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劉 青1,劉 濱1,張 宸2.數字孿生的新邊界——面向多感知的模型構建方法[J].河北科技大學學報,,():
數字孿生的新邊界——面向多感知的模型構建方法
  
DOI:
中文關鍵詞:  系統建模  數字孿生  多感知  網絡物理空間  數字化模型
英文關鍵詞:
基金項目:
作者單位
劉 青1,劉 濱1,張 宸2  
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中文摘要:
      作為網絡物理空間CPS(cyber-physical space)建設的重要支撐技術之一,數字孿生已應用在航空航天、智能制造、智慧城市、智慧醫療、智慧教育等多領域,但其在實踐過程中也出現了一些問題。例如:數字孿生概念泛化,導致理解偏差從而造成產學研用目標不一致、實踐結果不受目標用戶的認同;具體實施缺乏通用有效方法,導致成果因受局限從而造成缺乏普遍性實踐案例、較難以形成公認的典型案例。為解決這些問題,需對數字孿生概念邊界進行約束,并對數字孿生方法邊界進行延伸,形成數字孿生的新邊界,促進形成共識,增加實施方法,更好地推動其發展。 在概念上,物理實體是一種具備多種性質的物質集合體,具有復雜性、真實性、即時性的特點,可隨外界條件變化按照客觀規律進行動態演化。在進行將物理實體映射到數字孿生的研究時,極易將概念范圍進行擴張,如將動態演化過程模擬——仿真,外界條件——數據,甚至對象——物理實體等全部包含在內。如此以來,數字孿生的概念將丟失其核心,不易形成共識。 在方法上,基于對多場景下相關應用的詳細調研分析,現有數字孿生研究往往越過對物理實體的感知過程,直接依托原有專業領域的模型或模型構建方法進行實施。這種方法在取得一些進展的同時,局限性也已顯現出來。首先,已有模型多聚焦于細分領域,在領域間無法通用;其次,已有模型中既少有體現數字孿生模型高保真、多尺度、多物理場的特點,更罕有涉及對應全生命周期信息流動的內容,直接套用無法保證數字孿生的有效實現;再次,從已有認知的高度直接進入建模過程可能造成成本巨大,如世界公認的美軍典型案例ADT計劃,建設時間以10年計,投入人力物力都巨大,這對產業界進入數字孿生實踐造成了進一步的阻礙。 為應對這些挑戰,在概念邊界方面,提出了數字孿生應回歸其數字化模型的本質,以模型為中心進行有效約束,從而促使產學研用各方的理解達成一致。對于方法邊界的延伸方面,提出了一種面向多感知的數字孿生模型構建方法,即按照人類對物理世界的一般認識過程,先經由各種感知方法對特征獲得感性認識,而后經各種認知過程進一步形成理性認識,由淺入深、由易到難、由簡到繁地來進行數字孿生的實踐。首先,通過視覺、聽覺、觸覺和動力感知、嗅/味覺、與反映條件變化的控制數據相結合等多感知方法,建立物理實體的數字孿生初始模型,在模型建立之初就聚焦于物理實體的復雜性和真實性,充分體現數字孿生模型的特點,有效增強模型的實用性和通用性;其次,將初始模型逐步與已有認知的知識框架進行匹配,并使用從物理實體處返回的控制數據進行不斷迭代,將物理實體在特定外界條件變化下的各種性質變化、實時/近實時反應、對其有影響的各種客觀規律、行為邏輯等信息按照研究領域的實際需要逐步加入數字孿生模型中,有效控制模型規模和成本,逐步實現全生命周期的信息流動;再次,將優化成型的數字孿生模型進一步用于理論和實際研究中,如仿真、規劃、優化、決策等,促進各項研究的發展;最后,展望了面向多感知數字孿生模型在計算機圖像掃描領域、文化遺產保護領域、醫療和教育領域及某些特殊領域的應用前景。
英文摘要:
      
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