（四）浅析数字孪生的技术体系

数字孪生技术的实现依赖于诸多先进技术的发展和应用，其技术体系按照从基础数据采集层到顶端应用层可以依次分为数据保障层、建模计算层、功能层和沉浸式体验层，从建模计算层开始，每一层的实现都建立在前面各层的基础之上，是对前面各层功能的进一步丰富和拓展。

数字孪生技术体系：

  1  数据保障层

数据保障层是整个数字孪生技术体系的基础，支撑着整个上层体系的运作，其主要由高性能传感器数据采集、高速数据传输和全生命周期数据管理3个部分组成。

（1）先进传感器技术及分布式传感技术使整个数字孪生技术体系能够获得更加准确、充分的数据源支撑；

（2）高带宽光纤技术的采用使海量传感器数据的传输不再受带宽的限制，低延时，保障系统实时性，提高数字孪生系统的实时跟随性能；

（3）分布式云服务器存储技术的发展为全生命周期数据的存储和管理提供了平台保障，高效率存储结构和数据检索结构为海量历史运行数据存储和快速提取提供了重要保障，使大数据分析和计算的数据查询和检索阶段能够得以快速可靠地完成。   

  2  建模计算层

建模计算层主要由建模算法和一体化计算平台两部分构成，建模算法部分充分利用机器学习和人工智能领域的技术方法实现系统数据的深度特征提取和建模，通过采用多物理、多尺度的方法对传感数据进行多层次的解析，挖掘和学习其中蕴含的相关关系、逻辑关系和主要特征，实现对系统的超现实状态表征和建模，并能预测系统未来状态和寿命，根据其当前和未来的健康状态评估其执行任务成功的可能性。

  3  功能层

功能层面向实际的系统设计、生产、使用和维护需求提供相应的功能，包括多层级系统寿命估计、系统集群执行任务能力的评估、系统集群维护保障、系统生产过程监控及系统设计辅助决策等功能。作为数字孪生技术体系的直接价值体现，功能层可以根据实际系统需要进行定制，在建模计算层提供的强大信息接口的基础上，功能层可以满足高可靠性、高准确度、高实时性及智能辅助决策等多个性能指标，提升产品在整个生命周期内的表现性能。

  4  沉浸式体验层

沉浸式体验层主要是为使用者提供良好的人机交互使用环境，让使用者能够获得身临其境的技术体验，从而迅速了解和掌握复杂系统的特性和功能，并能够便携地通过语音和肢体动作访问功能层提供的信息，获得分析和决策方面的信息支持。未来的技术系统使用方式不再仅仅局限于听觉和视觉，同时将集成触摸感知、压力感知、肢体动作感知、重力感知等多方面的信息和感应，向使用者完全恢复真实的系统场景，并通过人工智能的方法让使用者了解和学习真实系统场景本身不能直接反映的系统属性和特征。

数字孪生的核心技术

数字孪生的核心技术主要体现为六个方面：

多领域、多尺度融合建模克服长度、时间尺度及耦合范围三个方面难点，有助于建立更为准确的数字孪生系统；数据驱动与物理模型融合需有效提升或融合复杂装备或工业复杂系统前期的数字化设计及仿真、虚拟建模、过程仿真等，进一步强化考虑复杂系统构成和运行机理、信号流程及接口耦合等因素的仿真建模。

高精度传感器数据采集传输是整个数字孪生系统的基础，复杂系统的全生命周期数据存储和管理是数字孪生系统的重要支撑，虚拟现实（VR）技术可以将系统的制造、运行、维修状态呈现出超现实的状态，对复杂系统各个子系统进行多领域、多尺度的状态检测和评估。在数字孪生系统复杂功能的实现过程中，很大程度上依赖其背后的高性能计算平台，实时性是衡量数字孪生系统性能的重要指标。因此，基于分布式计算的云服务器平台是系统的重要保障，优化数据结构、算法结构等提高系统的任务执行速度是保障系统实时性的重要手段。

来源——《数字孪生》陈根