复杂系统数字孪生设计框架
来源：数字孪生DT
摘 要
摘 要
数字孪生在虚拟空间中表征物理系统，以支持知识密集型任务。对于复杂的物理系统，通常可以通过一个由数字孪生组成的聚合系统，结合服务网络，来实现有效的数字集成。设计此类数字孪生与服务系统涉及众多复杂的选项和考量因素。
本文提出了一种设计框架，旨在促进在设计用于整合复杂物理系统数据的数字孪生系统时做出系统且有效的决策。该设计框架分为六个步骤：1）需求与约束分析，2）物理系统分解，3）服务分配，4）性能与质量考量，5）实施因素考虑，以及6）验证与确认。此设计框架基于一种通用参考架构，该架构将数字孪生的层次聚合与服务导向架构相结合。此参考架构支持关注点分离、计算负载分布、增量开发以及模块化软件设计。本文采用两个案例研究（即定日镜场和智慧城市）来评估设计框架的优点。这些案例研究表明，该设计框架可广泛应用于各种复杂系统，并能提高设计过程的效率。
关键词:设计框架、复杂系统、数字孪生、聚合、面向服务的架构
研究背景
数字孪生的起源：数字孪生最初用于创建物理产品的虚拟表示，以在整个生命周期中反映物理产品。随着数字孪生概念的发展，它已成为工业4.0倡议的重要推动力，包括连接性和智能性，以实现分散化和适应性强的生产环境。
数字孪生在复杂系统中的应用：数字孪生在许多以工程为中心的领域中得到应用，如制造业、智能城市设计、水处理设施、海事领域、航空航天、医疗保健等。数字孪生提供的数据允许集成服务和模型，以改善与物理系统相关的知识密集型任务。
数字孪生的系统集成：对于复杂系统，通过一系列聚合的数字孪生与服务网络的结合，可以有效地实现数字集成。设计这样的数字孪生和服务系统涉及大量的选项和考虑因素。
研究方法
设计框架的目标：该框架旨在在设计代表复杂物理系统的数字孪生系统时，实现系统化、有效的决策。它采用层次聚合作为主要使能器，并与服务网络结合使用。
设计框架概述：设计框架分为六个步骤：需求和约束分析、物理系统分解、服务分配、性能和质量考虑、实施考虑和验证与验证。设计框架使用一般参考架构，该架构结合了数字孪生聚合层次结构和服务导向架构。
实施考虑：实施考虑包括选择安全标准和协议、管理服务、通信机制和标准、存储解决方案以及软件元素的托管位置。
实验设计
本文通过太阳能定日镜场和智慧城市两个案例研究来说明设计框架的应用。
太阳能定日镜场案例研究： 在太阳能发电场中，定日镜被用于将阳光反射至集热器上。随着太阳的移动，每个定日镜必须不断调整其镜面方向。该案例研究选择了一个5MW的太阳能发电场，由10,000个定日镜组成。其中物理组成分为四个层级：单个定日镜、定日镜组、定日镜集群和整个太阳能发电场。
智慧城市案例研究：智慧城市的目标是以可持续的方式改善城市的制度治理、生活质量、经济和物质（自然和人造）方面，最终提升城市中公民的幸福感。本文基于智慧伦敦和智慧桑坦德构想了一个假设性的智慧城市。该案例研究展示了如何将设计框架应用于具有许多不同组件的系统，其中需要整合多个子系统，并且重点考虑了数据量、数据异质性以及数据隐私。
结果分析
太阳能定日镜场案例研究：通过应用设计框架，开发了一个能够有效代表太阳能定日镜场的架构。需求和约束分析确定了性能效率和可重构性是主要的质量属性。物理系统分解确定了四个层次结构级别，服务分配确定了哪些服务需要开发，并将服务分配给数字孪生或服务网络。
智能城市案例研究：智能城市案例研究展示了设计框架如何应用于具有许多不同组件的系统。该案例研究还提供了对如何处理动态组件（如车辆）的见解，并强调了服务网络的重要性。
总体结论
本文提出了一种设计框架，旨在设计能够反映复杂系统的数字孪生系统时做出系统性决策。该参考架构主要包含三个部分：数字孪生聚合层次结构、服务网络和管理服务。数字孪生聚合层次结构支持开发可靠且以物理系统为中心的服务，而服务网络则允许开发高度灵活且以业务为中心的服务。因此，该参考架构强调关注点分离，并允许在多利益相关方环境中表示复杂系统。
设计框架分为六个步骤（用数字表示）和四个设计阶段（用字母表示）：A1）需求和约束分析，A2）物理系统分解，B3）服务分配，C4）性能和质量考虑，C5）实施考虑，以及D6）验证和确认。
两个案例研究展示了设计框架能够系统地、可追溯地设计数字孪生系统，同时保持领域独立性。设计框架有助于将设计集中在关键领域，并提高开发团队的沟通效率。未来的工作还应考虑使用设计模式来更好地指导给定设计步骤内的设计努力，并考虑从系统级需求到服务级需求的过渡，以及如何处理重叠或冲突的需求。
全文阅读
