数字孪生的实现层次分析

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下面我从精益生产、生产管理的角度，探讨一下数字孪生技术的实现步骤和实现层次。

数字孪生第一步，是现实3D可视化建模，也就是，建立仿真对象的3D可视化模型。这个，就涉及到仿真对象的场景、规模等问题，从这方面，主要可分为如下几种类型。

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一是产品的3D可视化建模，这个相对简单，可以从产品的设计、装配等精确图纸数据中导出；再一个就是生产过程中的3D可视化，这根据场合和规模，也有两种情况。一是厂房、车间等室内生产工艺系统的3D可视化，另一种是野外作业场合的3D可视化。室内生产系统主要涉及，设备、运输系统等等方面，其数据可以参考车间生产系统的设计图纸，或者通过一下专门的3D可视化公司，提供这方面的模型、数据，然后在可视化平台上实现3D可视化。这方面的公司，平台，SAP 西门子、国内3D数字化公司可以提供外包服务。野外作业场合的3D可视化，比如露天矿山开采、大型土木工程等，在数据建模和平台方面，与室内场景有不同。往往是过去的地理信息系统，也就是GIS研发的方面的公司，可以提供帮助。往往需要无人机进行摄像、取得边界点云，然后完成3D建模数据，在自主开发平台，或基于传统的GIS 平台，比如ARCgis这些，实现3D可视化。3D可视化，特别是矿山、工程建设的个领域的3D可视化，往往是个动态的过程，随着生产的推进，往往会发生变化，需要间隔一段时间，通过无人机、或者其他方式，取得新的边界数据进行点云解析。

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第二步，是实现信息互动，虚实互动。物理系统和虚拟系统之间信息互传，包括物理系统状态信息和管理流信息之间的互传、互动。从实现技术上，这会涉及网络软硬件技术。需要状态传感器、动设备的GPS数据等，工业互联网总线技术等。通常还需要将管控平台和数字孪生体这一虚拟系统集成在一起。一方面监控物理系统的数据，以传输并存储在孪生系统中，另一方面，根据孪生系统的分析、优化，将对物理系统的优化控制数据、调度信息或提示、指令等传输到物理系统中，实现虚拟系统对物理系统的优化控制。这就是物理系统和孪生系统之间的虚实互动。

前两步实际上构成了数字孪生系统的数据基础，从实现技术上可以认为就是工业互联网技术加上3D可视化技术。

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第三步，对数字孪生系统中的数据进行解析。一般有两种实现手段，通过结合物理系统专业知识的机理模型分析；或者通过数据驱动方式挖掘物流系统的运行规律。当前来讲，随着工业互联网的普及，数据量越来越大，人工智能越来越有效率，基于大数据和人工智能，数据驱动的效率越来越高，在数据解析中也有更多的应用。数据解析的结果是，建立其各个部分之间相互作用的关系模型，建立控制策略、控制模型、控制指令和物理系统状态、性质变化之间的逻辑关系数学模型。

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第四步，在前三步实现以后，利用数据解析的成果，对物理系统进行仿真模拟，实现物理系统的最优控制，对系统配置和资源调度进行优化、改善。这是真正发挥数字孪生作用的一步。这里，还可以与我们的供应链分析、精益生产等相结合，实现系统的改善、优化。

作者：任会之，北大纵横特聘合伙人

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