控制功能。第四層是與數(shù)據(jù)攣生體對應的物理實體目標對象所處的現(xiàn)實物理域，測量與控 制實體和現(xiàn)實物理域之間有測量數(shù)據(jù)流和控制信息流的傳遞。五、數(shù)字學生關鍵技術建模、仿真、基于數(shù)據(jù)融合的數(shù)字線程及MBSE （基于模型的系統(tǒng)工程）是數(shù)字 攣生體的核心技術，這些成為數(shù)字攣生體的頂層框架技術；物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字攣生體的 底層伴生技術；而云計算、機器學習、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈則是數(shù)字攣生體的外圍使能 技術，這里介紹建模、仿真、數(shù)字線程和MBSEo1、建模建模的目的是將我們對物理世界或問題的理

3、解進行簡化和模型化。而數(shù)字攣生 體的目的或本質(zhì)是通過數(shù)字化和模型化，用信息換能量，以更少的能量消除各種物 理實體、特別是復雜系統(tǒng)的不確定性。所以建立物理實體的數(shù)字化模型或信息建模 技術是創(chuàng)建數(shù)字攣生體、實現(xiàn)數(shù)字攣生的源頭和核心技術。下圖是工業(yè)化視角下，在系統(tǒng)生存周期和系統(tǒng)層次兩個維度展開得到的PLM建 模技術體系，相關技術術語大家自行百度。Level 0Level 1Level 2Level 3InvestmentMaintenance2DCADDrawings, lines arc text etcDocumentMajorInvestmentsBIMiBIMInteroperability

4、3DSwedish building centerBH90BSAB, TEiP etcBIM-guideModels, objects, collaborationFile-based collaborationFile<based collabopration & database managementIFCInfra InfraGML CityGML IDM MVDc e(d6cuu(us-oAo£ziCommon models, concepts and processesISO-BIMta at DProcessesIntegrated. Interoperab

5、le DataIntegrated we serviceBIM-hub下圖是城市化視角下的建模技術體系，其中圖（a）是英國數(shù)字建筑戰(zhàn)略給出的 從基于文檔到基于模型的建筑信息建模成熟度進化等級，圖（b）展示了瑞典等北歐 國家開展的基于PLCS標準實現(xiàn)地理、建筑、城市等信息建模技術之間協(xié)同的驗證工作。InvestmentMaintenance2DCADDocumentMajorInvestmentsBIMiBIMInteroperability3DIFCInfra InfraGML CityGML IDM MVDCCDE 沼 uco君CDOAOta at DDrawings, lines arc

6、text etcIntegrated, Interoperable DataFile-based collaborationFile-based collabopration & database managementIntegrated we service BIM-hubCommon models concepts and processesModels, objects, collaborationSwedish building centerBH90BSAB： TEiP etcBIM-guideISO-BIMLevel 0Level 1Level 2Level 3（a）建筑信息

7、建模技術的成熟度（來源：英國標準學會）Net-workISO 191xxIFC+ (Infra)；AlignmentiRoad. Railway Bridge1nlAIXPU擋7111OUgli Lite Support - PLCS(b)地理信息、建筑信息、城市信息建模技術的協(xié)同(來源：KTII) 這讓我想起信息技術領域的建模，其建模往往不是針對物體本身，而是要簡化 以人為核心的各種復雜社會活動關系，因此關系模型成為了主要的建模技術。2、仿真從技術角度看，建模和仿真是一對伴生體，如果說建模是模型化我們對物理世 界或問題的理解，那么仿真就是驗證和確認這種理解的正確性和有效性。所以，數(shù) 字化模型

8、的仿真技術是創(chuàng)建和運行數(shù)字攣生體、保證數(shù)字攣生體與對應物理世界實 現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術。仿真是將包括了確定性規(guī)律和完整機理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理 世界的一種技術。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就可以基 本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)。R機氣動仿真工廠仿真城市風道仿真城市爆破仿真仿真要達到的目標跟機器學習和人工智能的預測有點相似，但仿真依賴的是物 理規(guī)律和機理，強調(diào)的是因果關系，輸出是確定性的，而機器學習和人工智能依賴 的是相關關系，輸出的不確定性就比較高。當然現(xiàn)在數(shù)字攣生也在引入機器學習和 人工智能技術來加強預測未來的能力。3、數(shù)字線程數(shù)字線程是指可擴展、可配置和

9、組件化的企業(yè)級分析同行框架。基于該框架可 以構建覆蓋系統(tǒng)生命周期與價值鏈全部環(huán)節(jié)的跨層次、跨尺度、多視圖模型的集成視圖，進而以統(tǒng)一模型驅(qū)動系統(tǒng)生存期活動，為決策者提供支持，如下案例所示。權衡分析探根和仿直代F!/f權分析 幔株I被控制 的活動A 1己部署的 一 m的 演化河格 迭代 架構飾1務X更改清求工作拓令這個定義比較抽象，我這里舉個例子大家就明白了，其實就是制造領域產(chǎn)品的 在線迭代閉環(huán)流程。目前制造企業(yè)部門之間交接產(chǎn)品信息的方法猶如“鐵路警察各管一段”，如下 所示，相互之間是完全割裂的: 產(chǎn)品設計師根據(jù)概念設計和產(chǎn)品定義創(chuàng)建一個3D模型，進行各種分析計 算，選擇材料，確定技術要求和尺寸，

10、然后把它扔給制造工藝師； 制造工程師根據(jù)3D模型生成2D圖紙，標注公差，估算材料定額，下達車間或發(fā)給外協(xié)供應商，作為加工、裝配和質(zhì)量控制的依據(jù)； 交付給最終用戶的是物理產(chǎn)品和使用說明書，并沒有附帶任何可追溯的數(shù)據(jù),從而給維護保養(yǎng)帶來一定的困難； 使用過程發(fā)現(xiàn)的問題也不能及時反饋給產(chǎn)品設計部門，加以改進，因此整個過程是開環(huán)的。生成2D圖紙的過程 效率低并容易出鑰供應商的 響應時間較長工我數(shù)據(jù)與供應商 數(shù)據(jù)包不一致能提供給供應商的 數(shù)據(jù)是不完整的全球供應鏈中的 知識產(chǎn)權保護何糠工藝侵程和操作規(guī)范 未及時更新或不完整質(zhì)量檢驗規(guī)范 來及時更新工藝規(guī)程和操作規(guī)范 堆以理解工程采購Enterprise U

11、sers Expectations: Easy access to Complete & Latent & Accurate product information at all times未來工廠是借助不斷建模和仿真優(yōu)化運作的，其流程如下圖所示。運行和服務散字雙囪險AfroOyft敬字線程:藺詢饋測未來）.）分析（是否定要求）.App（方法和工具）共享的 CAD模型產(chǎn)品設計、成系統(tǒng)（IDS） 概令設計產(chǎn)品定義(MBE)場景是從概念設計開始，工廠運行每一步的所有信息和數(shù)據(jù)都輸入模型，進行 優(yōu)化，預測和指導下一步，然后對實施的結(jié)果進行分析，是否達到預期，并將出現(xiàn) 的問題反饋，構成

12、閉環(huán)，修改模型，直到偏離數(shù)值處于允差范圍之內(nèi)。這樣從CAD/CAE開始、一步步走過產(chǎn)品全生命周期的各個階段、直到報廢為 止。這個數(shù)字化的過程稱為數(shù)字線程Digital Treado“線”是指以3D模型從概念設計到產(chǎn)品的運行和服務貫穿產(chǎn)品生命周期各個 階段，“程”意味不斷前進，在前進中豐富模型的數(shù)字內(nèi)涵。在整個過程中，設計 部門的職責不僅限于傳統(tǒng)的、提供圖紙的任務，而是承擔產(chǎn)品全生命周期的最初數(shù) 字模型的構建和維護，孕育了產(chǎn)品數(shù)字模型的生命。數(shù)字線程必須在全生命周期中使用某種“共同語言”，才能交互。例如，在概 念設計階段，就有必要由產(chǎn)品工程師與制造工程師共同創(chuàng)建能夠共享的動態(tài)數(shù)字模 型（如包含工

13、藝信息的3DCAD模型）o據(jù)此模型生成加工制造和質(zhì)量檢驗等生產(chǎn)過程 所需可視化工藝、數(shù)控程序、驗收規(guī)范等，不斷優(yōu)化產(chǎn)品和過程，并保持實時同步 更新。這些都是在計算機上和云端運行的，是虛擬制造世界，軟件定義一切，是基 于模型的企業(yè)。4、MBSE基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是一種形式化的建模方法論，是為了應對基于文 檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程工作模式在復雜產(chǎn)品和系統(tǒng)研發(fā)時所面臨的挑戰(zhàn)，以邏輯連貫一 致的多視角通用系統(tǒng)模型為橋梁和框架，實現(xiàn)跨領域模型的可追蹤、可驗證和全生 命期內(nèi)的動態(tài)關聯(lián)，進而驅(qū)動貫穿于從概念方案、工程研制、使用維護到報廢更新 的人工系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的系統(tǒng)工程過程和活動。這個定義又是比較抽

14、象，我這里再舉個案例就明白了。MBSE是相對于傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)設計而言的，傳統(tǒng)設計方式中，系統(tǒng)方案設計階段多數(shù)通過撰寫方案設計文檔來對系統(tǒng)進行定義，如下圖所示:MBSE二用數(shù)字化建模代替寫文檔進行系統(tǒng)方案設計，把設計文檔中描述系統(tǒng)結(jié)構、功能、性能、規(guī)格需求的名詞、動詞、形容詞、參數(shù)全部轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型表達，如下圖所示：下面的例子可以幫助直觀理解如何將文檔轉(zhuǎn)換到數(shù)字化模型：基于文本的設計：“系統(tǒng)的啟動過程為：首先啟動發(fā)動機，然后依次檢查控制 系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、通信系統(tǒng)狀態(tài)、如一切正常，則進入工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常, 則由操作人員進行故障排查”，MBSE的數(shù)字化模型表達為：基于文本的設計：“需求

15、A：系統(tǒng)總重量不能超過100kg?！?MBSE的數(shù)字化模型表達為:bdd Model Model 重量約束«block»系統(tǒng)parts發(fā)動機：發(fā)動機通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng) 生命保障系統(tǒng)：生命保障系統(tǒng)«satisfy»valuestotal_mass : masskilogram c"后«requirement»重雖約束Id = H1MText = ”系統(tǒng)總重量不超過100kg”T«refine»«constraint»Massconstraints (x<=100)

16、parametersx : masskilogram以上不就是我們數(shù)據(jù)開發(fā)管理平臺做的東西嘛，結(jié)構化和標準化組件，然后有個解釋引擎進行翻譯，從而提升規(guī)范性和開發(fā)效率，只是在制造業(yè)換了個名字而已。隨著數(shù)字化的到來，各個行業(yè)的技術壁壘會被數(shù)字攣生打破，因為大家分析的 對象都是bit,而對于bit的操作，信息技術領域還是有原生技術優(yōu)勢的，這也是 在數(shù)字率生里看到很多似曾相識的東西的原因。但是我們也看到了，在諸如工業(yè)制造領域要有所作為，無論是3D數(shù)字化建模、 基于物理世界的規(guī)律和機理來仿真，與物理世界進行互動及控制，對信息技術行業(yè) 的人來說都是非常陌生的，也是極具挑戰(zhàn)的。當然，如果要拿著工業(yè)界的數(shù)字攣

17、生 來改造信息技術行業(yè)，我們覺得也有點麻煩，因為我們更多研究的是人，這樣就很 難找到相應的場景了。一、兩個典型案例談數(shù)字攣生概念的時候，一直在提物理世界的鏡像、賽博空間啥的，如下圖所 示，但并沒有舉出哪怕是一個有信服力的現(xiàn)實例子，面對職場老司機，概念化的東 西說說就好，但要說服就得說清楚場景啊，因此在跟大家講數(shù)字攣生概念之前，我 也得舉2個有說服力的例子。1、智慧城市：“虛擬新加坡”“虛擬新加坡”是一個動態(tài)的三維城市模型和協(xié)作數(shù)據(jù)平臺，包括新加坡的3D 地圖，成為供政府/企業(yè)/私人/研究部門使用的權威3D數(shù)字平臺?！疤摂M新加坡” 是一個包含語義及屬性的實景整合的3D虛擬空間，該項目覆蓋范圍71

18、8平方公里、 500-660萬人口、16萬幢建筑物、5500公里街道。“虛擬新加坡”是使來自不同領域的用戶能夠開發(fā)復雜的工具和應用程序，用 于概念測試、服務、規(guī)劃決策以及技術研究，以解決新加坡面臨的新興和復雜挑戰(zhàn)， 這里舉兩個方面的應用。(1) 改善公眾可訪問性“虛擬新加坡”包括地形屬性，例如水體、植被和交通基礎設施，這與傳統(tǒng)的 2D地圖不同，后者無法顯示地形、路緣石、樓梯或坡度。作為對自然景觀的準確表 示，“虛擬新加坡”可用于識別和顯示殘疾人和老年人的無障礙路線，他們可以輕 松找到通往公交車站或地鐵站的最便捷路線，甚至是被遮蔽的道路，公眾也可以通 過“虛擬新加坡”的可視化公園來計劃其騎行路線

19、，如下圖所示。（2）太陽能潛力分析“虛擬新加坡”提供了建筑物高度、屋頂表面和日照量等數(shù)據(jù)，這使城市規(guī)劃 者可以分析哪些建筑物具有較高的太陽能生產(chǎn)潛力，因此更適合安裝太陽能電池板。 進一步分析可使計劃人員估計一天可產(chǎn)生多少太陽能，以及節(jié)省的能源和成本。通 過與相鄰建筑物歷史數(shù)據(jù)的交叉引用，來驗證以上分析的正確性，并進行季節(jié)性調(diào) 整調(diào)整以反映出更準確更精細的預測，如下圖所示。2、智能制造：超臨界二氧化碳循環(huán)的數(shù)字攣生體超臨界二氧化碳循環(huán)是太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中的重要技術。由于該系統(tǒng)在極高 的壓力下運行，系統(tǒng)的微小參數(shù)波動都有可能造成不可預知的事故，這對控制系統(tǒng) 提出了嚴苛要求。為了應對這一挑戰(zhàn)，印度

20、科技學院建立了該系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)，為了實現(xiàn)對控制過程的動態(tài)仿真，他們開發(fā)了基于物理機理的數(shù)字攣生體。該數(shù)字率生體以一堆熱流體系統(tǒng)仿真軟件Flownex為核心，搭建了和實驗管網(wǎng) 系統(tǒng)完全相同的數(shù)字攣生體，F(xiàn)lownex具有強大的仿真能力：（1）可計算氣體、液體、氣體混合物以及兩相流的流動；（2）模擬分析快速變化及慢速變化的動態(tài)過程；（3）能夠計算流體和固體間的熱交換，計算系統(tǒng)各元件的壓力變化和換熱情況。（4）此外，還具有電氣模塊和控制模塊，可以在仿真系統(tǒng)中添加各種控制元件， 能夠?qū)λ矐B(tài)控制過程進行仿真。利用Flownex內(nèi)嵌的部件模塊，如管道、閥門、汞、壓縮機、換熱器、PID控 制器等，工程師快速

21、建立了系統(tǒng)仿真軟件。此外，物理實體的控制設備采用的是美國國家儀器公司（NI）的硬件設備。NI 同時提供了 LabVIEW軟件來采集這些設備的參數(shù)，并通過接口傳遞給Flownex軟 件。在獲得現(xiàn)場設備的實時數(shù)據(jù)后，F(xiàn)lownex的動態(tài)模擬就可以實現(xiàn)實時仿真。4-2 Heat Exchanger-Recuoeiator Heat Recovery $CO2 Cycle超臨界二氧化碳系統(tǒng)中，壓力遠遠高于常規(guī)的設備范圍，其控制系統(tǒng)的小幅度 調(diào)整，都會對系統(tǒng)產(chǎn)生很多影響。利用Flownex搭建的數(shù)字攣生體，研究人員能在 數(shù)字季生體中模擬各個控制操作引發(fā)的后果，確認其滿足調(diào)試要求后再去操作物理 系統(tǒng)，從而

22、保證了該系統(tǒng)的安全運行。通過這兩個典型案例，相信你對數(shù)字攣生會有個感性認識，那么，數(shù)字攣生的 本質(zhì)到底是什么呢？它跟我們平時接觸的數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務有什么不一樣呢？二、數(shù)字享生的定義數(shù)字攣生這個名詞特別容易望文生義，會以為數(shù)字攣生就是在數(shù)字空間建立個 虛擬對象，比如案例一的“虛擬新加坡”，德勤就把數(shù)字季生體定義為“某一個物 理實體（或過程）的歷史和當前行為的數(shù)字化描述”。這個定義不能說錯誤，但顯然把數(shù)字攣生的內(nèi)涵說小了，如果你按照德勤的定 義去理解數(shù)字攣生，顯然案例二就超出了范疇，因為案例二不僅包括了物理世界的 數(shù)字化映射，還包括了仿真和控制。百度是這樣定義數(shù)字攣生的，即“數(shù)字攣生是充分利用物理模型

23、、傳感器更新、 運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空 間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程?！背税俣?，現(xiàn)在關于數(shù)字攣生的定義還有很多，學術界的、企業(yè)界的、標準化組織的，這里我推薦下面這個定義：“數(shù)字攣生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段。”從這個定義可以抽象出四個數(shù)字率生的核心特征:1、數(shù)化“數(shù)化”是對物理世界數(shù)字化的過程，這個過程需要將物理對象表達為計算機 和網(wǎng)絡所能識別的數(shù)字模型。建模技術是數(shù)字化的核心技術之一，例如測繪掃描、 幾何建模、網(wǎng)

24、格建模、系統(tǒng)建模、流程建模、組織建模等技術。物聯(lián)網(wǎng)是“數(shù)化” 的另一項核心技術，將物理世界本身的狀態(tài)變?yōu)榭梢员挥嬎銠C和網(wǎng)絡所能感知、識 別和分析。2、互動“互動”主要是數(shù)字對象間及其與物理對象之間的實時動態(tài)互動。物聯(lián)網(wǎng)是實 現(xiàn)虛實之間互動的核心技術、數(shù)字世界的責任之一是預測和優(yōu)化，同時根據(jù)優(yōu)化結(jié) 果干預物理世界，所以需要將指令傳遞到物理世界。物理世界的新狀態(tài)需要實時傳 到到數(shù)字世界，作為數(shù)字世界的新初始值和新邊界條件。另外，這種互動包括數(shù)字 對象間的互動，依靠數(shù)字線程來實現(xiàn)。3、先知“先知”是指利用仿真技術對物理世界的動態(tài)預測。這需要數(shù)字對象不僅表達 物理世界的幾何形狀，更需要在數(shù)字模型中融入

25、物理規(guī)律和機理。仿真技術不僅建 立物理對象的數(shù)字化模型，還要根據(jù)當前狀態(tài)，通過物理學規(guī)律和機理來計算、分 析和預測物理對象的未來狀態(tài)。這種仿真不是對一個階段或一種現(xiàn)象的仿真，應是 全周期和全領域的動態(tài)仿真。4、先覺如果說“先知”是依據(jù)物理對象的確定規(guī)律和完整機理來預測數(shù)字攣生體的 未來，那“先覺”就是依據(jù)不完整的信息和不明確的機理通過工業(yè)大數(shù)據(jù)和機器學 習技術來預感未來，如果要求數(shù)字攣生體越來越智能和智慧，就不應局限于人類對 物理世界的確定性知識，其實人類本身就不是完全依賴確定性知識而領悟世界的。你會發(fā)現(xiàn)第一個案例只是完成了 “數(shù)化”，但即使僅僅完成了這個功能，由于 可視化的維度從傳統(tǒng)的二維升

26、級到了三維，因此也能帶來獨特的價值，比如相對于 二維能更形象的說明道路的坡度，我想這也是合作伙伴會拿著個3D建模產(chǎn)品來跟 我來說這就是數(shù)字季生的原因吧。但顯然數(shù)字攣生的內(nèi)涵不僅僅包括“數(shù)化”，超臨界二氧化碳循環(huán)數(shù)字攣生體 它要做的是虛擬的仿真，也就是“先知”，通過仿真的結(jié)果來指導對真實物理設備 的操控，也就是“互動”，這也許才是數(shù)字攣生的終極意義所在。三、數(shù)字攣生與數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務的辯證關系數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務是數(shù)據(jù)工作者的使命，我們所有做的工作概括起來就是“業(yè)務數(shù) 據(jù)化、數(shù)據(jù)業(yè)務化”，因此會很自然的將數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務跟數(shù)字攣生做個比較，比如 我剛接觸這個概念的時候就比較排斥，因為認為自己做的數(shù)據(jù)工作內(nèi)涵遠遠大于數(shù) 字攣生，什么物理世界映射到數(shù)字世界，這不就是早期信息化干的事情嗎？但事實上，我的理解還是囿于自己所在的行業(yè)背景，或者是傳統(tǒng)的信息技術產(chǎn) 業(yè)，特別是受互聯(lián)網(wǎng)的影響太大了。其實在其他行業(yè)，特別是工業(yè)制造領域，也很 早提出了類似的概念，現(xiàn)在只是殊途同歸而巳。當然大家要解決的業(yè)務問題和采用的技術手段還是有很大的差異的，但隨著萬 物互聯(lián)時代的到來，最終這些邊界會被逐步打破，各個大廠進軍產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就是明 證，現(xiàn)在智能制造、智慧城市等概念喊得最歡的可都是這些信息技術公司。但我還是要對工業(yè)制造領域的“數(shù)字攣生”和信息技術領域的“數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè) 務”的做個比較，方便你更深刻的理解數(shù)字攣生這個概