陶 飛，馬 昕，戚慶林，劉蔚然，張 賀，張辰源

(1.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 國際交叉科學(xué)研究院數(shù)字孿生國際研究中心，北京 100191;3.北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

1 數(shù)字孿生連接交互需求

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級對物理世界與虛擬世界交互融合的需求日益迫切。人們希望借助科技創(chuàng)新促進虛實空間的互動融合，實現(xiàn)人類智慧和社會發(fā)展的互惠共贏。在此背景下，數(shù)字孿生應(yīng)運而生，為虛實空間的交互與融合注入新活力[1]。數(shù)字孿生由物理實體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)及上述四部分間的連接與交互組成[2]?；谶B接與交互，數(shù)模驅(qū)動的數(shù)字孿生能描述物理實體的屬性特征、分析物理實體的行為規(guī)則、預(yù)測物理實體的未來狀態(tài)，進而實現(xiàn)對物理實體的狀態(tài)監(jiān)測、運行維護、決策優(yōu)化等功能服務(wù)[3-4]。通過虛實信息的交互迭代，物理空間與虛擬空間彼此豐富、融合、完善，最終實現(xiàn)虛實共生[5]、數(shù)模共榮。

連接與交互是數(shù)字孿生的重要組成部分之一，其主要功能是實現(xiàn)數(shù)字孿生虛實要素間的數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，同時不同數(shù)字孿生間、數(shù)字孿生與人及與環(huán)境間也需連接與交互實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。作為數(shù)字孿生的“血管”和“脈搏”，連接與交互搭建了信息交流共享的橋梁與紐帶，為數(shù)字孿生模型動態(tài)更新、物理實體實時控制、決策方案在線優(yōu)化運送“數(shù)據(jù)養(yǎng)分”，從而打破信息孤島，加速信息共享與融合。通過信息交互，數(shù)字孿生能實現(xiàn)物理空間的狀態(tài)預(yù)測、優(yōu)化和控制，在一定程度上體現(xiàn)了數(shù)字孿生與傳統(tǒng)仿真的區(qū)別與差異。在數(shù)字孿生的應(yīng)用與實踐過程中，為實現(xiàn)模型動態(tài)高精、數(shù)據(jù)實時交互、服務(wù)數(shù)模驅(qū)動等理想特征[6]，經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生連接交互存在以下新需求與新挑戰(zhàn)。

(1)多方位互感

物理世界是數(shù)字孿生建設(shè)與應(yīng)用的出發(fā)點，為保障數(shù)字孿生能全面精準獲取物理空間數(shù)據(jù)、感知物理對象狀態(tài)及環(huán)境變化，需借助各類傳感器技術(shù)實現(xiàn)：①“全域—全時—全態(tài)”多尺度感知，獲取感知對象的全物理域、全時間、全狀態(tài)數(shù)據(jù)，保障物理世界時空信息的全面、實時覆蓋；②“語義—圖像—空間”多模態(tài)感知，獲取感知對象的多類型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物理空間的協(xié)同感知及綜合理解；③“端—邊—云”多層次感知，保證感知數(shù)據(jù)的快速處理與分析，促進物理狀態(tài)的實時感知。因此，為保障數(shù)字孿生全面、實時、精準感知物理世界狀態(tài)變化，需建立覆蓋全時空的綜合感知體系，實現(xiàn)物理信息的多方位互感。

(2)全要素互聯(lián)

連接是要素間信息交流的橋梁，為避免出現(xiàn)由于信息不全面、不流通、不一致造成模型不精、數(shù)據(jù)不準、服務(wù)不優(yōu)，需搭建：①“虛—實”要素連接，包括數(shù)字孿生內(nèi)部及不同數(shù)字孿生間虛實要素的連接，一則完整刻畫物理實體的靜態(tài)特征及動態(tài)響應(yīng)，并支持對物理實體的實時調(diào)控，二則加強信息、資源、能力的交流與共享，促進跨時空/跨平臺的協(xié)作；②“虛—虛”要素連接，涵蓋數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)等虛擬要素，從而支持物理實體的進一步分析、預(yù)測與優(yōu)化，實現(xiàn)靈活控制與高效管理；③“實—實”要素連接，覆蓋“人、機、料、法、環(huán)”多物理要素，以精準理解物理實體的協(xié)作能力及關(guān)系，進而實現(xiàn)協(xié)同合作。因此，為保障數(shù)字孿生提供保真模型、精準數(shù)據(jù)、優(yōu)質(zhì)服務(wù)，需構(gòu)建數(shù)字孿生連接交互網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)字孿生的信息全面互聯(lián)。

(3)高質(zhì)量互通

數(shù)據(jù)實時傳輸是數(shù)字孿生實現(xiàn)動態(tài)仿真、控制、預(yù)測、優(yōu)化等功能的基礎(chǔ)，為保障數(shù)字孿生各要素能及時準確獲取所需信息，需實現(xiàn)：①實時通信，建立海量感知數(shù)據(jù)的高并發(fā)處理與通信機制，為物理實體的實時分析與控制、數(shù)字孿生模型的動態(tài)仿真與更新演化、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的更新推理與融合、服務(wù)的動態(tài)決策與優(yōu)化提供實時數(shù)據(jù)支持；②可靠通信，為數(shù)字孿生各要素提供完整、準確、一致的數(shù)據(jù)支持，保障數(shù)字孿生高效穩(wěn)定運行；③安全通信，提供安全可用的通信協(xié)議和交互機制，保證通信數(shù)據(jù)機密完整、交互對象安全可靠。因此，為保障數(shù)字孿生要素間可靠通信，需建立實時、可靠、安全的通信機制，實現(xiàn)高質(zhì)量信息互通。

(4)多維度互融

為實現(xiàn)虛實聯(lián)動乃至共生，數(shù)字孿生還需考慮如何進一步實現(xiàn)交互融合：①虛實融合，一方面感知物理實體的實時狀態(tài)，并據(jù)此驅(qū)動數(shù)字孿生仿真與分析，達到虛實同步(從實到虛)，另一方面將數(shù)字孿生提供的決策信息準確、實時傳輸給物理實體(從虛到實)；②數(shù)模融合，一方面數(shù)字孿生數(shù)據(jù)可用于補充、修正、完善數(shù)字孿生模型，保障模型精準運行(以數(shù)強模)，另一方面數(shù)字孿生模型可用于校驗融合數(shù)據(jù)的準確性，提供精準數(shù)據(jù)分析(以模強數(shù))；③人機共融，通過人機智能的互促互進，使機器能準確理解人類需求與反應(yīng)，同時具備智能感知和自主協(xié)同能力，從而實現(xiàn)人機密切合作、深度融合與和諧共生[7-8]。因此，為保障數(shù)字孿生具備融合智能，需滿足虛實空間、模型數(shù)據(jù)、人機智能的交互融合需求，實現(xiàn)多維度互融。

為滿足上述需求，數(shù)字孿生連接交互亟需解決如下問題和挑戰(zhàn)：①何為連接交互，數(shù)字孿生連接交互的內(nèi)涵是什么，包括哪些內(nèi)容，具體有哪些要求？②如何連接交互，數(shù)字孿生連接交互該怎樣實施，有哪些相關(guān)技術(shù)？針對以上問題和挑戰(zhàn)，在前期數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論體系[9]、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)理論體系[10]、數(shù)字孿生車間[11]、數(shù)字孿生衛(wèi)星[12]、數(shù)字孿生裝備[13]、數(shù)字孿生服務(wù)[14]等相關(guān)工作基礎(chǔ)上，本文研究數(shù)字孿生連接交互需求與內(nèi)涵，分析數(shù)字孿生連接交互準則，提出一套數(shù)字孿生連接交互理論體系，最后分析并總結(jié)數(shù)字孿生連接交互關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)字孿生的理論研究與落地應(yīng)用提供理論和方法參考。

2 數(shù)字孿生連接交互內(nèi)涵

為厘清數(shù)字孿生連接交互內(nèi)涵，充分考慮數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)組成、應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)需求等多方面因素，從數(shù)字孿生五維模型架構(gòu)出發(fā)，以單個物理對象構(gòu)建的數(shù)字孿生為邊界，從內(nèi)部和外部兩個層面闡述其連接交互內(nèi)涵。如圖1所示，數(shù)字孿生內(nèi)部連接交互涵蓋同維度要素間連接交互和跨維度要素間連接交互，數(shù)字孿生外部連接交互既包括數(shù)字孿生間連接交互(涵蓋人、機、物、環(huán)為對象構(gòu)建的數(shù)字孿生間連接交互)，又包括數(shù)字孿生與其他非數(shù)字孿生對象間連接交互，具體為數(shù)字孿生與人連接交互和數(shù)字孿生與環(huán)境連接交互。

2.1 數(shù)字孿生內(nèi)部連接交互

剖析數(shù)字孿生的組成結(jié)構(gòu)，其包括物理實體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)及連接交互。因此，數(shù)字孿生內(nèi)部連接交互既需涵蓋物理實體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)等不同維度要素間的連接交互，又需包括同一維度要素各組成單元間的連接交互。從交互對象的維度來看，內(nèi)部連接交互分為同維度要素連接交互和跨維度要素連接交互。

2.1.1 同維連接交互：數(shù)字孿生同維度要素間連接交互

同維連接交互為數(shù)字孿生同維度要素內(nèi)部各單元間的連接交互，即物理實體間連接交互、數(shù)字孿生模型間連接交互、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)間連接交互、服務(wù)間連接交互。

(1)物理實體間連接交互

當(dāng)物理實體內(nèi)部單元難以獨立滿足業(yè)務(wù)需求時，往往需要借助其他實體單元的資源或能力，通過單元間的交互協(xié)作完成復(fù)雜業(yè)務(wù)。由于不同實體單元的運行機理、工作特性存在差異，實體單元交互時會產(chǎn)生一定耦合作用，進而導(dǎo)致實體單元的特性和能力發(fā)生變化。因此，需分析實體單元間的交互特性和耦合機理，建立時空耦合關(guān)系，進而實現(xiàn)實體單元間的能力共享與協(xié)同合作。

(2)數(shù)字孿生模型間連接交互

為完整描述物理實體的形狀結(jié)構(gòu)、物理屬性、行為響應(yīng)、知識規(guī)則等多方面特性，數(shù)字孿生模型通常由表現(xiàn)上述特征的子模型組成。因此，通過數(shù)字孿生模型間連接，能夠打破異構(gòu)模型的孤立，實現(xiàn)子模型的動態(tài)耦合交互，從而完整表現(xiàn)數(shù)字孿生模型功能。由于數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)及特性各異，其連接交互內(nèi)涵可從以下層面展開分析：①從模型的功能維度來看，數(shù)字孿生模型間連接交互涵蓋幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型等不同維度模型間連接交互，及每類模型內(nèi)部各子模型間連接交互；②從模型的學(xué)科領(lǐng)域來看，數(shù)字孿生模型間連接交互包括不同學(xué)科/領(lǐng)域模型間的耦合交互，如“機械—電氣—控制—電磁”多領(lǐng)域模型的耦合；③從模型的建模原理來看，數(shù)字孿生模型間連接交互包括機理模型與數(shù)據(jù)模型的連接交互，從而實現(xiàn)模型互補與融合。

(3)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)間連接交互

數(shù)字孿生數(shù)據(jù)包括來自物理實體、數(shù)字孿生模型、服務(wù)的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)，及專家知識、推理規(guī)則、時空關(guān)聯(lián)關(guān)系等融合數(shù)據(jù)[15]。由于多源數(shù)據(jù)的表示方式、生存周期、采集頻率等特征不同，易導(dǎo)致異構(gòu)數(shù)據(jù)難以交互和共享。因此，通過分析數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的交互邏輯及流程，確立交互數(shù)據(jù)處理機制，實現(xiàn)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)連接交互，從而打破數(shù)據(jù)壁壘造成的“信息孤島”，滿足多源、多維、異構(gòu)、動態(tài)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的操作、通信與共享需求。從交互數(shù)據(jù)對象角度來看，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)間連接交互涵蓋物理實體數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、專家知識、推理規(guī)則等不同數(shù)據(jù)對象間連接交互，以分析并描述數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，生成融合信息與知識，最終為數(shù)字孿生提供高價值數(shù)據(jù)和信息資源。

(4)服務(wù)間連接交互

由于單一服務(wù)通常針對具體需求提供特定資源、功能和屬性，難以滿足日益復(fù)雜的用戶需求和高效服務(wù)質(zhì)量要求。因此，需分析服務(wù)間耦合關(guān)聯(lián)，建立通信機制和交互行為關(guān)聯(lián)規(guī)則，實現(xiàn)數(shù)字孿生服務(wù)間交互與共享，從而降低服務(wù)的耦合性，支持服務(wù)的調(diào)用、組合及協(xié)作。服務(wù)間連接交互內(nèi)涵可從以下方面展開分析：①從服務(wù)的層次來看，涵蓋基礎(chǔ)功能、人機交互、運維管控、決策優(yōu)化、集群協(xié)同與智能協(xié)作等服務(wù)間連接交互；②從服務(wù)的面向?qū)ο髞砜?，服?wù)間連接交互既包括以數(shù)字孿生組成要素為對象的功能性服務(wù)間連接交互(如模型校驗與修正、數(shù)據(jù)管理、物理實體控制等)，又包含以不同需求人員為對象的業(yè)務(wù)性服務(wù)間連接交互(如虛擬調(diào)試、虛擬培訓(xùn)、遠程運維等)。

2.1.2 跨維連接交互：數(shù)字孿生不同維度要素間連接交互

跨維連接交互是不同維度數(shù)字孿生組成要素間的連接交互，即物理實體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)及服務(wù)間兩兩連接交互[2]。根據(jù)數(shù)字孿生組成要素的虛實屬性差異，物理實體與其他要素的交互屬于虛—實交互，數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)及服務(wù)間的交互屬于虛—虛交互。

(1)物理實體與數(shù)字孿生模型連接交互

物理實體與數(shù)字孿生模型連接交互是數(shù)字孿生虛實交互的核心部分，實現(xiàn)數(shù)字孿生模型的動態(tài)描述及物理實體的動態(tài)控制。從物理實體出發(fā)，獲取并分析其靜態(tài)/動態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后作為模型輸入?yún)?shù)來驅(qū)動數(shù)字孿生模型運行，從而實現(xiàn)數(shù)字孿生模型對物理實體狀態(tài)的精準描述；從數(shù)字孿生模型出發(fā)，描述物理實體的運行機制及實時狀態(tài)，將仿真分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制指令，并實時、準確傳輸給物理實體，實現(xiàn)對物理實體狀態(tài)的動態(tài)調(diào)控。

(2)物理實體與數(shù)字孿生數(shù)據(jù)連接交互

物理實體與數(shù)字孿生數(shù)據(jù)連接交互能支持物理實體數(shù)據(jù)的實時存儲與分析，及對物理實體運行狀態(tài)的調(diào)整優(yōu)化。從物理實體出發(fā)，存儲并分析物理實體的狀態(tài)信息，不斷積累更新經(jīng)驗知識，從而豐富數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，以融合兼具時空屬性的物理實體數(shù)據(jù)；從數(shù)字孿生數(shù)據(jù)出發(fā)，根據(jù)實時狀態(tài)信息、歷史運行信息、經(jīng)驗知識等形成決策信息并反饋給物理實體，以優(yōu)化物理實體的運行狀態(tài)。

(3)物理實體與服務(wù)連接交互

物理實體與服務(wù)連接交互一是實現(xiàn)服務(wù)的更新與優(yōu)化，二是為物理實體的業(yè)務(wù)需求提供決策方案指導(dǎo)。從物理實體出發(fā)，其數(shù)據(jù)能作為輸入?yún)?shù)直接驅(qū)動服務(wù)運行與更新，支持物理狀態(tài)的實時分析與進一步優(yōu)化；從服務(wù)出發(fā)，結(jié)合具體業(yè)務(wù)需求，分析并預(yù)測物理實體的未來狀態(tài)，對人員操作、機器運維、資源利用等難以直接實施控制指令的實體對象行為提供分析、指導(dǎo)與優(yōu)化方案。

(4)數(shù)字孿生模型與數(shù)字孿生數(shù)據(jù)連接交互

數(shù)字孿生模型與數(shù)字孿生數(shù)據(jù)連接交互既能實現(xiàn)數(shù)字孿生模型的驅(qū)動與更新，又支持數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的存儲、更新與融合。從數(shù)字孿生模型出發(fā)，記錄并存儲模型結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果等數(shù)據(jù)，從而推理、更新經(jīng)驗知識，以實現(xiàn)數(shù)模深度融合；從數(shù)字孿生數(shù)據(jù)出發(fā)，一方面融合數(shù)據(jù)可作為模型輸入?yún)?shù)驅(qū)動數(shù)字孿生模型運行，另一方面經(jīng)驗知識、融合數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)可為模型參數(shù)的更新調(diào)整提供參考，實現(xiàn)數(shù)字孿生模型的自更新、自修正和自演化。

(5)數(shù)字孿生模型與服務(wù)連接交互

數(shù)字孿生模型與服務(wù)連接交互實現(xiàn)模型仿真和服務(wù)決策的迭代優(yōu)化，為模型更新演化和服務(wù)決策優(yōu)化提供有效支撐。從數(shù)字孿生模型出發(fā)，實時映射的數(shù)字孿生模型不斷運行服務(wù)提供的決策方案，其仿真結(jié)果用于分析推理物理實體的運行機理和狀態(tài)規(guī)律，從而進一步評估決策方案的成效，以指導(dǎo)服務(wù)決策的迭代優(yōu)化；從服務(wù)出發(fā)，一方面根據(jù)數(shù)字孿生模型的運行結(jié)果更新、調(diào)整決策方案，另一方面分析模型仿真結(jié)果和物理實體的性能狀態(tài)，選取適宜算法對模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)進行更新。

(6)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)與服務(wù)連接交互

數(shù)字孿生數(shù)據(jù)與服務(wù)連接交互支持服務(wù)算法的存儲與調(diào)用，及服務(wù)關(guān)聯(lián)的推理與挖掘。從服務(wù)出發(fā)，記錄并存儲服務(wù)的算法參數(shù)、決策成效、經(jīng)驗知識等，進而分析挖掘服務(wù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，以歸納、推理、更新經(jīng)驗知識；從數(shù)字孿生數(shù)據(jù)出發(fā)，根據(jù)數(shù)字孿生業(yè)務(wù)需求，提供歷史信息、經(jīng)驗知識、算法參數(shù)等相關(guān)信息，以指導(dǎo)服務(wù)行為與決策。

2.2 數(shù)字孿生外部連接交互

面對復(fù)雜業(yè)務(wù)需求，單一數(shù)字孿生具有的資源能力有限，需與其他對象共享信息、資源及能力，以實現(xiàn)高效協(xié)同合作。此外，在實際應(yīng)用時，數(shù)字孿生往往與外部環(huán)境彼此關(guān)聯(lián)、相互影響。因此，數(shù)字孿生除具備內(nèi)部連接交互能力外，還需具備與人、外部環(huán)境及其他數(shù)字孿生進行信息交互的能力。

2.2.1 數(shù)字孿生間連接交互：數(shù)字孿生與數(shù)字孿生連接交互

單一數(shù)字孿生提供資源/能力的有限性使其難以獨立完成復(fù)雜業(yè)務(wù)時，需借助其他數(shù)字孿生的資源、知識和能力來滿足業(yè)務(wù)需求。將數(shù)字孿生視為一個整體，整合其實體資源及業(yè)務(wù)能力、數(shù)字孿生模型聯(lián)合仿真功能、經(jīng)驗知識資源和服務(wù)決策能力，通過數(shù)字孿生間信息交換與資源共享，實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的聯(lián)合仿真、分析與評估，最終提升物理實體間的業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)效率與協(xié)同合作能力。

具體而言，數(shù)字孿生間的連接交互涵蓋人、機、物、環(huán)為對象構(gòu)建的數(shù)字孿生，包括物理實體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)等不同數(shù)字孿生間同維度要素的連接交互，及其不同維度要素的連接交互。由于不同數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)特性及應(yīng)用需求不同，其數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)格式、服務(wù)類型往往存在差異，導(dǎo)致不同數(shù)字孿生的時空特征和系統(tǒng)平臺不同，易形成信息孤島。通過分析數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)通信方式，建立跨時空/跨系統(tǒng)的交互機制，實現(xiàn)數(shù)字孿生間數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，進而促進資源、信息和知識的充分協(xié)作與共享。如數(shù)字孿生人與數(shù)字孿生機器間的連接交互，通過人機信息實時交流與共享，使人和機器在交互過程中互相學(xué)習(xí)、啟發(fā)，實現(xiàn)人類智慧與機器智能的深度融合，幫助人類更好的認識世界、改造世界[16-17]。

2.2.2 數(shù)字孿生與環(huán)境連接交互

由于數(shù)字孿生難以脫離客觀環(huán)境而獨立存在，其不可避免會與外部環(huán)境相互關(guān)聯(lián)、相互影響、相互交融。數(shù)字孿生與環(huán)境關(guān)聯(lián)影響有三：①受限于實際環(huán)境，物理實體的屬性特征、行為規(guī)律通常會受到環(huán)境約束，無法呈現(xiàn)出最佳理想效果；②環(huán)境突發(fā)事件、緊急事項及進一步造成的業(yè)務(wù)變更，會導(dǎo)致數(shù)字孿生難以按照既定計劃完成任務(wù)，甚至出現(xiàn)停滯現(xiàn)象；③高度集群智能依賴于與外部環(huán)境的密切交互，積極主動與環(huán)境“對話溝通”，根據(jù)環(huán)境反饋響應(yīng)采取適宜決策，能進一步促進環(huán)境優(yōu)化改善。因此，建立數(shù)字孿生與環(huán)境的動態(tài)時空關(guān)聯(lián)、實現(xiàn)信息實時交互，有助于感知外部環(huán)境變化并描述其對數(shù)字孿生的關(guān)聯(lián)影響，進而分析、理解、評估環(huán)境特征規(guī)律，使數(shù)字孿生具備精準、動態(tài)、智能響應(yīng)環(huán)境變化的能力，最終實現(xiàn)切實有效的因時、因地、因勢施策。

(1)數(shù)字孿生與物理環(huán)境連接交互

由于物理環(huán)境具有復(fù)雜性、動態(tài)性、多變性等特征，數(shù)字孿生應(yīng)具備與物理環(huán)境連接交互的能力，一則保證數(shù)字孿生能自適應(yīng)更新調(diào)整以應(yīng)對環(huán)境動態(tài)變化，二則支持數(shù)字孿生與環(huán)境的協(xié)同演進。物理環(huán)境包括大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、電磁環(huán)境等多類型環(huán)境，數(shù)字孿生與物理環(huán)境連接交互內(nèi)涵因業(yè)務(wù)需求、環(huán)境特征而異，因此其內(nèi)涵應(yīng)立足于具體應(yīng)用場景及需求。如數(shù)字孿生船舶需與海洋環(huán)境連接交互，通過感知實時海況信息，模擬船舶與海浪的摩擦、搖動等相互作用，并結(jié)合天氣、潮流及船只等環(huán)境信息實現(xiàn)海域環(huán)境的整體感知與理解，從而優(yōu)化船舶航行方案，及時有效應(yīng)對突發(fā)事件；再如數(shù)字孿生衛(wèi)星需與軌道空間電磁環(huán)境進行交互，通過建立精準模型客觀完整映射軌道空間的電磁環(huán)境，進而仿真分析數(shù)字孿生衛(wèi)星與電磁環(huán)境的相互影響，據(jù)此優(yōu)化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)并及時調(diào)整衛(wèi)星工作模式，從而提高數(shù)字孿生衛(wèi)星對電磁環(huán)境的自適應(yīng)性和抗干擾能力，實現(xiàn)衛(wèi)星在軌安全運行、穩(wěn)定可靠通信與高效管理[12]；又如數(shù)字孿生城市需與大氣環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境連接交互，通過感知并反饋環(huán)境變化，有助于數(shù)字孿生城市積極動態(tài)響應(yīng)環(huán)境變化、合理充分利用環(huán)境資源、進而優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)及行為機制，最大程度降低對環(huán)境的負面影響，使數(shù)字孿生城市與環(huán)境間產(chǎn)生互促互利的積極影響，實現(xiàn)因時、因地制宜。

(2)數(shù)字孿生與信息環(huán)境連接交互

面臨數(shù)字化、信息化、智能化的社會發(fā)展趨勢，信息技術(shù)不斷推動人類生產(chǎn)生活方式變革，經(jīng)濟社會逐漸步入以信息為主導(dǎo)的發(fā)展時期。因此，數(shù)字孿生還需具備與信息環(huán)境連接交互的能力，一方面有助于數(shù)字孿生快速獲取有效信息與知識規(guī)則、進而理解并合理使用信息環(huán)境提供的資源與能力，保證數(shù)字孿生對信息環(huán)境的自適應(yīng)性，另一方面支持數(shù)字孿生與環(huán)境信息深度融合，推理形成新的知識與規(guī)則。信息環(huán)境形式多樣(如規(guī)則網(wǎng)絡(luò)、MES、ERP、數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)等)，數(shù)字孿生與信息環(huán)境交互應(yīng)涵蓋語義描述、關(guān)聯(lián)規(guī)則、評價內(nèi)容等多種形式，通過處理時空語義數(shù)據(jù)，提取、理解語義信息，推理更新數(shù)字孿生與環(huán)境的關(guān)聯(lián)規(guī)則，有助于數(shù)字孿生感知環(huán)境變化并動態(tài)規(guī)劃自身行為。例如，數(shù)字孿生生產(chǎn)線由數(shù)字孿生機器人、數(shù)字孿生AGV小車、數(shù)字孿生機床及描述物理實體間運行邏輯的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)組成，其中每類物理實體提供的資源和能力、負責(zé)執(zhí)行的具體任務(wù)皆有差異。通過數(shù)字孿生與生產(chǎn)線規(guī)則網(wǎng)絡(luò)交互，整體理解其在生產(chǎn)線中角色功能及邏輯約束，從而根據(jù)環(huán)境動態(tài)變化及時準確調(diào)整任務(wù)需求及行為模式。

2.2.3 數(shù)字孿生與人連接交互

由于人具有靈敏的視覺/聽覺/觸覺等感官特征、靈活決策能力、分析推理能力和自主學(xué)習(xí)能力，往往在各類活動中起到不可或缺、難以替代的作用：其一，基于靈敏感知與分析理解能力，能及時觀察數(shù)字孿生運行情況及環(huán)境狀態(tài)變化，并結(jié)合經(jīng)驗信息做出恰當(dāng)決策；其二，面臨信息缺失不全情況，能積極主動地搜尋有效信息并評估其可靠性，從而進行靈活決策。此外，保障人員安全是第一要務(wù)，數(shù)字孿生需感知人員行為、理解人員意圖，在運行時充分考慮人員安全性。因此，數(shù)字孿生需具備與人連接交互的能力，一是借助人類智慧實現(xiàn)靈活決策，二是有助于時刻保障各類人員安全，同時盡可能的提高人員舒適度。以制造領(lǐng)域為例，數(shù)字孿生與設(shè)計者交互，通過理解分析數(shù)字孿生提供的反饋信息，優(yōu)化數(shù)字孿生的運行機制及其要素的結(jié)構(gòu)特性，以提升運行效率和性能；數(shù)字孿生與決策者/管理者交互，感知數(shù)字孿生狀態(tài)信息和環(huán)境變化，綜合評估其運行效率及安全性，實現(xiàn)對數(shù)字孿生的靈活管理與控制；數(shù)字孿生與操作者/使用者交互，能及時察覺數(shù)字孿生的異常行為、環(huán)境突發(fā)事件、潛在危險等特殊情況，從而在保持操作/使用安全的前提下，對數(shù)字孿生行為進行及時合理的調(diào)整；此外，在積極主動與人員交互過程中，數(shù)字孿生能夠不斷優(yōu)化其運行機制，提高操作者/使用者的舒適度。

3 數(shù)字孿生連接交互準則

在明晰數(shù)字孿生連接交互“是什么”的基礎(chǔ)上，需進一步分析數(shù)字孿生連接交互的準則和要求，為其實施提供指導(dǎo)與參考。結(jié)合數(shù)字孿生數(shù)模聯(lián)動、虛實融合的特性，提出“準確—實時—一致—安全—可靠”的數(shù)字孿生連接交互準則，如圖2所示。由于不同應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)對數(shù)字孿生連接交互性能存在不同需求，因此連接交互準則的具體指標和實施方法應(yīng)視具體情況具體分析。

3.1 連接交互準確性

數(shù)字孿生的連接交互準確性準則用于指導(dǎo)數(shù)字孿生連接交互如何正確實施，是數(shù)字孿生實現(xiàn)映射、仿真、預(yù)測、優(yōu)化等功能的前提保障。數(shù)字孿生的連接交互準確性可從兩方面展開分析：從數(shù)據(jù)傳輸角度來看，需保證交互數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式符合準確性要求，能正確表達數(shù)據(jù)資源的內(nèi)容；從狀態(tài)感知角度來看，數(shù)字孿生能正確獲取并處理物理實體的實時信息，保障信息感知精準可靠。

3.2 連接交互實時性

數(shù)字孿生的連接交互實時性準則用于規(guī)范數(shù)字孿生的時域特性，以滿足聯(lián)動、控制、優(yōu)化等過程的實時性需求。從數(shù)據(jù)傳輸角度分析，在正確傳輸?shù)幕A(chǔ)上，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時間需符合數(shù)字孿生實時性需求。面臨不同的應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)，交互實時性的指標和實施方法應(yīng)具體分析，從而保障數(shù)模驅(qū)動的仿真、控制、決策等過程的響應(yīng)時間滿足業(yè)務(wù)需求。

3.3 連接交互一致性

數(shù)字孿生的連接交互一致性準則用于指導(dǎo)數(shù)字孿生的虛實同步乃至融合，可從以下方面展開分析：其一，數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦?，即交互?shù)據(jù)經(jīng)傳輸后的約束關(guān)聯(lián)符合相關(guān)性規(guī)則，且數(shù)據(jù)的時序關(guān)系正確，數(shù)據(jù)特征在宏觀保持一致；其二，狀態(tài)感知的一致性，數(shù)字孿生各要素對感知信息的理解與認知一致；其三，虛實映射的一致性，虛擬空間與物理空間的動態(tài)映射關(guān)聯(lián)一致；其四，數(shù)模聯(lián)動的一致性，數(shù)模驅(qū)動的數(shù)字孿生與物理空間的時空動態(tài)特征一致。

3.4 連接交互安全性

數(shù)字孿生的連接交互安全性準則用于規(guī)范數(shù)字孿生連接交互過程應(yīng)符合的安全程度。數(shù)字孿生的連接交互安全性是指數(shù)據(jù)傳輸過程中信息能保持機密、完整與可用，防止數(shù)據(jù)被竊取、篡改或偽造，同時能保障交互數(shù)據(jù)來源準確認證，確保交互對象身份安全，防范通信協(xié)議的篡改或偽造。此外，當(dāng)交互過程存在物理接觸時，能保障交互對象的功能、性能不受到損壞。

3.5 連接交互可靠性

數(shù)字孿生的連接交互可靠性準則用于規(guī)范數(shù)字孿生連接交互的性能質(zhì)量，使數(shù)字孿生具有長期穩(wěn)定、可靠的連接交互性能。數(shù)字孿生連接交互可靠性可從以下兩方面分析：一是交互數(shù)據(jù)完整、準確傳輸?shù)哪芰δ軡M足數(shù)字孿生的業(yè)務(wù)需求；二是在分析融合物理實體及環(huán)境、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)與服務(wù)的異構(gòu)數(shù)據(jù)過程中，數(shù)字孿生能具備及時處理通信時延、中斷、異常數(shù)據(jù)的能力，從而保障數(shù)字孿生功能的正常穩(wěn)定運行。

4 數(shù)字孿生連接交互理論體系

連接與交互是數(shù)字孿生由滯至通、由靜至動、由孤至融的核心關(guān)鍵，通過實現(xiàn)數(shù)字孿生內(nèi)外要素間的緊密相連，使數(shù)字孿生既成為數(shù)據(jù)互通、資源共享、信息融合的整體，又能與環(huán)境積極主動交流。物理空間是數(shù)字孿生動態(tài)運行的源頭和出發(fā)點，首先需感知物理實體及環(huán)境變化，為虛實交互與融合提供物理信息。隨后，需建立通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效流通與更新共享，使數(shù)字孿生內(nèi)外要素互聯(lián)互通。為保障數(shù)字孿生精準運行，需進一步分析虛實映射關(guān)聯(lián)及數(shù)字孿生的驅(qū)動機制，以滿足動態(tài)運行需求。此外，物理空間與虛擬空間的緊密交互，能有效促進環(huán)境信息、人類認知決策、經(jīng)驗知識及數(shù)字孿生的深度融合，為多源信息交匯、群體智能集聚、高效靈活決策提供切實保障。因此，針對“物理狀態(tài)如何感知”、“交互數(shù)據(jù)如何傳輸”、“虛實空間如何融合”數(shù)字孿生連接交互核心問題，本文提出了一套涵蓋信息感知、連接通信、虛實映射、數(shù)模聯(lián)動和交互融合五部分內(nèi)容的數(shù)字孿生連接交互理論體系，如圖3所示。

4.1 感知：信息感知

為實時、高效、精準掌握各類物理資源狀態(tài)和環(huán)境變化，需有效獲取物理空間信息，以支持模型動態(tài)驅(qū)動、服務(wù)動態(tài)優(yōu)化及資源動態(tài)分配。首先需根據(jù)物理資源的特性分析其感知需求，借助合理高效的感知技術(shù)獲取物理資源的各類數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，通過處理多源、多態(tài)、海量特性的感知數(shù)據(jù)，提取表征物理狀態(tài)的關(guān)鍵特征，進而分析感知數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，以融合多源異構(gòu)信息，最終實現(xiàn)對物理空間狀態(tài)的高精、全面、可靠、實時感知，為感知數(shù)據(jù)的傳輸和使用提供信息支撐。

4.2 通信：連接通信

連接通信是指建立穩(wěn)定可靠的時空數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)環(huán)境、數(shù)字孿生及其要素間信息全面互聯(lián)互通，為數(shù)字孿生從“靜態(tài)”轉(zhuǎn)為“動態(tài)”提供基礎(chǔ)保障。通過建立快速、安全、可靠的通信協(xié)議，使海量異構(gòu)通信設(shè)備高效互聯(lián)，實現(xiàn)信息交流、更新與共享。因不同業(yè)務(wù)對交互數(shù)據(jù)的時效性、準確性、完整性等要求存在差異，交互數(shù)據(jù)的傳輸速率及質(zhì)量需滿足數(shù)字孿生的具體需求。此外，由于時空數(shù)據(jù)具有多源、多維、異構(gòu)、動態(tài)的特點，往往會包含不同的數(shù)據(jù)元素及結(jié)構(gòu)形式，需對交互數(shù)據(jù)進行規(guī)范化描述，定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式，以保證數(shù)據(jù)的全局一致性及不同用戶/系統(tǒng)/平臺對數(shù)據(jù)的認知與理解一致。

4.3 映射：虛實映射

在信息感知和連接通信的基礎(chǔ)上，需進一步建立物理空間和虛擬空間的動態(tài)映射關(guān)聯(lián)，為虛實要素的精準對應(yīng)、物理要素的高效協(xié)同、虛擬要素的有效聯(lián)動提供基礎(chǔ)保障。根據(jù)數(shù)字孿生的功能結(jié)構(gòu)和應(yīng)用需求，確定數(shù)字孿生各要素的輸入?yún)?shù)、中間參數(shù)及輸出參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分析并建立數(shù)字孿生內(nèi)部及外部各要素間的時空映射關(guān)系，使虛實信息能夠按一定數(shù)據(jù)格式或信息結(jié)構(gòu)有序映射。此外，為保證虛實映射關(guān)聯(lián)的有效可靠，在數(shù)字孿生應(yīng)用過程中需不斷校驗虛實映射關(guān)系的準確性、完整性和可靠性。若映射關(guān)系不能符合應(yīng)用要求，則需進行映射關(guān)聯(lián)關(guān)系的更新與修正，直至其滿足要求。

4.4 聯(lián)動：數(shù)模聯(lián)動

在建立虛實映射關(guān)聯(lián)后，需進一步解決數(shù)字孿生動態(tài)驅(qū)動的難題?；趧討B(tài)時空數(shù)據(jù)，數(shù)模聯(lián)動實現(xiàn)數(shù)字孿生內(nèi)外要素的結(jié)合聯(lián)動，使物理空間與虛擬空間動態(tài)緊密結(jié)合。在數(shù)字孿生動態(tài)應(yīng)用前，首先需根據(jù)物理實體及環(huán)境的靜態(tài)特征對數(shù)字孿生狀態(tài)初始化，保證其初始狀態(tài)與真實狀態(tài)一致。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字孿生動態(tài)運行特征及應(yīng)用需求，確定驅(qū)動方法及數(shù)據(jù)更新頻率，實現(xiàn)數(shù)字孿生實時、動態(tài)、精準驅(qū)動。此外，為保證數(shù)模聯(lián)動的實時有效，需不斷校驗虛實空間的符合程度。若數(shù)模聯(lián)動過程存在沖突或延遲，則需重新分析并更新調(diào)整數(shù)模聯(lián)動機制，直至實現(xiàn)沖突消解并滿足應(yīng)用需求。

4.5 融合：交互融合

面對復(fù)雜多變的物理世界，在精準感知其狀態(tài)變化，進而驅(qū)動數(shù)字孿生動態(tài)運行基礎(chǔ)上，通過融合物理環(huán)境和數(shù)字孿生的各類信息，實現(xiàn)深度融合決策，為數(shù)字孿生動態(tài)高效分析、控制、預(yù)測、優(yōu)化物理世界提供有力保障。通過關(guān)聯(lián)物理環(huán)境，并有機融合數(shù)字孿生模型的實時仿真結(jié)果、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)存儲的信息知識、智能服務(wù)算法、人類認知決策等信息，實現(xiàn)信息即時交流、分析與共享，使數(shù)字孿生與環(huán)境緊密交融，最終形成深度信息融合的群智決策模式。

5 數(shù)字孿生連接交互關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合數(shù)字孿生連接交互內(nèi)涵、準則和理論體系的分析與闡述，基于作者團隊前期數(shù)字孿生使能技術(shù)[18]研究工作基礎(chǔ)，本文進一步研究分析數(shù)字孿生連接交互關(guān)鍵技術(shù)。依據(jù)“感知—通信—映射—聯(lián)動—融合”的連接交互理論體系，從上述5個方面分別闡述相關(guān)技術(shù)，如圖4所示。

(1)信息感知技術(shù)

信息感知技術(shù)用于獲取物理空間要素和環(huán)境的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后提取并分析狀態(tài)信息，實現(xiàn)物理空間的狀態(tài)感知，相關(guān)技術(shù)主要包括：①多模態(tài)感知技術(shù)；②同步感知技術(shù)；③“人—機—物—環(huán)境”狀態(tài)感知技術(shù)；④“端—邊—云”協(xié)同感知技術(shù)；⑤感知數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)；⑥感知信息融合技術(shù)。

(2)連接通信技術(shù)

連接通信技術(shù)用于傳輸實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)字孿生內(nèi)部及外部各要素間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，相關(guān)技術(shù)主要包括：①通信協(xié)議映射與交互技術(shù)；②通信協(xié)議一致性測試技術(shù)；③通信—計算融合技術(shù)；④自適應(yīng)同步通信技術(shù)；⑤通信安全技術(shù)。

(3)虛實映射技術(shù)

虛實映射技術(shù)用于構(gòu)建物理空間與虛擬空間的時空映射關(guān)系，相關(guān)技術(shù)主要包括：①虛實映射關(guān)聯(lián)挖掘技術(shù)；②虛實映射一致性評估技術(shù)；③映射關(guān)聯(lián)關(guān)系存儲與管理技術(shù)；④映射關(guān)聯(lián)自適應(yīng)更新與優(yōu)化技術(shù)；⑤映射關(guān)聯(lián)可視化技術(shù)。

(4)數(shù)模聯(lián)動技術(shù)

數(shù)模聯(lián)動技術(shù)用于建立數(shù)字孿生的實時驅(qū)動機制，實現(xiàn)虛實空間的動態(tài)結(jié)合，相關(guān)技術(shù)主要包括：①數(shù)模聯(lián)動機制自適應(yīng)更新與優(yōu)化技術(shù)；②數(shù)模聯(lián)動一致性評估技術(shù)；③時空狀態(tài)初始化技術(shù)；④時域同步驅(qū)動技術(shù)；⑤數(shù)據(jù)同步交互技術(shù)。

(5)交互融合技術(shù)

交互融合技術(shù)用于關(guān)聯(lián)數(shù)字孿生內(nèi)外要素的各類信息，實現(xiàn)模型、數(shù)據(jù)、信息、知識的深度融合，相關(guān)技術(shù)主要包括：①“人—機—環(huán)境”共融技術(shù)；②虛實數(shù)據(jù)挖掘與融合技術(shù)；③“以人為本”的信息融合技術(shù)；④“實體—數(shù)據(jù)—模型—服務(wù)”融合技術(shù)。

6 結(jié)束語

作為數(shù)字孿生的重要組成部分，連接與交互實現(xiàn)了虛實空間的數(shù)據(jù)傳輸與交換，為物理實體的實時感知、控制、預(yù)測與優(yōu)化提供了基礎(chǔ)支撐，在一定程度上體現(xiàn)了數(shù)字孿生與傳統(tǒng)仿真的區(qū)別與差異。為使數(shù)字孿生連接交互的實施有章可循、有據(jù)可依，本文首先闡述了數(shù)字孿生連接交互的內(nèi)涵與準則，進而構(gòu)建了一套“感知—通信—映射—聯(lián)動—融合”數(shù)字孿生連接交互理論體系，分析了數(shù)字孿生連接交互關(guān)鍵技術(shù)，以期為數(shù)字孿生連接交互的研究提供理論與方法參考。

本文研究工作僅對數(shù)字孿生連接交互內(nèi)涵與準則進行了初步探討，所提出的理論體系和關(guān)鍵技術(shù)還需進一步豐富和完善。后續(xù)本文作者團隊將進一步結(jié)合實際應(yīng)用需求，完善數(shù)字孿生連接交互理論體系，同時深入研究和探討數(shù)字孿生連接交互的實施方法。文章內(nèi)容難免有不足之處，懇請國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和專家批評指正！

筆者前期已圍繞物理實體、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)四個維度開展了相關(guān)研究工作，結(jié)合本文提出的數(shù)字孿生連接交互理論體系，進一步探究并豐富了數(shù)字孿生五維模型理論體系，相關(guān)工作期望為數(shù)字孿生的理論研究和應(yīng)用落地起到參考推動作用。

致謝

本文研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目(52120105008，52005024)的支持。除本文所列作者外，北航數(shù)字孿生研究組的其他成員也參與了本文的寫作討論，在此一并表示感謝。非常感謝郝玉成、雷毅、孫林夫、凌衛(wèi)國、楊建坤和王柏村等專家對本文內(nèi)容的討論和指導(dǎo)。