數(shù)字孿生成熟度模型

陶 飛，張辰源，戚慶林，張 賀

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 北京 100191)

1 數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)需求分析

數(shù)字孿生[1]作為實(shí)現(xiàn)信息物理融合的有效手段[2]，能夠利用逼真刻畫物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型、蘊(yùn)含物理實(shí)體有效信息的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和虛實(shí)閉環(huán)交互機(jī)制，通過虛實(shí)聯(lián)合求解，從而在一定程度上突破物理實(shí)體相關(guān)功能受到的時(shí)間、空間、成本和安全等約束，進(jìn)而豐富和優(yōu)化物理實(shí)體的相關(guān)功能，并提升其應(yīng)用價(jià)值。目前，數(shù)字孿生已在制造、農(nóng)業(yè)、航空航天、交通、醫(yī)療、電力等多個(gè)領(lǐng)域開展相應(yīng)的實(shí)踐工作[3-5]，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、政府部門和相關(guān)領(lǐng)域人士的廣泛關(guān)注與高度重視。

近年來，作者團(tuán)隊(duì)圍繞數(shù)字孿生五維模型[6]、數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論[7]、數(shù)字孿生多尺度建模方法[8]、數(shù)字孿生模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[9]、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)[10]、數(shù)字孿生服務(wù)[11]、數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系[12]、數(shù)字孿生使能技術(shù)與工具[13]等開展了探索性理論研究工作, 并聚焦數(shù)字孿生車間[14]、數(shù)字孿生裝備[15]、數(shù)字孿生衛(wèi)星[16]等開展了一系列應(yīng)用實(shí)踐工作。然而，在與國(guó)內(nèi)外學(xué)者、政府部門和相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)交流探討的過程中，發(fā)現(xiàn)存在以下共性疑問和困惑：

(1)如何判斷是不是數(shù)字孿生？對(duì)于這個(gè)問題，從模型、數(shù)據(jù)、連接和功能等不同的維度出發(fā)，不同的人(不同行業(yè)或不同身份角色)有著不同的認(rèn)知和理解[17]。有一類觀點(diǎn)認(rèn)為，物理實(shí)體的三維模型、鏡像、副本或虛擬樣機(jī)就是數(shù)字孿生，這類認(rèn)識(shí)的出發(fā)點(diǎn)是將數(shù)字孿生視為物理實(shí)體的等效對(duì)象、數(shù)字化表達(dá)或虛擬表示。另一類觀點(diǎn)認(rèn)為，具有仿真、虛擬驗(yàn)證、預(yù)測(cè)或可視化功能的系統(tǒng)或應(yīng)用是數(shù)字孿生，這類認(rèn)識(shí)從數(shù)字孿生所能支持的功能的角度出發(fā)，對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行認(rèn)知與實(shí)踐。還有一類觀點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)字孿生是貫穿物理實(shí)體全生命周期的數(shù)據(jù)和信息，這類認(rèn)識(shí)強(qiáng)調(diào)虛實(shí)交互、虛實(shí)共生和迭代進(jìn)化。由此可見，當(dāng)前各界人士對(duì)數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)和理解尚不統(tǒng)一，對(duì)于判斷是不是數(shù)字孿生仍缺乏系統(tǒng)性判斷依據(jù)。

(2)如何評(píng)判現(xiàn)有數(shù)字孿生能否滿足應(yīng)用需求？數(shù)字孿生是結(jié)果，滿足應(yīng)用需求或解決實(shí)際問題才是最終目的。對(duì)數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐需要針對(duì)現(xiàn)有數(shù)字孿生的實(shí)際情況和具體應(yīng)用需求進(jìn)行分析，而目前尚缺乏對(duì)現(xiàn)有數(shù)字孿生所處發(fā)展階段和該階段所能提供功能的系統(tǒng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)流程，導(dǎo)致難以定位現(xiàn)有數(shù)字孿生所處的發(fā)展階段，難以判斷現(xiàn)有數(shù)字孿生能否滿足應(yīng)用需求，難以量化評(píng)價(jià)現(xiàn)有數(shù)字孿生與滿足應(yīng)用需求的數(shù)字孿生之間的差距。

(3)若不滿足應(yīng)用需求如何優(yōu)化提升？數(shù)字孿生是物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、連接交互和功能服務(wù)五個(gè)維度相互協(xié)作、彼此配合的復(fù)雜系統(tǒng)，任何一維相關(guān)能力的不足，都會(huì)導(dǎo)致數(shù)字孿生整體無法滿足應(yīng)用需求。當(dāng)數(shù)字孿生無法滿足應(yīng)用需求時(shí)，需要在明確能力差距細(xì)節(jié)的前提下，對(duì)現(xiàn)有數(shù)字孿生進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，從而提升數(shù)字孿生的整體能力水平以滿足應(yīng)用需求。而目前尚缺乏用于描述數(shù)字孿生整體功能對(duì)五個(gè)維度相關(guān)能力依賴關(guān)系的系統(tǒng)性理論，導(dǎo)致難以針對(duì)宏觀目標(biāo)進(jìn)行階段性目標(biāo)和能力需求的具體拆解，進(jìn)而難以高效制定具有針對(duì)性和可操作性的數(shù)字孿生優(yōu)化方案。

上述問題可歸結(jié)為缺少針對(duì)數(shù)字孿生范疇和發(fā)展階段的系統(tǒng)性描述和評(píng)價(jià)方法，而成熟度模型是對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的概念范疇、發(fā)展過程和階段性目標(biāo)的系統(tǒng)性描述，同時(shí)，它還具有評(píng)價(jià)目標(biāo)系統(tǒng)現(xiàn)階段發(fā)展水平和能力程度的功能[18-19]。因此，本文從落地應(yīng)用的角度出發(fā)，研究提出一套數(shù)字孿生成熟度模型，將數(shù)字孿生成熟度劃分為“以虛仿實(shí)(L0)、以虛映實(shí)(L1)、以虛控實(shí)(L2)、以虛預(yù)實(shí)(L3)、以虛優(yōu)實(shí)(L4)、虛實(shí)共生(L5)”六個(gè)等級(jí)，基于數(shù)字孿生的五個(gè)維度提出19項(xiàng)數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)因子，并設(shè)計(jì)了一套數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)應(yīng)用流程，以期為數(shù)字孿生落地實(shí)踐中的交流、評(píng)價(jià)與優(yōu)化過程提供參考。

2 數(shù)字孿生成熟度等級(jí)

統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)有數(shù)字孿生相關(guān)理論研究和應(yīng)用實(shí)踐，依據(jù)其功能和用途主要可分為以下幾類：①基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體設(shè)計(jì)驗(yàn)證與等效分析[20-22]；②基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體運(yùn)行過程可視化監(jiān)測(cè)[23-25]；③基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體遠(yuǎn)程運(yùn)維管控[26-27]；④基于數(shù)字孿生的診斷與預(yù)測(cè)[28-30]；⑤基于數(shù)字孿生的智能決策和優(yōu)化[31-32]；⑥基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體全生命周期跟蹤、回溯與管理[33-34]。通過對(duì)上述各類數(shù)字孿生研究和應(yīng)用進(jìn)行共性分析發(fā)現(xiàn)，物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型和兩者間的連接與交互組成了數(shù)字孿生的“最小概念”。在此基礎(chǔ)上，基于作者團(tuán)隊(duì)前期提出的數(shù)字孿生五維模型[6]，從物理實(shí)體(PE)、數(shù)字孿生模型(DM)、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)(DD)、連接交互(CI)和功能服務(wù)(FS)五個(gè)維度出發(fā)，根據(jù)連接交互方式與自動(dòng)化程度的不同，以數(shù)字孿生所能提供的功能服務(wù)為主線，將數(shù)字孿生分為六個(gè)成熟度等級(jí)，如圖1所示。其中，物理空間中的物理實(shí)體與信息空間中的數(shù)字孿生模型通過兩者間的連接進(jìn)行交互，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)則蘊(yùn)含數(shù)字孿生的所有信息，貫穿當(dāng)前—未來、物理空間—信息空間、物理實(shí)體—數(shù)字孿生模型—連接交互—功能服務(wù)。此外，圖1中的物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、連接交互和功能服務(wù)在數(shù)字孿生的各成熟度等級(jí)具有不同等級(jí)的能力程度，但由于圖片的信息容量有限，圖1沒有對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)展開和具體描述，該部分內(nèi)容將在第3章進(jìn)行介紹。

2.1 零級(jí)(L0)：以虛仿實(shí)

以虛仿實(shí)指利用數(shù)字孿生模型對(duì)物理實(shí)體描述和刻畫，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第零等級(jí)(L0)，滿足此要求的實(shí)踐和應(yīng)用可歸入廣義數(shù)字孿生的概念范疇。在該等級(jí)，數(shù)字孿生模型從幾何、物理、行為和規(guī)則某個(gè)或多個(gè)維度對(duì)物理實(shí)體單方面或多方面的屬性和特征進(jìn)行描述，從而在一定程度上能夠代替物理實(shí)體進(jìn)行仿真分析或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證，但數(shù)字孿生模型與物理實(shí)體之間無法通過直接的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，主要依賴人的介入實(shí)現(xiàn)間接的虛實(shí)交互，包括對(duì)物理實(shí)體的控制和對(duì)數(shù)字孿生模型的控制與更新等。

以機(jī)器人為例，在其設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，利用由三維可視化模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型和關(guān)節(jié)伺服電機(jī)約束模型等構(gòu)成的機(jī)器人數(shù)字孿生模型，在一定程度上代替機(jī)器人試制品進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。在此過程中，機(jī)器人試制品與數(shù)字孿生模型之間沒有直接的數(shù)據(jù)交互，但技術(shù)人員能夠基于仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并指導(dǎo)試制品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程的相關(guān)操作。

2.2 一級(jí)(L1)：以虛映實(shí)

以虛映實(shí)指利用數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)和變化過程，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第一等級(jí)(L1)。在該等級(jí)，數(shù)字孿生模型由真實(shí)且具有時(shí)效性的物理實(shí)體相關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，同步直觀呈現(xiàn)與物理實(shí)體相同的運(yùn)行狀態(tài)和過程，輸出與物理實(shí)體運(yùn)行相同的結(jié)果，從而在一定程度上突破時(shí)間、空間和環(huán)境約束對(duì)于物理實(shí)體監(jiān)測(cè)過程的限制，但對(duì)于物理實(shí)體的操作和管控依舊依賴現(xiàn)場(chǎng)人員的直接介入，仍無法實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的遠(yuǎn)程可視化操控。

以機(jī)器人為例，在其運(yùn)行階段，利用相關(guān)傳感器實(shí)時(shí)采集物理機(jī)器人運(yùn)行過程中的關(guān)節(jié)角度、伺服電機(jī)力矩、運(yùn)行功率等數(shù)據(jù)，通過工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸這些時(shí)效數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)器人數(shù)字孿生模型同步運(yùn)行，使技術(shù)人員在不接近正在高速運(yùn)行的機(jī)器人的同時(shí)便可詳細(xì)掌握機(jī)器人的運(yùn)行狀況，一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)行異常，便可及時(shí)介入，停止其運(yùn)行并對(duì)其進(jìn)行維修。

2.3 二級(jí)(L2)：以虛控實(shí)

以虛控實(shí)指利用數(shù)字孿生模型間接控制物理實(shí)體的運(yùn)行過程，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第二等級(jí)(L2)。在該等級(jí)，信息空間中的數(shù)字孿生模型已具有相對(duì)完整的運(yùn)動(dòng)和控制邏輯，能夠接受輸入指令在信息空間中實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的運(yùn)行過程。同時(shí)，在以虛映實(shí)的基礎(chǔ)上，增量建設(shè)由數(shù)字孿生模型到物理實(shí)體的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)實(shí)時(shí)雙向閉環(huán)交互，從而賦予物理實(shí)體遠(yuǎn)程可視化操控的能力，進(jìn)一步突破空間和環(huán)境約束對(duì)于物理實(shí)體操控的限制。盡管這種控制并不一定是智能的或優(yōu)化的，但仍可大幅提高物理實(shí)體的管控效率。

以機(jī)器人為例，在其運(yùn)行階段，機(jī)器人即將完成產(chǎn)品A的加工，轉(zhuǎn)而對(duì)產(chǎn)品B進(jìn)行加工，由于兩種產(chǎn)品的加工工藝不同，機(jī)器人的運(yùn)行軌跡和相應(yīng)的末端執(zhí)行器行為需要重新調(diào)整，技術(shù)人員利用信息空間中的數(shù)字孿生模型，在不中斷對(duì)產(chǎn)品A加工過程的同時(shí)預(yù)先設(shè)定機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品B加工過程中的一系列行為，在產(chǎn)品A加工結(jié)束的瞬間，直接用已經(jīng)規(guī)劃好的運(yùn)行方案對(duì)物理機(jī)器人進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)無縫銜接的柔性制造。

2.4 三級(jí)(L3)：以虛預(yù)實(shí)

以虛預(yù)實(shí)指利用數(shù)字孿生模型預(yù)測(cè)物理實(shí)體未來一段時(shí)間的運(yùn)行過程和狀態(tài)，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第三等級(jí)(L3)。在該等級(jí)，數(shù)字孿生模型能夠基于與物理實(shí)體的實(shí)時(shí)雙向閉環(huán)交互，動(dòng)態(tài)反映物理實(shí)體當(dāng)前的實(shí)際狀態(tài)，并通過合理利用數(shù)字孿生模型所描述的顯性機(jī)理和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的隱性規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體未來運(yùn)行過程的在線預(yù)演和對(duì)運(yùn)行結(jié)果的推測(cè)，從而在一定程度上將未知轉(zhuǎn)化為預(yù)知，將突發(fā)和偶發(fā)問題轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)問題。

以機(jī)器人為例，通過分析關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，并結(jié)合日志文件中的故障信息和維護(hù)信息，挖掘得到伺服電機(jī)能耗和震動(dòng)特征與運(yùn)行精度下滑現(xiàn)象以及良品率下降現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在機(jī)器人的運(yùn)行過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其關(guān)節(jié)伺服電機(jī)能耗和震動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在線預(yù)測(cè)機(jī)器人加工精度無法滿足良品率最低要求的可能時(shí)段，從而在此之前便提前對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)。

2.5 四級(jí)(L4)：以虛優(yōu)實(shí)

以虛優(yōu)實(shí)指利用數(shù)字孿生模型對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行優(yōu)化，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第四等級(jí)(L4)。在該等級(jí)，數(shù)字孿生不僅能夠基于數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)反映物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合數(shù)字孿生數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)物理實(shí)體的未來發(fā)展，還能夠在此基礎(chǔ)上，利用策略、算法和前期積累沉淀的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)具有時(shí)效性的智能決策和優(yōu)化，并基于實(shí)時(shí)交互機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的智能管控。

以機(jī)器人為例，機(jī)器人正通過與人協(xié)作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品A的批量生產(chǎn)。在此過程中，機(jī)器人不斷監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)作業(yè)環(huán)境中的人和其他障礙物的方位，并根據(jù)人體和障礙物可能到達(dá)的位置進(jìn)行軌跡規(guī)劃，計(jì)算得到針對(duì)各種可能性的最優(yōu)軌跡規(guī)劃方案集，在一段時(shí)間后，根據(jù)人和障礙物實(shí)際到達(dá)的方位從方案集中選取相應(yīng)的最優(yōu)方案，在不與人和障礙物發(fā)生碰撞的前提下，按照最優(yōu)的軌跡執(zhí)行協(xié)作任務(wù)。

2.6 五級(jí)(L5)：虛實(shí)共生

虛實(shí)共生[35]作為數(shù)字孿生的理想目標(biāo)，指物理實(shí)體和數(shù)字孿生模型在長(zhǎng)時(shí)間的同步運(yùn)行過程中，甚至是在全生命周期中通過動(dòng)態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)自主孿生，具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級(jí)的第五等級(jí)(L5)。在該等級(jí)，物理實(shí)體和數(shù)字孿生模型能夠基于雙向交互實(shí)時(shí)感知和認(rèn)知對(duì)方的更新內(nèi)容，并基于兩者間的差異，利用3D打印、機(jī)器人、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和數(shù)字孿生模型的自主構(gòu)建或動(dòng)態(tài)重構(gòu)，使兩者在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過程中保持動(dòng)態(tài)一致性，從而保證包括可視化、預(yù)測(cè)、決策、優(yōu)化等諸多功能服務(wù)的有效性，實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、可持續(xù)的數(shù)字孿生。

以機(jī)器人為例，在運(yùn)行階段，通過多類傳感器監(jiān)測(cè)物理機(jī)器人的磨損情況，并將幾何模型、物理模型和規(guī)則模型進(jìn)行重構(gòu)和更新，使由幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型組成的機(jī)器人數(shù)字孿生模型與機(jī)器人在漫長(zhǎng)的運(yùn)行過程中始終保持動(dòng)態(tài)一致，保證基于數(shù)字孿生模型的預(yù)測(cè)結(jié)果和決策方案的有效性。

3 數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)因子

數(shù)字孿生成熟度等級(jí)從宏觀角度描述了數(shù)字孿生的概念范疇和階梯目標(biāo)，以及由各階段目標(biāo)串聯(lián)而成的數(shù)字孿生演進(jìn)路徑。為實(shí)現(xiàn)可操作的數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)，從物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、連接交互和功能服務(wù)五個(gè)維度，進(jìn)一步分析得到能夠影響數(shù)字孿生成熟度等級(jí)的19個(gè)相關(guān)因素，將其作為評(píng)價(jià)因子進(jìn)行成熟度分級(jí)，并明確數(shù)字孿生各成熟度等級(jí)對(duì)于評(píng)價(jià)因子成熟度等級(jí)的具體要求，如表1所示。

表1 數(shù)字孿生各成熟度等級(jí)要求

3.1 物理實(shí)體維度的評(píng)價(jià)因子

物理實(shí)體是負(fù)責(zé)感知環(huán)境和實(shí)際執(zhí)行控制指令，并提供實(shí)際功能的維度，同時(shí)，物理實(shí)體的數(shù)據(jù)接口和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與共享起到了重要支撐作用，因此，將物理實(shí)體的控制、傳感器和數(shù)據(jù)接口與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3個(gè)方面作為數(shù)字孿生成熟度的評(píng)價(jià)因子，并對(duì)其進(jìn)行成熟度分級(jí)，如表2所示。

表2 物理實(shí)體維度的評(píng)價(jià)因子

續(xù)表2

3.2 數(shù)字孿生模型維度的評(píng)價(jià)因子

數(shù)字孿生模型通過物理實(shí)體進(jìn)行描述，將物理空間中的實(shí)體對(duì)象在信息空間中復(fù)現(xiàn)，為仿真分析、可視化監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和在線決策優(yōu)化等眾多功能提供模型支持。根據(jù)作者團(tuán)隊(duì)前期提出的數(shù)字孿生模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，數(shù)字孿生模型可基于有效性、通用性、高效性、直觀性、連通性、整體性、靈活性和智能性8種性能指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)估[9]，結(jié)合本文對(duì)數(shù)字孿生模型成熟度評(píng)價(jià)的特殊需求(側(cè)重于對(duì)數(shù)字孿生成熟度的影響，而非模型本身的質(zhì)量、效率或精度等)，將完整度、標(biāo)準(zhǔn)化程度、數(shù)據(jù)接口、整體性和靈活性5個(gè)方面作為數(shù)字孿生成熟度的評(píng)價(jià)因子，并對(duì)其進(jìn)行成熟度分級(jí)，如表3所示。

表3 數(shù)字孿生模型維度的評(píng)價(jià)因子

續(xù)表3

3.3 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)維度的評(píng)價(jià)因子

數(shù)字孿生數(shù)據(jù)匯聚了通過采集、讀取、生成和融合等方式獲得的所有數(shù)據(jù)，是驅(qū)動(dòng)物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型和功能服務(wù)運(yùn)行的核心維度。數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的豐富性、兼容性、可訪問性和質(zhì)量直接影響數(shù)字孿生成熟度等級(jí)。因此，將數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的豐富性、兼容性、可訪問性和質(zhì)量4個(gè)方面作為數(shù)字孿生成熟度的評(píng)價(jià)因子，并對(duì)其進(jìn)行成熟度分級(jí)，如表4所示。

表4 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)維度的評(píng)價(jià)因子

3.4 連接交互維度的評(píng)價(jià)因子

連接交互是助力數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)以虛映實(shí)、以虛控實(shí)乃至虛實(shí)共生的重要維度，而連接交互的方式、時(shí)延、對(duì)象和范圍與質(zhì)量直接決定了其能否為物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型和功能服務(wù)提供時(shí)效數(shù)據(jù)。因此，將連接交互的方式、時(shí)延、對(duì)象和范圍與質(zhì)量4個(gè)方面作為數(shù)字孿生成熟度的評(píng)價(jià)因子，并對(duì)其進(jìn)行成熟度分級(jí)，如表5所示。

表5 連接交互維度的評(píng)價(jià)因子

3.5 功能服務(wù)維度的評(píng)價(jià)因子

數(shù)字孿生功能服務(wù)的多樣性一定程度上直接反映了數(shù)字孿生成熟度水平，而功能服務(wù)的集成度和靈活性則是決定數(shù)字孿生功能服務(wù)能否充分發(fā)揮其效用和價(jià)值的關(guān)鍵。以面向抓取任務(wù)的機(jī)器人為例，如果其機(jī)器視覺服務(wù)、伺服電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取服務(wù)、伺服電機(jī)控制服務(wù)和軌跡規(guī)劃服務(wù)無法集成，機(jī)器人就無法實(shí)現(xiàn)智能抓取決策和控制，即在面向抓取任務(wù)時(shí)無法達(dá)到以虛優(yōu)實(shí)的成熟度等級(jí)。因此，將功能服務(wù)的多樣性、集成度和靈活性3個(gè)方面作為數(shù)字孿生成熟度的評(píng)價(jià)因子，并對(duì)其進(jìn)行成熟度分級(jí)，如表6所示。

表6 功能服務(wù)維度的評(píng)價(jià)因子

續(xù)表6

4 數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程

上述數(shù)字孿生成熟度等級(jí)和數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)因子構(gòu)成了數(shù)字孿生成熟度模型，如圖2所示。其中，數(shù)字孿生成熟度等級(jí)系統(tǒng)性描述了數(shù)字孿生的概念范疇和階段性目標(biāo)，以及數(shù)字孿生在各個(gè)發(fā)展階段所具有的能力特征，而數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)因子則從物理實(shí)體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、連接交互和功能服務(wù)5個(gè)細(xì)分維度，分別梳理了不同成熟度等級(jí)的數(shù)字孿生所需要具備的不同程度的能力，為可操作的數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生成熟度模型主要用途是對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用進(jìn)行成熟度評(píng)價(jià)，確定當(dāng)前數(shù)字孿生應(yīng)用整體的成熟度等級(jí)和成熟度評(píng)分，以及各維度評(píng)價(jià)因子的成熟度等級(jí)，從而明確該應(yīng)用目前的短板，進(jìn)而基于短板提供具有針對(duì)性的數(shù)字孿生優(yōu)化建議?；诖耍疚奶岢鲇稍u(píng)價(jià)、分析和優(yōu)化三階段構(gòu)成的數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程，如圖3所示。其中，數(shù)字孿生成熟度模型主要參與確定數(shù)字孿生成熟度等級(jí)與評(píng)分、確定短板和提供優(yōu)化建議3個(gè)環(huán)節(jié)。

在確定數(shù)字孿生成熟度等級(jí)與評(píng)分環(huán)節(jié)，依據(jù)表2～表6的內(nèi)容分別確定每一個(gè)數(shù)字孿生五個(gè)維度下各評(píng)價(jià)因子的成熟度等級(jí)，并依據(jù)表1分別確定單項(xiàng)評(píng)價(jià)因子所能支撐的數(shù)字孿生成熟度的最高等級(jí)，記為整數(shù)XXnow，以及單個(gè)維度所能支撐的數(shù)字孿生成熟度的最高等級(jí)，記為整數(shù)Xnow。根據(jù)式(1)確定每項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的成熟度評(píng)分sXX，根據(jù)式(2)確定各維度的成熟度評(píng)分sX。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)表1內(nèi)容確定當(dāng)前數(shù)字孿生成熟度等級(jí)，記為整數(shù)Lnow，并根據(jù)式(3)確定數(shù)字孿生成熟度評(píng)分sL。

(1)

(2)

sL=Lnow+∑ωiSTEPi,i=1，2，…n，∑ωi=1。

(3)

其中：STEPi表示使當(dāng)前數(shù)字孿生成熟度等級(jí)提升一級(jí)所需的第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的成熟度等級(jí)是否達(dá)到(n取值為各評(píng)價(jià)因子需提升的成熟度等級(jí)之和)，達(dá)到時(shí)STEPi=1，未達(dá)到時(shí)STEPi=0；ωi表示維度X第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的成熟度等級(jí)對(duì)于提升1級(jí)數(shù)字孿生成熟度等級(jí)的權(quán)重。

5 應(yīng)用案例

為驗(yàn)證本文提出的數(shù)字孿生成熟度模型及其應(yīng)用流程，分別對(duì)單元級(jí)數(shù)字孿生(數(shù)字孿生機(jī)器人)和系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生(數(shù)字孿生車間)進(jìn)行成熟度評(píng)價(jià)。其中，對(duì)單元級(jí)數(shù)字孿生的成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果用于指導(dǎo)其升級(jí)優(yōu)化，對(duì)系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生的成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果用于比較多個(gè)數(shù)字孿生應(yīng)用的發(fā)展程度。

5.1 單元級(jí)數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)

現(xiàn)有一種面向人機(jī)協(xié)作任務(wù)的數(shù)字孿生機(jī)器人，為滿足應(yīng)用需求，期望其能夠在動(dòng)態(tài)避障的前提下實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作過程的優(yōu)化控制。為確定該數(shù)字孿生機(jī)器人當(dāng)前所處的數(shù)字孿生成熟度等級(jí)是否滿足預(yù)期應(yīng)用需求，依據(jù)上文提出的數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)。若評(píng)價(jià)結(jié)果無法滿足應(yīng)用需求，根據(jù)數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果確定相應(yīng)短板，并基于短板提供具有針對(duì)性的數(shù)字孿生優(yōu)化升級(jí)建議。

(1)評(píng)價(jià)對(duì)象主要描述及評(píng)價(jià)依據(jù)

該數(shù)字孿生機(jī)器人的主要信息如下：①機(jī)器人本身是六自由度工業(yè)機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)全面數(shù)控，但無法完全擺脫人力進(jìn)行全自動(dòng)化運(yùn)行。②機(jī)器人的數(shù)字孿生模型擁有精準(zhǔn)的三維可視化模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型、電磁學(xué)模型、能力模型、響應(yīng)模型和約束模型，以及用于實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃、避障、視覺定位、視覺分類等功能的算法模型，這些子模型的格式、參數(shù)和數(shù)據(jù)接口遵循行業(yè)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，且數(shù)據(jù)接口滿足數(shù)字孿生模型運(yùn)行需求。③各子模型可自動(dòng)解析和配置，模型數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)融合，能夠保證多個(gè)子模型相關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)效性、完整性和一致性。④在人工組裝模型的過程中，數(shù)字孿生機(jī)器人能夠?yàn)榧夹g(shù)人員提供組裝邏輯可視化輔助功能。⑤機(jī)器人配備了與任務(wù)相關(guān)的傳感器，包括分辨率、幀數(shù)和精度足夠高的彩色—深度雙目相機(jī)，安裝在氣動(dòng)夾爪上的力傳感器，安裝在6各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)上的力矩/角度傳感器，以及其它必要傳感器，且所有傳感器采集到的感知數(shù)據(jù)均能通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和機(jī)器人的數(shù)據(jù)接口被上位機(jī)系統(tǒng)直接讀取。⑥目前可獲取的數(shù)據(jù)包括機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，機(jī)器人數(shù)字孿生模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)，連接交互的配置數(shù)據(jù)，以及功能服務(wù)維度新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源主要包括本地?cái)?shù)據(jù)庫、模型文件、機(jī)器人管理系統(tǒng)、物理機(jī)器人示教器和機(jī)器人數(shù)字孿生模型運(yùn)行環(huán)境等，這些數(shù)據(jù)基本遵循行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，能夠互相兼容，不存在重復(fù)、缺漏、歧義和錯(cuò)誤現(xiàn)象，且存在針對(duì)物理機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)器人數(shù)字孿生模型運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控和預(yù)警機(jī)制。⑦各傳感器、上位機(jī)、機(jī)器人控制器、機(jī)器人示教器、數(shù)字孿生模型、數(shù)據(jù)庫、機(jī)器人管理系統(tǒng)和軟件功能模塊之間的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)交互接口由人進(jìn)行配置，系統(tǒng)可提供候選接口并提供連接測(cè)試功能來輔助連接配置過程，正確配置后可穩(wěn)定運(yùn)行，無漏傳、重復(fù)傳、錯(cuò)傳和阻塞現(xiàn)象，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延平均為800 ms，機(jī)器人關(guān)節(jié)、夾爪和相機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延約為70 ms，基于數(shù)據(jù)交互監(jiān)控和預(yù)警機(jī)制，在發(fā)生數(shù)據(jù)交互異常時(shí)系統(tǒng)能夠及時(shí)報(bào)警。⑧數(shù)字孿生機(jī)器人目前能夠提供的服務(wù)包括機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)感知，抓取對(duì)象方位感知，障礙物方位感知與預(yù)測(cè)，機(jī)器人遠(yuǎn)程操控和運(yùn)行過程可視化，多類數(shù)據(jù)的傳輸、預(yù)處理和挖掘，數(shù)字孿生模型的配置和虛擬控制，以及對(duì)連接交互和功能服務(wù)的配置，這些功能服務(wù)均能進(jìn)行人工配置和優(yōu)化，并能夠自動(dòng)匹配任務(wù)需求，除抓取對(duì)象方位感知和障礙物方位感知兩種服務(wù)外，其余服務(wù)均已在可兼容的軟件環(huán)境下集成。

(2)成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)上述數(shù)字孿生機(jī)器人信息，基于本文提出的數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程對(duì)數(shù)字孿生機(jī)器人進(jìn)行成熟度評(píng)價(jià)，如圖4所示。該應(yīng)用案例中使用的所有權(quán)重值均為默認(rèn)的平均權(quán)重。對(duì)于其他案例，若有必要且條件允許，可聘請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的專家對(duì)各項(xiàng)權(quán)重進(jìn)行個(gè)性化設(shè)定。

由圖4可知，該數(shù)字孿生機(jī)器人處于數(shù)字孿生成熟度等級(jí)的第二級(jí)，量化成熟度評(píng)分為2.90，而該數(shù)字孿生機(jī)器人的預(yù)期目標(biāo)是能夠在動(dòng)態(tài)避障的前提下實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作過程的優(yōu)化控制，對(duì)應(yīng)數(shù)字孿生成熟度等級(jí)的第四級(jí)，從整體來看，該應(yīng)用尚未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。從五個(gè)維度來看，物理實(shí)體和連接交互兩個(gè)維度的各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子成熟度等級(jí)均已達(dá)標(biāo)，而數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生模型和功能服務(wù)3個(gè)維度下的部分評(píng)價(jià)因子成熟度等級(jí)亟待進(jìn)一步提升，具體包括數(shù)字孿生模型的整體性、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的質(zhì)量，以及功能服務(wù)的多樣性和集成度。

(3)優(yōu)化升級(jí)建議

為彌補(bǔ)上述短板以滿足應(yīng)用需求，可采取以下措施改進(jìn)數(shù)字孿生機(jī)器人：①建立更加完善的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和修正機(jī)制，保證功能服務(wù)維度產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)無重復(fù)、缺漏、歧義和錯(cuò)誤現(xiàn)象；②利用合適的算法和策略有效融合各模型的特征數(shù)據(jù)和基于模型的決策數(shù)據(jù)，保證其時(shí)效性、完整性和一致性；③連接相機(jī)軟件與數(shù)字孿生模型，使抓取對(duì)象方位感知和障礙物方位感知兩種服務(wù)與其余服務(wù)在可兼容的軟件環(huán)境下集成；④基于對(duì)于障礙物的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行避障優(yōu)化控制，進(jìn)而使其能夠基于動(dòng)態(tài)避障機(jī)制實(shí)現(xiàn)智能的人機(jī)協(xié)作。

5.2 系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)

現(xiàn)有數(shù)字孿生車間A和數(shù)字孿生車間B，為綜合比較兩者在數(shù)字孿生方面的能力，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)。

(1)評(píng)價(jià)對(duì)象主要描述及評(píng)價(jià)依據(jù)

車間A的主要信息如下：①車間內(nèi)有多臺(tái)機(jī)械臂和多條傳送帶，所有設(shè)備均可數(shù)字化控制，并可在人的配合和控制下實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程的可視化監(jiān)測(cè)；②車間內(nèi)配有一些傳感器，感知數(shù)據(jù)可基于相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口自動(dòng)讀取，但感知的數(shù)據(jù)類型僅包括部分機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和傳送帶的運(yùn)行數(shù)據(jù)；③車間數(shù)字孿生模型包括相關(guān)設(shè)備的三維可視化模型、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型、能力模型和約束模型，這些模型的參數(shù)能夠保證準(zhǔn)確和一致，各子模型本身能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)配置，并能夠在人工模型組裝的過程中提供組裝邏輯驗(yàn)證和錯(cuò)誤警示功能，各子模型的數(shù)據(jù)接口符合領(lǐng)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，且滿足應(yīng)用需求；④車間的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行數(shù)據(jù)，車間數(shù)字孿生模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及相關(guān)配置數(shù)據(jù)，均能從本地?cái)?shù)據(jù)庫、模型文件、物理車間、數(shù)字孿生模型運(yùn)行環(huán)境和車間管理系統(tǒng)中有效獲取，獲取的數(shù)據(jù)無重復(fù)、缺漏、歧義和錯(cuò)誤現(xiàn)象，但基于原始獲取數(shù)據(jù)處理生成的部分?jǐn)?shù)據(jù)存在缺漏；⑤車間內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備之間的連接交互能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)配置與重構(gòu)，交互時(shí)延平均值為2.1 s，其中，機(jī)械臂和傳送帶的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延約為125 ms, 交互過程無數(shù)據(jù)漏傳、重復(fù)傳、錯(cuò)傳和阻塞現(xiàn)象，存在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測(cè)和報(bào)警機(jī)制；⑥車間管理系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)人員、車間內(nèi)的設(shè)備之間的交互過程比較方便和敏捷；⑦數(shù)字孿生車間的軟件環(huán)境互相兼容，功能集成度較高，且離散功能被封裝為支持系統(tǒng)自動(dòng)請(qǐng)求、匹配和調(diào)用的服務(wù)。

車間B的主要信息如下：①車間內(nèi)有多臺(tái)大型機(jī)械設(shè)備、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備和倉儲(chǔ)設(shè)備，所有設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和遠(yuǎn)程管控，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程的可視化監(jiān)測(cè)；②車間內(nèi)配有滿足應(yīng)用需求的傳感器和數(shù)據(jù)接口，感知數(shù)據(jù)和各設(shè)備數(shù)據(jù)可自動(dòng)讀取；③車間數(shù)字孿生模型包括相關(guān)設(shè)備的三維可視化模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、能力模型、響應(yīng)模型和約束模型，以及用于實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃功能的算法模型；④各子模型的數(shù)據(jù)接口、參數(shù)和格式符合行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，可支持人工配置、組裝和重構(gòu)，并曾在產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)成功遷移；⑤各子模型的數(shù)據(jù)接口滿足需求，且基于各子模型的相關(guān)決策具有一致性；⑥可獲取的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)包括車間的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，車間數(shù)字孿生模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)，連接交互的配置數(shù)據(jù)，以及功能服務(wù)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的新數(shù)據(jù)，主要來源包括本地?cái)?shù)據(jù)庫、模型文件、物理車間、車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行環(huán)境和車間管理系統(tǒng)，上述數(shù)據(jù)無重復(fù)、缺漏、歧義和錯(cuò)誤現(xiàn)象，且存在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、驗(yàn)證、評(píng)估和預(yù)警機(jī)制，大部分?jǐn)?shù)據(jù)符合行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)；⑦車間內(nèi)的連接配置過程由人工完成，但系統(tǒng)可提供連接檢測(cè)的輔助功能；⑧連接和交互范圍覆蓋車間內(nèi)相關(guān)設(shè)備、人、車間數(shù)字孿生模型、各種軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交互過程基本沒有漏傳、重復(fù)傳、錯(cuò)傳和阻塞延誤現(xiàn)象，交互時(shí)延平均為175 s，其中，大型機(jī)械設(shè)備、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備和倉儲(chǔ)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延約為305 ms；⑨在車間運(yùn)行的過程中進(jìn)行連接自檢偶爾會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)停止傳輸；⑩車間運(yùn)行階段的大部分緊耦合功能服務(wù)能夠在兼容的軟件環(huán)境下集成，各功能可進(jìn)行人工配置和優(yōu)化，并能夠支持系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)調(diào)用。

(2)成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)上述信息，基于本文提出的數(shù)字孿生成熟度模型應(yīng)用流程對(duì)兩種數(shù)字孿生車間進(jìn)行評(píng)價(jià)與比較，如圖5所示。該應(yīng)用案例中使用的所有權(quán)重值均為默認(rèn)的平均權(quán)重。在實(shí)際應(yīng)用過程中，若條件允許可聘請(qǐng)相應(yīng)領(lǐng)域的專家設(shè)定權(quán)重。

由圖5可知，車間A處于數(shù)字孿生成熟度的第一級(jí)，成熟度評(píng)分為1.91，車間B處于數(shù)字孿生成熟度的第二級(jí)，成熟度評(píng)分為2.90，從整體來看，車間B的數(shù)字孿生發(fā)展程度較高。從數(shù)字孿生的五個(gè)維度來看，車間A在連接交互維度比車間B更具優(yōu)勢(shì)，車間B則在其余4個(gè)維度優(yōu)于車間A。

6 結(jié)束語

數(shù)字孿生是物理實(shí)體為了滿足實(shí)際的應(yīng)用需求，借助數(shù)字化手段不斷進(jìn)化的結(jié)果，而并非直接目的。各類數(shù)字孿生應(yīng)根據(jù)自身發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用需求，制定相應(yīng)的數(shù)字孿生建設(shè)和發(fā)展目標(biāo)。而目前尚缺少一套用于評(píng)價(jià)現(xiàn)有數(shù)字孿生發(fā)展程度，明確數(shù)字孿生建設(shè)方向和階段性發(fā)展目標(biāo)，并指導(dǎo)其升級(jí)優(yōu)化的理論體系。為此，本文將數(shù)字孿生的成熟過程劃分為“以虛仿實(shí)(L0)、以虛映實(shí)(L1)、以虛控實(shí)(L2)、以虛預(yù)實(shí)(L3)、以虛優(yōu)實(shí)(L4)、虛實(shí)共生(L5)”六個(gè)成熟度等級(jí)，并基于作者團(tuán)隊(duì)前期提出的數(shù)字孿生五維模型，進(jìn)一步分析提出五個(gè)維度下的19項(xiàng)數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)因子，從而設(shè)計(jì)得到數(shù)字孿生成熟度模型及其應(yīng)用流程。在此基礎(chǔ)上，為驗(yàn)證所提數(shù)字孿生成熟度模型及其應(yīng)用流程，分別對(duì)單元級(jí)數(shù)字孿生(數(shù)字孿生機(jī)器人)和系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生(數(shù)字孿生車間)進(jìn)行了成熟度評(píng)價(jià)。

本文相關(guān)工作期望能為不同人員正確認(rèn)知和理解數(shù)字孿生提供參考，為研究者進(jìn)一步開展理論研究提供有益借鑒；為決策者和管理者評(píng)判現(xiàn)有數(shù)字孿生能否滿足預(yù)期應(yīng)用需求和目標(biāo)提供方法，從而更好地制定提升方案；為實(shí)踐者更好推動(dòng)數(shù)字孿生落地應(yīng)用提供指導(dǎo)。

未來將進(jìn)一步完善所提數(shù)字孿生成熟度等級(jí)、評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)流程，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，開發(fā)數(shù)字孿生成熟度評(píng)價(jià)工具，助力數(shù)字孿生的推廣應(yīng)用。數(shù)字孿生研究和應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，本文如存在不足之處，懇請(qǐng)國(guó)內(nèi)外專家和同行批評(píng)指正。

致謝

本文研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(52120105008)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020YFB1708400)的支持。除所列作者外，北航數(shù)字孿生智造實(shí)驗(yàn)室其他成員也參與了本文的討論，在此一并表示感謝。感謝李培根院士、嚴(yán)新平院士、孫林夫教授、葉猛處長(zhǎng)、于海斌等專家對(duì)本文相關(guān)工作的指導(dǎo)。感謝來自企業(yè)界的雷毅、寧振波、趙敏、朱鐸先、黃培等專家對(duì)本文有關(guān)工作的討論與建議。