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【MOOC透视】掌握这组数字孪生术语,你确实知道的有点太多了......

王涛 室联网 MOOC 2022-08-02


【总第304期】


掌握这组数字孪生术语,你确实知道的有点太多了





【MOOC导读】数字孪生(Digital Twin)也被称为数字映射、数字镜像,现阶段已被应用于航空航天、城市规划、医疗保健和制造等许多行业。在教育领域的应用也越来越多,如通过在VR或AR体验中应用数字孪生技术,医学生可以对动物和人类尸体的虚拟模型进行解剖和分析,更准确地实现和全面地研究复杂的化学和分子建模;可以实现更个性化的学习,允许学生以自己的速度独立完成以前需要小组配合完成的项目等。很多IT巨头纷纷推出自己的数字孪生创建平台,如NVIDIA2021年11月宣布,将利用Omniverse构建一台名为Earth-2的超级计算机,通过创建一个数字孪生地球来预测气候变化;亚马逊在2021年12月推出了AWS IoT TwinMaker平台,简化了数字孪生的创建。不难想象,未来数字孪生将会走进更广阔的应用场景,走进人们的日常生活。有鉴于此,我编译分享美国数字孪生联盟(Digital Twin Consortium,DTC)发布的数字孪生和数字孪生技术术语表,方便大家了解这一领域发展的基本概念和技术。

原文链接:https://www.digitaltwinconsortium.org/glossary/index.htm


数字孪生术语表


聚合(Aggregation)

聚合是一种涉及复制数据以将其收集到中心位置的集成策略。


韦氏词典(Miriam Webster)将动词“聚合”定义为“收集或聚集成一团或整体”。在软件体系结构中,聚合意味着从多个系统收集、复制信息,并可能将其转换到单个集中式系统。


计算表征(Computational Representation)

计算表征是一种可执行的数字表示,由计算算法和从动态的角度表示某些主题的支撑数据组成。示例包括模拟和预测分析。


计算表征的主题通常是一个过程或一组实体,其属性是感兴趣的时间框架内的时间函数。


在执行时(也称为“运行”),计算表征通常将存储的表征作为输入,其计算算法生成存储的表征作为输出。计算表征也可以使用引用数据,这实际上只是存储表征的另一个示例。计算表征的示例包括有限元分析(FEA)模型、机器学习模型以及基于数学方程的各种其他类型的模拟,包括描述物理和工程定律的模拟。

 

两类数字表征


网络物理系统(Cyber-Physical System)

由物理和数字系统通过网络集成组成的系统。物理实体与其数字孪生一起就组成了一个典型的网络物理系统。物理设备与其所紧密集成的数字控制系统是网络物理系统的另一个例子。这种网络物理系统可以被视为一个由数字孪生表征的真实实体。


数据互操作性(Data Interoperability)

数据互操作性是一个功能性数字孪生子系统,它通过聚合或联合可能被视为数字孪生系统 “内部”或“外部”的数字系统的数据来支持其集成表示/功能。


数据模型(Data Model)

数据模型是描述其结构、数据类型和含义的数据的模型。

数据模型将使用一些定义其结构化数据方法的数据建模范式。例如:

    •关系范式将数据构造成具有列和外键的表

    •实体关系范式将数据构造为具有属性的类,并支持关系类来表达关系

    •三重图范式将数据构造为一系列主谓宾的“三重图”

    •属性图范式将数据构造为图中的节点,节点由类定义,属性和边由单独的类定义。


与列/属性/特性关联的数据类型可以是“文本”或“日期”或“数值”或更专业的数据类型,如“整数”或“浮点数”。可用的特定数据类型因数据建模语言而异。


根据数据模型构造的特定数据的含义可以通过使用真实世界概念的名称命名数据建模元素(表/列/类/属性)来编码。例如,数据类型为“number”、名为“device.weight”的结构部分中的特定数据可以理解为表示物理设备的重量,用数字表示。这些名称可以与自然语言文档交叉引用,提供对建模数据含义的更详细描述。一些数据建模语言允许将其他元数据与元素关联,例如“设备重量”的度量单位。


给定的数据模型可能位于实现范围的某个地方。它可以是与实现无关的“逻辑”或“概念”数据模型,也可以是专用于持久性的数据模型,如SQL数据库模式。通常,高级概念数据模型通过API公开,但由实现API的软件映射到低级实现特有的数据模型。


数据模型的主题可以是存储表征的数据。相反,许多存储表征具有描述其结构和含义的数据模型。“数据模型”的媒介是数据建模语言。“数据模型”的建模视角包括其基于“实现视角”数据建模范式,以及它将现实世界主题简化为描述该主题各方面特征的命名/结构化数据的选择。


下图显示了与存贮表征相关的数据模型和及其如何与物理世界相关联。


 


有时,人们也使用术语“模型”来表示“数据模型”,尤其是当他们将“数据建模”作为工作的一部分时。他们可以使用“建筑模型”之类的术语来指代用于创建建筑存储表征(而不是特定建筑的特定数字表征)的数据模型。因此,使用像“模式”这样的同义词可能会有所帮助,因为“建筑模式”将更可信地解释为“用于构建表示建筑数据的数据模型”,而不是特定建筑的存储表征(也称为“模型”)。


例如,特定真实建筑的存储表征将包含表示该建筑相关方面的数据,以用于所需用例。存储表征将有一个“建筑物数据模型”,该模型定义了可以在存储表征的数据中表示的真实世界建筑物的概念,以及它们在存储表征的数据中的命名、结构和表示方式。


参见 “数字孪生系统中的数据建模”(data modeling in digital twin systems)


替代术语:本体(Ontology)、模式(Schema)、信息模型(Information Model) 



数字孪生系统中的数据建模(Data Modeling in Digital Twin Systems)

数据模型和拓扑在数字孪生系统中能发挥多种功能作用。



 

持久性数据模型使用数据建模语言以与持久性技术兼容的方式描述数据结构和类型。如果持久化技术是关系数据库,那么这将是一个SQL DDL“模式”。其他持久性技术将使用不同的数据建模范式和数据建模语言。


服务接口包含一个逻辑数据模型,该模型描述API或协议使用的数据结构和类型。此数据模型可能不同于较低级别的持久性数据模型,API实现处理二者之间的映射。示例包括OData的CSDL(用于实体关系样式RESTAPI)和GraphQL模式(用于属性图样式API)。定义API或协议的逻辑数据模型的其他常见方法包括JSON模式和XML模式。非基于web的API以特定于编程语言的方式对数据进行建模。


概念数据模型旨在相对不受服务接口和存储表征的特定实现的功能、性能和可伸缩性问题的影响,以便它们能够专注于描述数字孪生域中的真实世界概念。这些数据模型可能是机器可读的,也可能不是机器可读的,因为它们可能仅用于指导GUI和较低级别数据模型的开发。


概念数据模型可用于数字孪生系统,该系统集成来自多个存储表征的信息,每个存储表征都有自己的持久性和逻辑数据模型。数字孪生系统可能具有集成表征/功能,可使用与数字孪生系统整体本体兼容的概念数据模型访问数据。此功能可以使用多种数据建模语言,包括用于数据建模本体的语言。


由于集成表征/函数可能同时使用聚合和联合集成策略,因此与OData、SPARQL和GraphQL等集成友好服务接口兼容的数据建模语言可能很有用。它们既支持对聚合集成表征的访问,也支持映射到物理上独立的联合存储表征。


大多数数据建模语言都可以用于这些功能性角色中,并且可以组合角色。如果可以满足系统需求,则可以在概念、服务接口和持久性级别使用单个数据模型。集成服务接口的数据建模本体可以用作数字孪生系统的整体本体和集成表征/函数的数据模型。

 


数据建模语言(Data Modeling Language)

数据建模语言是用于定义数据模型的数据结构和数据类型的词法或图形语言。

图形数据建模语言示例:

    •UML(统一建模语言):可用于数据建模的通用建模语言。

    •ERD(实体关系图):一种非常适合关系数据库的数据建模语言。

    词法数据建模语言示例:

    •SQL数据定义语言(DDL):关系数据库模式的标准语言。

    •数字双定义语言(DTDL):一种属性图数据建模语言,支持通过“遥测”属性与物联网集成。DTDL是由Microsoft创建的,并且是开源的。

    •GraphQL模式:一种与GraphQL一起使用的属性图数据建模语言,用于支持来自多个源的数据的联合和特定目的的数据视图。GraphQL是由Facebook和开源软件创建的。

    •Web本体语言(OWL):一种三重图数据建模语言,是语义Web堆栈的一部分。

    •EXPRESS:一种实体关系数据建模语言,由STEP用于几何建模,IFC用于构建资产建模。


还有更多的例子。


数据建模本体(Data-modeling Ontology)

数据建模本体是一个本体,也是一个概念数据模型。

数据建模本体使用特定数据建模范式中的数据结构和数据类型来描述真实世界的通用性。理想情况下,它们还包括对所描述的共性人类可读的精确定义。


与数字孪生相关的数据建模本体示例的不完整列表包括:

    •DTDL

    •OWL

尽管数据建模本体定义了可用于表示本体定义实体实例的数据结构和数据类型,但这些数据结构和类型不必用于存储或传输数据。存储在不同数据结构中的数据可以引用本体定义的术语,以澄清数据的语义。数据建模本体可能会优先考虑对通用性的明确描述,而不是对数据持久性的优化。


数据建模范式(Data Modeling Paradigm)

数据建模范式是一种数据建模方法,具体体现在一组基本构造中,这些构造控制数据的结构和类型。


常见例子包括:

    •关系范式将数据构造成具有列和外键的表

    •实体关系范式将数据构造为具有属性的类,并支持关系类来表达关系。

    •三重图范式将数据构造为一系列主谓宾“三重”

    •属性图范式将数据构造为图中的节点,节点由类定义,属性和边由单独的类定义。

    •JSON使用ECMA-404定义的面向对象数据建模范式。

    •XML使用W3C XML信息集定义的分层数据建模范式。

    专用存储表征可以使用特殊的数据建模范式。


数字表征(Digital Representation)

数字表征是由结构化数字信息和/或计算算法组成的某些主题的表征(也称为“模型”)。


在计算机之前,我们用粘土、木材或塑料模型或图纸在纸上表示/模拟物理事物。如今,我们使用数字表征,其中可能包括3D模型、图纸或各种词法数据库。

替代术语:“数字模型”可用作“数字表征”的同义词。


狭义术语:我们通常可以将数字表征分为两大类:存储表征和计算表词法数据库,尽管这些类别之间可能有一些重叠。



数字系统体系(Digital System-of-Systems)

数字系统体系是由一个或多个其他数字系统组成的数字系统


数字线程(Digital Thread)

数字线程是一种跨多个维度虚拟表征的关联信息的机制,其中维度包括(但不限于)时间或生命周期阶段(包括设计意图)、模型类型和配置历史。


数字线程通常依赖于稳定、一致的真实世界标识符来“连接”不同的信息存储库。


数字孪生(Digital Twin)

数字孪生是真实世界实体和进程的虚拟表征,以指定的频率和保真度进行同步。


数字孪生系统通过加快整体理解、优化决策和有效行动来推动业务转型。


数字孪生使用实时和历史数据来表示过去和现在,并模拟预测未来。


数字孪生以成果为动力,根据用例定制,以集成为动力,以数据为基础,以领域知识为指导,并在IT/OT系统中实施。


数字孪生应用程序(Digital Twin Applications)

数字孪生应用程序是利用数字孪生服务和/或服务接口的软件应用程序。


数字孪生应用可被视为“使用”数字孪生系统,或是此类系统的“一部分”。


数字孪生应用程序由用例驱动。


数字孪生平台(Digital Twin Platform)

数字孪生平台是一组集成的服务、应用程序,和其他用于实现数字孪生系统的子系统。


数字孪生服务(Digital Twin Services)

数字孪生服务是数字孪生系统的功能子系统,通过利用数字孪生提供价值。

数字孪生服务包括:


    •针对web、移动、桌面、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备的可视化服务。

    •各种分析服务。

    •许多其他类型的服务将在稍后列出。


大多数数字孪生服务提供服务接口,供其他服务和数字孪生应用程序使用。


数字孪生系统(Digital Twin System)

数字孪生系统是实现数字孪生的系统体系。

 


数字孪生系统特征(Digital Twin System Feature)

数字孪生系统特征是数字孪生系统的一项功能,通常由数字孪生系统的子系统实现。


数字孪生用例(Digital Twin Use Case)

数字孪生用例是可以使用数字孪生实现预期结果的用例。数字孪生用例旨在改善结果,为数字孪生系统提供需求。数字孪生用例通常定义同步要求,包括同步频率等。


联合(Federation)

联合是一种集成策略,涉及到对数据存储库的协调访问,而无需对其进行集中复制。


联合仅意味着收集足够集中化的“索引”信息,以便以协调的方式使用联合系统,而不复制其大部分数据。如果需要转换数据,则会动态执行。


集成表征/函数(Integration Representation/Function)

集成表征/函数是数字孪生系统的子系统,提供对数字孪生系统存储表征的集成和语义一致访问。集成表征/函数可以包括用于数据聚合的存储表征和用于数据联合的函数。集成表征/函数与数字线程密切相关。


参见“数字孪生系统中的数据建模”。


集成服务接口(Integration Service Interface)

集成服务接口是数字孪生系统集成表征/函数的服务接口。


整合策略(Integration Strategies)

集成策略(在数字孪生系统中)是集成数据/信息以实现内聚虚拟表征的策略。

在软件体系结构中,有两种主要的数据集成模式:聚合和联合。


单个存储的表征(包括计算表征的输入和输出)可以通过数字孪生系统的集成表征/函数进行集成。


数字孪生系统的集成服务接口可以作为服务接口,将整个数字孪生系统公开为存储表征,而存储表征又可以由更大的数字孪生系统(数字孪生系统的联合)聚合。


介入频率(Interventional Frequency)

介入频率是一种同步频率,用于表征现实中发生干预的频率,以便将现实与存储表征的状态同步。


IT/OT平台(IT/OT Platform)

数字孪生系统的IT/OT平台是一组信息技术和运营技术基础设施和服务,数字孪生系统的子系统是在这些基础设施和服务上实现的。


IT/OT平台的子系统包括:

    •软件平台和工具堆栈。

    •平台API

    •底层基础设施的协调

    •计算、存储和网络基础架构


这些系统可以是基于云的、内部部署的、嵌入式的、移动的、分布式的等。


管理和自动化(Management and Automation)

管理和自动化是一个功能性数字孪生子系统,支持数字孪生系统的一般管理和操作。


模型(Model)

从某种建模角度出发,在某种媒体中建模的某个主题的表示。主题可以是汽车、城市、供应链或工厂及其周围环境。建模介质可以是粘土、木材、塑料、电子表格中的数学方程或纸上的墨水。数字孪生最关心的是“数字”媒介——以位和字节形式存储的信息,可以加载到计算机的工作内存中。


建模透视图是建模者进行的集合简化。每个模型都以某种方式简化了其主题,否则它将是主题的实际复制品。它的规模可能更小,保真度可能更低;可能仅表示几何方面,也可能表示材料组成;可能仅代表功能、财务或法律方面。它可以将复杂的三维形状表示为空间中的简单曲线或一组三角形。代表性模型通常表示“与模型用例相关的主题的任何和所有方面”,而不明确说明其建模视角。


当您看到“\uuuuuuumodel”时,有时空白处会填充主题(例如“建筑模型”),有时会填充建模介质(例如“粘土模型”或“数字模型”),有时甚至会填充建模视角(例如“功能模型”、“物理模型”或“财务模型”)。数字模型是存储表征还是计算表征也可以被视为其建模透视图的一部分。


观测频率(Observational Frequency)

观测频率是一种同步频率,它表征了对现实的观测在存储表征中进行和反映的频率。


本体(Ontology)

本体是一种代表性的人工制品,它描述了感兴趣领域中的共性和它们之间的某些关系。“共性”是实体的类型或类别,而“细节”是实体的实例。


一个本体可以用任意数量的自然语言或形式语言编写,一个给定的本体理解可以用多种语言表示。


人类可读的本体用于帮助人们就本体领域相互理解和交流。


机器可读的本体可由软件读取以将本体中定义的语义与数据相关联。这可能会使数据对人类更有意义。如果将不同系统的数据结构映射到公共本体中的术语,还可以促进数据互操作性。


机器可读的本体还应该包括其术语的详细的人类可读定义,以便有效地用于有意义的语义映射。


本体通常不会指定用于表示特定实体的数据结构或数据类型,但数据建模本体会指定。


可以在数字孪生系统中使用本体,以提供一致的语义并支持不同[存储表征]之间的数据集成。

 


物理孪生(Physical Twin)

物理孪生是一组与数字孪生相对应的真实世界实体和过程。物理孪生是数字孪生模拟的主题。物理孪生可能构成感兴趣的物理系统及其环境、相互作用和过程。


真实到虚拟的同步(Real-to-virtual synchronization)

真实-虚拟同步(又称观测同步)是一种使存储的表征反映对真实世界新观测的同步。


换句话说,它是基于对真实世界的观察,在虚拟表征中镜像真实世界的过程。


真实世界(Real-World)

在数字孪生的语境中,“真实世界”是指存储表征或数字孪生的主题(可以视为一种存储表征)。


数字孪生联盟对于数字孪生的定义中,真实世界是指“真实实体和流程”,其中:

    •“实体”是指在相当长的时间跨度内存在的事物。这些通常是物理对象和系统,但也包括非物质的东西,如组织、供应链、工作订单等。

    •“过程”是指在时间段内发生的事件或活动。这些可能是运输途中或事故、停电、药品生产过程、天气事件、心脏病发作或腐蚀或地震等破坏性过程。


实体和流程之间的交互也包含在“真实世界”主题中。


由于数字孪生系统是“真实的”,因此在我们的上下文中,“真实世界”一词指的是数字孪生系统之外的真实世界部分,是其数字孪生系统的主题。当然,人们可以实现IT/OT系统的一个单独的数字孪生系统,该系统实现一个给定的数字孪生系统。


安全、信任和治理(Security, Trust, and Governance)

安全、信任和治理是数字孪生系统功能子系统的一组基本关注点。这些问题包括隐私、安全、安全、弹性和可靠性。


服务接口(Service Interface)

系统的服务接口是一个数字寻址端点,它实现了一个协议,其他系统和服务可以通过该协议与系统进行交互。


仿真建模语言(Simulation Modeling Language)

仿真建模语言是一种词法或图形语言,用于为计算表征定义仿真模型。例如Modelica、Simulink等。仿真也可以用FORTRAN、C、Lisp等编程语言进行编码。并非所有计算表征都是通过仿真建模语言定义的,因为仿真技术和技术差异很大。


数字孪生系统的子系统(Subsystems of a Digital Twin System)

数字双系统的子系统是实现数字孪生系统功能的系统。数字孪生系统的子系统可能有服务接口


存储的表征(Stored Representation)

存储的表征由存储的结构化信息组成的数字表征,表示某些主题的状态。可以查询存储的表征,而计算表征则必须执行以生成输出。存储的表征可以采用各种数据库的形式,包括关系数据库、图形数据库和其他NoSQL数据库、物联网“数据历史学家”、专门的CAD、BIM和GIS存储库、源自摄影测量和/或点云的3D网格、卫星或雷达图像、电子表格、智能2D图纸和示意图等。

 


同步(Synchronization)

同步是使虚拟表征更接近真实世界或使真实世界更接近所需状态的虚拟表征的过程。

通过某种同步机制实现同步。


同步频率(Synchronization Frequency)

同步频率表征同步发生的频次。数字孪生的频率不均匀,它可能会因存储的表征形式而异,甚至在存储表征形式内也会有所不同。


同步机制(Synchronization Mechanism)

同步机制是实现同步的一种机制。


用例(Use Case)

用例是使用某物的一组环境或场景。用例通常与约束或其他需求相关联。


虚拟(Virtual)

不是物理上存在的,而是由软件制造的,看起来是物理存在的。


我们使用了谷歌对“虚拟”的定义,因为它捕捉到了数字孪生这一概念的意图,即允许一个人虚拟地与现实的一部分进行交互,而无需与之直接交互。虚拟观测是间接的(可能比实际的亲自观测保真度低),但传感器也可能提供更准确、量化的观测,可以记录下来供将来参考。数字虚拟世界也比真实世界更容易访问,而且它是机器可读的,因此计算机可以查询它并使用它进行分析和模拟。


“虚拟”在技术上并不是“数字”的同义词,但在数字孪生的背景下,虚拟世界是以数字方式实现的,并且这些术语在某种程度上可以互换使用。“虚拟”传达了创建真实世界的可访问副本的更多意图,“数字”传达了重要的实现细节。


因此,“虚拟表征”一词的目的是传递一个数字人工制品,作为真实世界的“虚拟副本”或反映真实世界的“虚拟世界”。虚拟表征由具有不同建模视角的存储表征组成,但通过将它们与数字线程“连接”在一起,就实现了一个复杂的、多方面的模型(也称为“表征”),它大于其各部分的总和。虚拟表征意欲给比任何单独的存储表征更丰富的现实一个“外观”。


虚拟表征(Virtual Representation)

虚拟表示是一种复杂、内聚的数字表征,由存储表征、计算表征和支持数据组成,这些数据共同提供其主题的信息丰富的“虚拟”体验。


数字孪生系统的集成表征/函数“虚拟地”将各种信息连接在一起,形成具有凝聚力的、对现实的多方面表征,我们称之为“虚拟表征”。


替代术语:化身、虚拟副本


虚拟--真实同步(Virtual-to-real synchronization)

虚拟--真实同步(又称介入同步)是指在真实世界中进行干预,使其更接近所需状态的存储表征形式。换句话说,它是通过对现实世界的某种干预,将虚拟表征镜像到现实世界的过程。


虚拟孪生(Virtual Twin)

改用数字孪生。





王涛(微信号:ioxroom)


【室联网】理论的提出、体系构建和实践者;新界教育创始人;北京大学教育学院教育经济博士;MOOC微信公众账号(微信号:openonline,公号名称:MOOC)的发起及运营者。推进的建设智慧学习空间已经覆盖智慧教育、智慧党建(红色历程云学习空间)、智慧思政、智慧培训、乡村振兴、家庭教育、智慧社区等领域。


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