鑽石舞台

【MOOC導讀】數字孿生(Digital Twin)也被稱為數字映射、數字鏡像，現階段已被應用於航空航天、城市規劃、醫療保健和製造等許多行業。在教育領域的應用也越來越多，如通過在VR或AR體驗中應用數字孿生技術，醫學生可以對動物和人類屍體的虛擬模型進行解剖和分析，更準確地實現和全面地研究複雜的化學和分子建模；可以實現更個性化的學習，允許學生以自己的速度獨立完成以前需要小組配合完成的項目等。很多IT巨頭紛紛推出自己的數字孿生創建平台，如NVIDIA2021年11月宣布，將利用Omniverse構建一台名為Earth-2的超級計算機，通過創建一個數字孿生地球來預測氣候變化；亞馬遜在2021年12月推出了AWS IoT TwinMaker平台，簡化了數字孿生的創建。不難想象，未來數字孿生將會走進更廣闊的應用場景，走進人們的日常生活。有鑑於此，我編譯分享美國數字孿生聯盟（Digital Twin Consortium，DTC）發布的數字孿生和數字孿生技術術語表，方便大家了解這一領域發展的基本概念和技術。

原文鏈接：https://www.digitaltwinconsortium.org/glossary/index.htm

數字孿生術語表

聚合（Aggregation）

聚合是一種涉及複製數據以將其收集到中心位置的集成策略。

韋氏詞典（Miriam Webster）將動詞「聚合」定義為「收集或聚集成一團或整體」。在軟件體系結構中，聚合意味着從多個系統收集、複製信息，並可能將其轉換到單個集中式系統。

計算表徵（Computational Representation）

計算表徵是一種可執行的數字表示，由計算算法和從動態的角度表示某些主題的支撐數據組成。示例包括模擬和預測分析。

計算表徵的主題通常是一個過程或一組實體，其屬性是感興趣的時間框架內的時間函數。

在執行時（也稱為「運行」），計算表徵通常將存儲的表徵作為輸入，其計算算法生成存儲的表徵作為輸出。計算表徵也可以使用引用數據，這實際上只是存儲表徵的另一個示例。計算表徵的示例包括有限元分析（FEA）模型、機器學習模型以及基於數學方程的各種其他類型的模擬，包括描述物理和工程定律的模擬。

兩類數字表徵

網絡物理系統（Cyber-Physical System）

由物理和數字系統通過網絡集成組成的系統。物理實體與其數字孿生一起就組成了一個典型的網絡物理系統。物理設備與其所緊密集成的數字控制系統是網絡物理系統的另一個例子。這種網絡物理系統可以被視為一個由數字孿生表徵的真實實體。

數據互操作性（Data Interoperability）

數據互操作性是一個功能性數字孿生子系統，它通過聚合或聯合可能被視為數字孿生系統 「內部」或「外部」的數字系統的數據來支持其集成表示/功能。

數據模型（Data Model）

數據模型是描述其結構、數據類型和含義的數據的模型。

數據模型將使用一些定義其結構化數據方法的數據建模範式。例如：

•關係範式將數據構造成具有列和外鍵的表

•實體關係範式將數據構造為具有屬性的類，並支持關係類來表達關係

•三重圖範式將數據構造為一系列主謂賓的「三重圖」

•屬性圖範式將數據構造為圖中的節點，節點由類定義，屬性和邊由單獨的類定義。

與列/屬性/特性關聯的數據類型可以是「文本」或「日期」或「數值」或更專業的數據類型，如「整數」或「浮點數」。可用的特定數據類型因數據建模語言而異。

根據數據模型構造的特定數據的含義可以通過使用真實世界概念的名稱命名數據建模元素（表/列/類/屬性）來編碼。例如，數據類型為「number」、名為「device.weight」的結構部分中的特定數據可以理解為表示物理設備的重量，用數字表示。這些名稱可以與自然語言文檔交叉引用，提供對建模數據含義的更詳細描述。一些數據建模語言允許將其他元數據與元素關聯，例如「設備重量」的度量單位。

給定的數據模型可能位於實現範圍的某個地方。它可以是與實現無關的「邏輯」或「概念」數據模型，也可以是專用於持久性的數據模型，如SQL數據庫模式。通常，高級概念數據模型通過API公開，但由實現API的軟件映射到低級實現特有的數據模型。

數據模型的主題可以是存儲表徵的數據。相反，許多存儲表徵具有描述其結構和含義的數據模型。「數據模型」的媒介是數據建模語言。「數據模型」的建模視角包括其基於「實現視角」數據建模範式，以及它將現實世界主題簡化為描述該主題各方面特徵的命名/結構化數據的選擇。

下圖顯示了與存貯表徵相關的數據模型和及其如何與物理世界相關聯。

有時，人們也使用術語「模型」來表示「數據模型」，尤其是當他們將「數據建模」作為工作的一部分時。他們可以使用「建築模型」之類的術語來指代用於創建建築存儲表徵（而不是特定建築的特定數字表徵）的數據模型。因此，使用像「模式」這樣的同義詞可能會有所幫助，因為「建築模式」將更可信地解釋為「用於構建表示建築數據的數據模型」，而不是特定建築的存儲表徵（也稱為「模型」）。

例如，特定真實建築的存儲表徵將包含表示該建築相關方面的數據，以用於所需用例。存儲表徵將有一個「建築物數據模型」，該模型定義了可以在存儲表徵的數據中表示的真實世界建築物的概念，以及它們在存儲表徵的數據中的命名、結構和表示方式。

參見 「數字孿生系統中的數據建模」（data modeling in digital twin systems）

替代術語：本體（Ontology）、模式（Schema）、信息模型（Information Model）

數字孿生系統中的數據建模（Data Modeling in Digital Twin Systems）

數據模型和拓撲在數字孿生系統中能發揮多種功能作用。

持久性數據模型使用數據建模語言以與持久性技術兼容的方式描述數據結構和類型。如果持久化技術是關係數據庫，那麼這將是一個SQL DDL「模式」。其他持久性技術將使用不同的數據建模範式和數據建模語言。

服務接口包含一個邏輯數據模型，該模型描述API或協議使用的數據結構和類型。此數據模型可能不同於較低級別的持久性數據模型，API實現處理二者之間的映射。示例包括OData的CSDL（用於實體關係樣式RESTAPI）和GraphQL模式（用於屬性圖樣式API）。定義API或協議的邏輯數據模型的其他常見方法包括JSON模式和XML模式。非基於web的API以特定於編程語言的方式對數據進行建模。

概念數據模型旨在相對不受服務接口和存儲表徵的特定實現的功能、性能和可伸縮性問題的影響，以便它們能夠專注於描述數字孿生域中的真實世界概念。這些數據模型可能是機器可讀的，也可能不是機器可讀的，因為它們可能僅用於指導GUI和較低級別數據模型的開發。

概念數據模型可用於數字孿生系統，該系統集成來自多個存儲表徵的信息，每個存儲表徵都有自己的持久性和邏輯數據模型。數字孿生系統可能具有集成表徵/功能，可使用與數字孿生系統整體本體兼容的概念數據模型訪問數據。此功能可以使用多種數據建模語言，包括用於數據建模本體的語言。

由於集成表徵/函數可能同時使用聚合和聯合集成策略，因此與OData、SPARQL和GraphQL等集成友好服務接口兼容的數據建模語言可能很有用。它們既支持對聚合集成表徵的訪問，也支持映射到物理上獨立的聯合存儲表徵。

大多數數據建模語言都可以用於這些功能性角色中，並且可以組合角色。如果可以滿足系統需求，則可以在概念、服務接口和持久性級別使用單個數據模型。集成服務接口的數據建模本體可以用作數字孿生系統的整體本體和集成表徵/函數的數據模型。

數據建模語言（Data Modeling Language）

數據建模語言是用於定義數據模型的數據結構和數據類型的詞法或圖形語言。

圖形數據建模語言示例：

•UML（統一建模語言）：可用於數據建模的通用建模語言。

•ERD（實體關係圖）：一種非常適合關係數據庫的數據建模語言。

詞法數據建模語言示例：

•SQL數據定義語言（DDL）：關係數據庫模式的標準語言。

•數字雙定義語言（DTDL）：一種屬性圖數據建模語言，支持通過「遙測」屬性與物聯網集成。DTDL是由Microsoft創建的，並且是開源的。

•GraphQL模式：一種與GraphQL一起使用的屬性圖數據建模語言，用於支持來自多個源的數據的聯合和特定目的的數據視圖。GraphQL是由Facebook和開源軟件創建的。

•Web本體語言（OWL）：一種三重圖數據建模語言，是語義Web堆棧的一部分。

•EXPRESS：一種實體關係數據建模語言，由STEP用於幾何建模，IFC用於構建資產建模。

還有更多的例子。

數據建模本體（Data-modeling Ontology）

數據建模本體是一個本體，也是一個概念數據模型。

數據建模本體使用特定數據建模範式中的數據結構和數據類型來描述真實世界的通用性。理想情況下，它們還包括對所描述的共性人類可讀的精確定義。

與數字孿生相關的數據建模本體示例的不完整列表包括：

•DTDL

•OWL

儘管數據建模本體定義了可用於表示本體定義實體實例的數據結構和數據類型，但這些數據結構和類型不必用於存儲或傳輸數據。存儲在不同數據結構中的數據可以引用本體定義的術語，以澄清數據的語義。數據建模本體可能會優先考慮對通用性的明確描述，而不是對數據持久性的優化。

數據建模範式(Data Modeling Paradigm)

數據建模範式是一種數據建模方法，具體體現在一組基本構造中，這些構造控制數據的結構和類型。

常見例子包括：

•關係範式將數據構造成具有列和外鍵的表

•實體關係範式將數據構造為具有屬性的類，並支持關係類來表達關係。

•三重圖範式將數據構造為一系列主謂賓「三重」

•屬性圖範式將數據構造為圖中的節點，節點由類定義，屬性和邊由單獨的類定義。

•JSON使用ECMA-404定義的面向對象數據建模範式。

•XML使用W3C XML信息集定義的分層數據建模範式。

專用存儲表徵可以使用特殊的數據建模範式。

數字表徵（Digital Representation）

數字表徵是由結構化數字信息和/或計算算法組成的某些主題的表徵（也稱為「模型」）。

在計算機之前，我們用粘土、木材或塑料模型或圖紙在紙上表示/模擬物理事物。如今，我們使用數字表徵，其中可能包括3D模型、圖紙或各種詞法數據庫。

替代術語：「數字模型」可用作「數字表徵」的同義詞。

狹義術語：我們通常可以將數字表徵分為兩大類：存儲表徵和計算表詞法數據庫，儘管這些類別之間可能有一些重疊。

數字系統體系（Digital System-of-Systems）

數字系統體系是由一個或多個其他數字系統組成的數字系統

數字線程（Digital Thread）

數字線程是一種跨多個維度虛擬表徵的關聯信息的機制，其中維度包括（但不限於）時間或生命周期階段（包括設計意圖）、模型類型和配置歷史。

數字線程通常依賴於穩定、一致的真實世界標識符來「連接」不同的信息存儲庫。

數字孿生（Digital Twin）

數字孿生是真實世界實體和進程的虛擬表徵，以指定的頻率和保真度進行同步。

數字孿生系統通過加快整體理解、優化決策和有效行動來推動業務轉型。

數字孿生使用實時和歷史數據來表示過去和現在，並模擬預測未來。

數字孿生以成果為動力，根據用例定製，以集成為動力，以數據為基礎，以領域知識為指導，並在IT/OT系統中實施。

數字孿生應用程序（Digital Twin Applications）

數字孿生應用程序是利用數字孿生服務和/或服務接口的軟件應用程序。

數字孿生應用可被視為「使用」數字孿生系統，或是此類系統的「一部分」。

數字孿生應用程序由用例驅動。

數字孿生平台（Digital Twin Platform）

數字孿生平台是一組集成的服務、應用程序，和其他用於實現數字孿生系統的子系統。

數字孿生服務（Digital Twin Services）

數字孿生服務是數字孿生系統的功能子系統，通過利用數字孿生提供價值。

數字孿生服務包括：

•針對web、移動、桌面、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）設備的可視化服務。

•各種分析服務。

•許多其他類型的服務將在稍後列出。

大多數數字孿生服務提供服務接口，供其他服務和數字孿生應用程序使用。

數字孿生系統（Digital Twin System）

數字孿生系統是實現數字孿生的系統體系。

數字孿生系統特徵（Digital Twin System Feature）

數字孿生系統特徵是數字孿生系統的一項功能，通常由數字孿生系統的子系統實現。

數字孿生用例（Digital Twin Use Case）

數字孿生用例是可以使用數字孿生實現預期結果的用例。數字孿生用例旨在改善結果，為數字孿生系統提供需求。數字孿生用例通常定義同步要求，包括同步頻率等。

聯合（Federation）

聯合是一種集成策略，涉及到對數據存儲庫的協調訪問，而無需對其進行集中複製。

聯合僅意味着收集足夠集中化的「索引」信息，以便以協調的方式使用聯合系統，而不複製其大部分數據。如果需要轉換數據，則會動態執行。

集成表徵/函數（Integration Representation/Function）

集成表徵/函數是數字孿生系統的子系統，提供對數字孿生系統存儲表徵的集成和語義一致訪問。集成表徵/函數可以包括用於數據聚合的存儲表徵和用於數據聯合的函數。集成表徵/函數與數字線程密切相關。

參見「數字孿生系統中的數據建模」。

集成服務接口（Integration Service Interface）

集成服務接口是數字孿生系統集成表徵/函數的服務接口。

整合策略（Integration Strategies）

集成策略（在數字孿生系統中）是集成數據/信息以實現內聚虛擬表徵的策略。

在軟件體系結構中，有兩種主要的數據集成模式：聚合和聯合。

單個存儲的表徵（包括計算表徵的輸入和輸出）可以通過數字孿生系統的集成表徵/函數進行集成。

數字孿生系統的集成服務接口可以作為服務接口，將整個數字孿生系統公開為存儲表徵，而存儲表徵又可以由更大的數字孿生系統（數字孿生系統的聯合）聚合。

介入頻率（Interventional Frequency）

介入頻率是一種同步頻率，用於表徵現實中發生干預的頻率，以便將現實與存儲表徵的狀態同步。

IT/OT平台（IT/OT Platform）

數字孿生系統的IT/OT平台是一組信息技術和運營技術基礎設施和服務，數字孿生系統的子系統是在這些基礎設施和服務上實現的。

IT/OT平台的子系統包括：

•軟件平台和工具堆棧。

•平台API

•底層基礎設施的協調

•計算、存儲和網絡基礎架構

這些系統可以是基於雲的、內部部署的、嵌入式的、移動的、分布式的等。

管理和自動化（Management and Automation）

管理和自動化是一個功能性數字孿生子系統，支持數字孿生系統的一般管理和操作。

模型（Model）

從某種建模角度出發，在某種媒體中建模的某個主題的表示。主題可以是汽車、城市、供應鏈或工廠及其周圍環境。建模介質可以是粘土、木材、塑料、電子表格中的數學方程或紙上的墨水。數字孿生最關心的是「數字」媒介——以位和字節形式存儲的信息，可以加載到計算機的工作內存中。

建模透視圖是建模者進行的集合簡化。每個模型都以某種方式簡化了其主題，否則它將是主題的實際複製品。它的規模可能更小，保真度可能更低；可能僅表示幾何方面，也可能表示材料組成；可能僅代表功能、財務或法律方面。它可以將複雜的三維形狀表示為空間中的簡單曲線或一組三角形。代表性模型通常表示「與模型用例相關的主題的任何和所有方面」，而不明確說明其建模視角。

當您看到「\uuuuuuumodel」時，有時空白處會填充主題（例如「建築模型」），有時會填充建模介質（例如「粘土模型」或「數字模型」），有時甚至會填充建模視角（例如「功能模型」、「物理模型」或「財務模型」）。數字模型是存儲表徵還是計算表徵也可以被視為其建模透視圖的一部分。

觀測頻率（Observational Frequency）

觀測頻率是一種同步頻率，它表徵了對現實的觀測在存儲表徵中進行和反映的頻率。

本體(Ontology)

本體是一種代表性的人工製品，它描述了感興趣領域中的共性和它們之間的某些關係。「共性」是實體的類型或類別，而「細節」是實體的實例。

一個本體可以用任意數量的自然語言或形式語言編寫，一個給定的本體理解可以用多種語言表示。

人類可讀的本體用於幫助人們就本體領域相互理解和交流。

機器可讀的本體可由軟件讀取以將本體中定義的語義與數據相關聯。這可能會使數據對人類更有意義。如果將不同系統的數據結構映射到公共本體中的術語，還可以促進數據互操作性。

機器可讀的本體還應該包括其術語的詳細的人類可讀定義，以便有效地用於有意義的語義映射。

本體通常不會指定用於表示特定實體的數據結構或數據類型，但數據建模本體會指定。

可以在數字孿生系統中使用本體，以提供一致的語義並支持不同[存儲表徵]之間的數據集成。

物理孿生（Physical Twin）

物理孿生是一組與數字孿生相對應的真實世界實體和過程。物理孿生是數字孿生模擬的主題。物理孿生可能構成感興趣的物理系統及其環境、相互作用和過程。

真實到虛擬的同步（Real-to-virtual synchronization）

真實-虛擬同步（又稱觀測同步）是一種使存儲的表徵反映對真實世界新觀測的同步。

換句話說，它是基於對真實世界的觀察，在虛擬表徵中鏡像真實世界的過程。

真實世界（Real-World）

在數字孿生的語境中，「真實世界」是指存儲表徵或數字孿生的主題（可以視為一種存儲表徵）。

數字孿生聯盟對於數字孿生的定義中，真實世界是指「真實實體和流程」，其中：

•「實體」是指在相當長的時間跨度內存在的事物。這些通常是物理對象和系統，但也包括非物質的東西，如組織、供應鏈、工作訂單等。

•「過程」是指在時間段內發生的事件或活動。這些可能是運輸途中或事故、停電、藥品生產過程、天氣事件、心臟病發作或腐蝕或地震等破壞性過程。

實體和流程之間的交互也包含在「真實世界」主題中。

由於數字孿生系統是「真實的」，因此在我們的上下文中，「真實世界」一詞指的是數字孿生系統之外的真實世界部分，是其數字孿生系統的主題。當然，人們可以實現IT/OT系統的一個單獨的數字孿生系統，該系統實現一個給定的數字孿生系統。

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

安全、信任和治理是數字孿生系統功能子系統的一組基本關注點。這些問題包括隱私、安全、安全、彈性和可靠性。

服務接口（Service Interface）

系統的服務接口是一個數字尋址端點，它實現了一個協議，其他系統和服務可以通過該協議與系統進行交互。

仿真建模語言（Simulation Modeling Language）

仿真建模語言是一種詞法或圖形語言，用於為計算表徵定義仿真模型。例如Modelica、Simulink等。仿真也可以用FORTRAN、C、Lisp等編程語言進行編碼。並非所有計算表徵都是通過仿真建模語言定義的，因為仿真技術和技術差異很大。

數字孿生系統的子系統（Subsystems of a Digital Twin System）

數字雙系統的子系統是實現數字孿生系統功能的系統。數字孿生系統的子系統可能有服務接口

存儲的表徵（Stored Representation）

存儲的表徵由存儲的結構化信息組成的數字表徵，表示某些主題的狀態。可以查詢存儲的表徵，而計算表徵則必須執行以生成輸出。存儲的表徵可以採用各種數據庫的形式，包括關係數據庫、圖形數據庫和其他NoSQL數據庫、物聯網「數據歷史學家」、專門的CAD、BIM和GIS存儲庫、源自攝影測量和/或點雲的3D網格、衛星或雷達圖像、電子表格、智能2D圖紙和示意圖等。

同步（Synchronization）

同步是使虛擬表徵更接近真實世界或使真實世界更接近所需狀態的虛擬表徵的過程。

通過某種同步機制實現同步。

同步頻率（Synchronization Frequency）

同步頻率表徵同步發生的頻次。數字孿生的頻率不均勻，它可能會因存儲的表徵形式而異，甚至在存儲表徵形式內也會有所不同。

同步機制（Synchronization Mechanism）

同步機制是實現同步的一種機制。

用例（Use Case）

用例是使用某物的一組環境或場景。用例通常與約束或其他需求相關聯。

虛擬（Virtual）

不是物理上存在的，而是由軟件製造的，看起來是物理存在的。

我們使用了谷歌對「虛擬」的定義，因為它捕捉到了數字孿生這一概念的意圖，即允許一個人虛擬地與現實的一部分進行交互，而無需與之直接交互。虛擬觀測是間接的（可能比實際的親自觀測保真度低），但傳感器也可能提供更準確、量化的觀測，可以記錄下來供將來參考。數字虛擬世界也比真實世界更容易訪問，而且它是機器可讀的，因此計算機可以查詢它並使用它進行分析和模擬。

「虛擬」在技術上並不是「數字」的同義詞，但在數字孿生的背景下，虛擬世界是以數字方式實現的，並且這些術語在某種程度上可以互換使用。「虛擬」傳達了創建真實世界的可訪問副本的更多意圖，「數字」傳達了重要的實現細節。

因此，「虛擬表徵」一詞的目的是傳遞一個數字人工製品，作為真實世界的「虛擬副本」或反映真實世界的「虛擬世界」。虛擬表徵由具有不同建模視角的存儲表徵組成，但通過將它們與數字線程「連接」在一起，就實現了一個複雜的、多方面的模型（也稱為「表徵」），它大於其各部分的總和。虛擬表徵意欲給比任何單獨的存儲表徵更豐富的現實一個「外觀」。

虛擬表徵（Virtual Representation）

虛擬表示是一種複雜、內聚的數字表徵，由存儲表徵、計算表徵和支持數據組成，這些數據共同提供其主題的信息豐富的「虛擬」體驗。

數字孿生系統的集成表徵/函數「虛擬地」將各種信息連接在一起，形成具有凝聚力的、對現實的多方面表徵，我們稱之為「虛擬表徵」。

替代術語：化身、虛擬副本

虛擬--真實同步（Virtual-to-real synchronization）

虛擬--真實同步（又稱介入同步）是指在真實世界中進行干預，使其更接近所需狀態的存儲表徵形式。換句話說，它是通過對現實世界的某種干預，將虛擬表徵鏡像到現實世界的過程。

虛擬孿生（Virtual Twin）

改用數字孿生。