系统架构设计之数字孪生体的关键核心技术
建模与仿真以及基于数据流模型的技术构成了数字孪生体的关键支撑体系。能够实现统一管理的是系统工程与MBSE体系构建的技术路径,在此基础上物联网作为支撑层的重要组成部分为其提供了基础架构,在其外围则整合了云计算等新兴技术为数字孪生体提供了强大的支撑。
1.建模
数字化建模技术起源于20世纪50年代。建模的目的是将我们对物理世界的理解进行简化和模型化。而数字孪生体的目的或本质是通过数字化和模型化,用信息换能量,以使少的能量消除各种物理实体、特别是复杂系统的不确定性。所以建立物理实体的数字化模型或信息建模技术是创建数字孪生体、实现数字孪生的源头和核心技术,也是“数化”阶段的核心。
将数字孪生体放在工业化、城市化和全球化所指向的人类文明可持续发展的大目标下,数字孪生体所需的建模技术也需要放在数字孪生体应用场景的参考框架下考察。具体地说,数字孪生体的概念模型中数字模型的视角类型的三个维度:需求指标、生存期阶段和空间尺度构成了数字孪生体建模技术体系的三维空间。
在某个应用场景下的某种建模技术,只能提供某类物理实体某个视角的模型视图。这时数字孪生体和对应物理实体间的互动(状态感知和对象控制的数据流和信息流传递),一般只能满足单个低层次具体需求指标的要求。对于复合的、高层次需求指标,通常需要有反映若干建模视角的多视图模型所对应的多个数字孪生体与同一个物理实体对象实现互动。这时的多视图或多视角一般来自物实体对象的不同生存期阶段或多个系统层次/物质尺度,多视图模型间的协同就需要数字线程技术的支持。
2.仿真
从技术角度看,建模与仿真构成了两个相互依存的关系体系。具体而言,在构建基于物理世界或问题的认知模型方面起着基础作用的是建模过程,在验证与印证这种认知的有效性方面起着关键作用的是仿真过程。因此,在数字化时代中占据核心地位的仿真技术不仅能够实现数字孪生对象的构建目标,并且能够确保数字孪生对象与相应的实际物理实体之间形成有效的双向互动机制。仿真是通过将涵盖确定性规律并完整反映系统机理的数学模型转化为软件形式来模拟真实世界的科学手段之一。要使这一模拟过程达到高度准确性并具备较强的适用性,则必须保证所使用的数学模型具有高度可靠性和完整性,并且必须提供充分详实的输入数据与环境参数配置信息
3.其他技术
除了基于建模仿真的核心技术外(...),当前VR/AR等增强现实技术与数字线程等基础技术支持系统工程与MBSE方法论共同构成了数字孪生体构建过程中的内外围核心技术支撑。
