面向数字孪生的多态

“多态”是面向对象编程中一个重要的概念，按字面的意思就是“多种状态”，指同一个实体同时具有多种形式。简单的说，在面向对象语言中，多态就是允许将父对象设置成为一个或更多的他的子对象相等的技术，赋值之后，父对象就可以根据当前赋值给它的子对象的特性以不同的方式运作。

数字孪生系统由真实物理系统、数字孪生体和数据交互三部分组成。数字孪生体无论它是多复杂还是多简单，其本质还是一个软件。在数字孪生系统开发中多态就是一个绕不开的概念。但本文所讲的多态是指数字孪生体的多态，它是指站在系统的角度看，数字孪生体对象与其模型之间所存在的一对多的关系，是服务的多态。

1.数字孪生系统

正如上面所说，简单地讲，数字孪生系统由真实物理系统、数字孪生体和数据交互三部分组成，如下图所示。数字孪生系统根据在不同领域的应用，如企业、城市、军事等领域，在系统基本逻辑结构图的基础上，进一步细化形成各自的数字孪生系统结构图，例如对于制造过程，真实物理系统可以进一步细化为人员、工具、材料、流程、环境、设备、产品等要素，数字孪生体建立相对应人员、工具、材料、流程、环境、设备、产品等的数字孪生体，并进一步集合形成制造过程数字孪生体，如下图所示。

图 1 数字孪生系统的主要结构示意图

2.数字孪生体开发过程的多态

在数字孪生系统（体）的实现过程中，离不开软件系统一般的实现过程、技术和逻辑，因此，在数字孪生体系统中，也存在一般类似软件架构理论、技术和过程的体系，如建模管理、仿真服务、数据管理等基础功能和数字孪生体实现体系和基础性功能平台，如下图所示：

图 2 数字孪生系统管理功能示意

整个数字孪生体的建设过程类似于当前工业互联网平台中的建设逻辑，由物理实体抽象建立物理实体的模型、由物理实体的模型进化为物理实体的数字孪生体、由物理实体的数字孪生体集合形成物理系统的数字孪生体，如下图所示：

图 3 数字孪生系统与工业互联网模型建设过程概念比较图

从软件开发角度看，各数字孪生体的设计开发总会沿着一个综合抽象建模到数字孪生体开发实现的过程。以人员为例，首先从人员A、人员B、……个性化的个性，逐步抽象出不同岗位的综合性特征，岗位A、岗位B、…….，最后形成员工的综合性特征，建立员工的数理化模型，在数字孪生体设计开发中，又逐步衍生泛化出岗位A数字孪生体、岗位B数字孪生体、……，有可能进一步泛化到人员A数字孪生体、人员B数字孪生体、……，并在制造过程数字孪生体中进行实例化的应用，如下图所示：

图 4 数字孪生体的抽象与泛化

对于一个企业的制造过程数字孪生体来讲，人员数字孪生体如此，工具、材料、设备、产品、流程无不如此，在制造过程数字孪生体中，总是存在若干个代表不同真实物理实体，经过赋予个性化特征，又源于同一机理模型和父类数字孪生体的数字孪生体。

整个制造过程的数字孪生体构成一个庞大的数字孪生体群，加之代表在各子数字孪生体形成系统过程所涌现的新特征的数字孪生体，形成完整的制造过程的数字孪生体。对于上级的数字孪生体，可以认为下层的数字孪生体对上层的提供一种服务，即数字孪生体即服务（DT as a Service）。

3.数字孪生体系统的组织构型

对于像制造过程数字孪生体这样的复杂系统数字孪生体来讲，其中各组成部分的子数据孪生体，既要与真实物理实体相对应，形成数字孪生对，又与其它数字孪生体相互作用，形成一个群落，借用美国国防部建模与仿真办公室的仿真系统名词，可以叫“联邦”，如下图所示。

图 5 从系统论角度看数字孪生系统

从软件系统功能组织和运行角度讲，制造过程数字孪生体除了上述的各组成部分的数字孪生体外，还需要一个核心的数字孪生体管理功能，正如面向服务框架（ESB）或美军最新的仿真联邦模型体系结构图中的三个网络总线一样，如下图，最终数字孪生系统结构可能如下图所示。

图 6 美军JLVC仿真模型体系结构图

图 7 数字孪生体系统功能结构图示意

4.数字孪生体系统运行过程中的多肽

俗话讲“因为，所以科学道理”，它讲的就是世界的因果联系。正如当前人们经常讲的美国社会问题和中国历史上200年的朝代更迭规律一样，朝代的更迭具有其内在的因果联系。在新朝建立之初社会利益得到重新分配，朝廷得到公众的支持；经过一段时间，统治阶层形成利益群体，底层公众得不到实质性好处变得麻木；再往后，统治阶层进一步巩固和扩大其利益，底层公众利益得不到保护，不再支持朝廷；最后，统治阶层疯狂掠夺利益，底层公众利益受到极大伤害，反对朝廷，实现朝代更迭。统治阶层掠夺利益的因造就朝代更迭的果，如下图。世间万物的发生发展总存在这样一个内在因果关系，对于经济社会发展、军事行动、以及企业运营这类的无法进行预演的系统来讲，仿真系统和数字孪生系统建设的一个重要目的就是进行未来推演，这也就是这类数字孪生系统建设必须能够实现超实时（系统运行时间小于日历时间），这一要求的根本原因所在。

图 8 朝代更迭因果关系示意图

正是这种因果关系的存在，才使世界的未来是可以预测的。这也正是不确定性、可靠性、风险管理等学科研究的重要依据和基础。正是基于风险管理，挪威船级社提出了一个概率论数字孪生概念模型，用于进行风险管理和预测，如下图所示。根据概率论知识，对于一个系统的未来预期收益可以认为是不同结果收益与其发生概率的累加和，即图片。

图 9 挪威船级社基于概率数字孪生概念结构图

如果我们给定数字孪生体不同的初始条件，则可以产生不同的预期收益值和概率。通过数字孪生体的运行，就可以推演真实物理世界在不同条件的发展状态和预期收益。通过比较不同给定条件下的未来预期总收益，就可以确定最佳的未来运行方案，并得出目前应该给定的输入条件。应对这种需要时，数字孪生体就会同时出现不同给定条件的运行状态，即运行时期多态。

后记

本文所分析和阐述的数字孪生体的多态概念和技术方法，主要是基于个人对数字孪生系统（体）的理解和应用提出了仅属于作者个人的观点，主要目的也是引起数字孪生系统（体）的设计开发人员的关注，以防止出现在项目后期发生遗漏和缺憾，从而限制了数字孪生系统（体）的应用和能力的发挥。

本文所讲理念和思路也许在本人不知道的地方，早已有行业大家应用其它的概念和理论解决了相关的问题，给出了详尽可行的解决方案，那本文就当是拾人牙慧吧！