数据驱动【三】 | 以起重机应用为例的数字孪生体

导读：数字孪生体数据派的认识比较独特，工业4.0研究院为了推进数据派的体系，启动了系列研究。本文翻译自学术论文，作为系列文章之三，供行业人士参考。

数字孪生体（Digital Twin）的定义范围很广，在不同领域有所不同，有时甚至是相互矛盾的。因此，从数据驱动的视角需要提出一个数字孪生体的定义。

数字孪生体的定义如下：一组能够精确检查物理孪生体的历史数据、当前状态和可能的未来状态的连接系统。数字孪生体的架构如图所示。

其中每个“盒子”表示数字孪生体的特征，又一个或多个系统实现。

数字孪生体是一组系统，与物理孪生体有一对一的关系

例如，数据存储可以是单个数据服务器，也可以由各种类型的数据存储组成。接下来，将更详细地描述这些特性中的每一个：

1） 可视化工具。这些工具使收集的数据可视化。产品的可视化还可能包括完整、逼真的产品三维模型，允许操作人员或维护人员事先演练产品的使用（Tao等人, 2018）。在未来，AR（增强现实）和VR（虚拟现实）技术为虚拟培训和产品使用指导提供了进一步的可能性。

2） 数据分析工具。数字孪生体在产品生命周期中收集和存储大量数据，然后可以分析这些数据，优化产品的操作。数据分析还可以显示产品和仿真模型中搞得错误，因为控制参数和预测行为可以与产品的实际行为进行比较。此外，产品的预期用途和实际用途之间的差异，也可以被确认。这些信息可以用于改进产品的设计。

3） 仿真模型。数字孪生体可用于预测产品未来状态和产品的结构健康状况（Tuegel等人, 2011; Glaessgen & Stargel, 2012）。此外，可以在产品的设计阶段和运行阶段通过仿真来检验更改产品配置参数的效果。一个数字孪生体可能含有多个集成的仿真模型，这些模型都用了可用的最佳物理模型（Shafto等人, 2010）。

4） 产品模型。这些模型可供仿真模型和可视化工具使用，在整个产品生命周期中都会更新，并准确反映物理产品的当前状态。产品模型可以是诸如CAD模型等。

5） 数据存储。在产品生命周期中存储了大量的非结构化数据（Boschert & Rosen, 2016）。数据存储系统负责存储这些数据，并确保其可用性和耐久性。数据存储可以由多个数据库（例如用于存储非结构化数据的NoSQL数据库和用于需要在特定时间限制内可用的数据的实时数据库）和一个文件系统组成。

6） 做决策。数字孪生体应该能够自主决策。它可以自优化其运行，并在意外情况下作出比人类操作员更快的反应。

7） 链接。由于数字孪生体由多个系统组成，因此有必要将这些系统连接起来以实现协作。链接知道所有系统的位置（如URL），这些系统可能位于世界各地，并负责它们之间的信息交换。例如，如果数据分析工具需要测量数据，则链接提供数据存储的位置。对于所有组件，只需要知道链接的位置。

8） 用户界面。数字孪生体提供了一个用户界面，方便配置和监测产品。此外，可以通过用户界面访问可视化工具。

数字孪生体改善了物理产品的性能（Alam & El Saddik, 2017），并可能与物理产品进行深度集成。这种结合非常紧密，甚至于物理产品没有了其数字副本就无法正常工作。

对于每一个物理产品，只有一个数字孪生体与之相匹配：物理孪生体和数字孪生体之间是一对一的关系（Ríos等人,2015, p.661-662; Alam & El Saddik, 2017, p.2053）。

然而，一个复杂的产品可能包含多个组件，每个组件都有自己对应的数字孪生体。因此，一个复杂产品的数字孪生体可能由多个数字孪生体组成。

一个物理孪生体包含了执行器和无数传感器，为其数字孪生体提供足够的信息来准确感知物理产品的当前状态和控制逻辑。如果需要对产品进行实时控制，则控制逻辑必须安装于物理产品附近。

通常，它应该嵌入到物理产品中，但也可以使用边缘计算设备。数字孪生体可以更新物理产品的控制逻辑，如果对延迟的要求不是很严格，甚至可以直接控制它。

上述数字孪生体的定义及其功能对于本文案例中的桥式起重机也同样适用。下文将为起重机的制造厂家及客户介绍桥式起重机数字孪生体的具体使用案例。

对于制造厂商来说，数字孪生体可以：

- 在实际环境中验证桥式起重机的设计

- 通过了解单个起重机的历史载荷来优化维修

- 向维修人员提供定制的检查清单和起重机的维护状态信息

- 车队数据为起重机用户提供有关单个部件质量的信息

- 向客户提供外部信息系统，如制造执行系统

- 关于起重机使用的数据

- 桥式起重机的路径优化

- 起重机可以与周围环境进行通讯，调整其运行。例如，如果工厂不着急，起重机可以减速行驶，以节省易损件。

以上用例用作指导，下一篇文章将介绍数字孪生体所需的数据，并选择用于评估应用协议和通信技术的应用。