論文作者：Fei Tao (陶飛), Xuemin Sun (孫學(xué)民), Jiangfeng Cheng (程江峰), Yonghuai Zhu (朱永懷), Weiran Liu (劉蔚然), Yong Wang (王勇), Hui Xu (徐慧), Tianliang Hu (胡天亮), Xiaojun Liu (劉曉軍), Tingyu Liu (劉庭煜), Zheng Sun (孫錚), Jun Xu (徐俊), Jinsong Bao (鮑勁松), Feng Xiang (向峰), Xiaohui Jin (金小輝)
作者單位：北京航空航天大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司、山東大學(xué)、東南大學(xué)、西安交通大學(xué)、東華大學(xué)、武漢科技大學(xué)、航天一院北京航天拓?fù)涓呖萍加邢挢?zé)任公司
項(xiàng)目支持：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線精確建模理論與方法（2020YFB1708400）”
論文引用信息：
TAO F, SUN X, CHENG J, et al. makeTwin: A reference architecture for digital twin software platform [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2023, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cja.2023.05.002 (In Press).
論文下載二維碼：
數(shù)字孿生經(jīng)過(guò)近年快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域已跨越航空航天和智能制造的邊界，迅速延伸到全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)各個(gè)角落，成為人類構(gòu)筑數(shù)字空間，并籍以改造現(xiàn)實(shí)世界的變革性模式。
數(shù)字孿生工業(yè)軟件是數(shù)字孿生從理論到工程實(shí)踐的核心載體，備受學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府相關(guān)部門的關(guān)注。但在應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當(dāng)前缺乏一種普適性的數(shù)字孿生研究與開(kāi)發(fā)平臺(tái)。具體而言，對(duì)于學(xué)術(shù)研究者，缺少一個(gè)數(shù)字孿生模型、數(shù)據(jù)、算法、交互可創(chuàng)建、可配置的公共仿真、測(cè)試與研究平臺(tái)；對(duì)于開(kāi)發(fā)者，缺少一個(gè)模型數(shù)據(jù)、協(xié)議、可視化等功能可創(chuàng)建、可配置的低代碼開(kāi)發(fā)平臺(tái)；對(duì)于企業(yè)用缺少一個(gè)場(chǎng)景、功能、模式可配置、可切換、可遷移的應(yīng)用管理平臺(tái)。鑒于此，構(gòu)建服務(wù)于各行業(yè)、各應(yīng)用層級(jí)的數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺(tái)迫在眉睫。
圖1 數(shù)字孿生工業(yè)軟件迫在眉睫
軟件統(tǒng)一參考架構(gòu)的缺位阻礙了數(shù)字孿生理論在研究和工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。因此，作者團(tuán)隊(duì)基于多年在數(shù)字孿生理論和關(guān)鍵技術(shù)（如數(shù)字孿生五維模型、數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論、數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)等）系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)過(guò)程精確建模理論與方法”的支持下，提出并設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺(tái)參考架構(gòu)——makeTwin。makeTwin名稱起源于Nature期刊首篇數(shù)字孿生文章，嘗試給出數(shù)字孿生工業(yè)軟件發(fā)展的中國(guó)思路和參考架構(gòu)。
本文首先從數(shù)字孿生工業(yè)軟件的七大需求、十大功能、基本工作流程和核心功能交互機(jī)制等4個(gè)方面介紹數(shù)字孿生工業(yè)軟件的最新進(jìn)展；其次，給出了參考makeTwin架構(gòu)開(kāi)發(fā)的紡織車間（CFTS）數(shù)字孿生應(yīng)用系統(tǒng)，證明了所提參考架構(gòu)的可行性。最后，本文總結(jié)了makeTwin的設(shè)計(jì)理念和開(kāi)發(fā)過(guò)程，歸納了makeTwin研發(fā)過(guò)程中存在的不足和面臨的挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，分析了數(shù)字孿生工業(yè)軟件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
1）總結(jié)分析了數(shù)字孿生工業(yè)軟件的七大需求
為保障軟件可配置、可調(diào)用、可升級(jí)和可擴(kuò)展功能，本文總結(jié)分析了數(shù)字孿生工業(yè)軟件在數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生算法、物聯(lián)連接、虛實(shí)交互、虛擬仿真及可視化等7個(gè)維度的需求，如圖3所示。
圖3 數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺(tái)七大需求
數(shù)字孿生模型需求
：
表明用戶對(duì)數(shù)字孿生模型創(chuàng)建和管理等需求，包括導(dǎo)入、創(chuàng)建、輕量化、組裝等；
數(shù)字孿生數(shù)據(jù)需求
：
表明用戶對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)快速處理的需求，包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、檢索與調(diào)用、變換、特征提取、降維等；
數(shù)字孿生算法需求
：
表明用戶對(duì)內(nèi)置或自定義算法模型相關(guān)需求，包括創(chuàng)建、修改、調(diào)試及封裝等；
物聯(lián)連接需求
：
表明用戶期望平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字孿生虛實(shí)互聯(lián)相關(guān)需求，包括通信協(xié)議選擇、創(chuàng)建、物理數(shù)據(jù)源訪問(wèn)等；
虛實(shí)交互需求
：
表明用戶期望平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的虛實(shí)交互同步及反饋控制需求，包括動(dòng)作行為配置、狀態(tài)同步配置、規(guī)則配置等；
虛擬仿真需求
：
表明用戶期望基于數(shù)字孿生模型、數(shù)據(jù)、算法和組件之間的交互，實(shí)現(xiàn)物理特性的準(zhǔn)確刻畫(huà)，包括算法配置、數(shù)據(jù)配置、邊界條件配置等；
可視化需求
：
表明用戶數(shù)字孿生模型、數(shù)據(jù)、算法、連接、交互和仿真等元素的增強(qiáng)可視化表達(dá)需求。
2）設(shè)計(jì)提出了一套包括十大功能的數(shù)字孿生工業(yè)軟件參考架構(gòu)（makeTwin）
針對(duì)用戶對(duì)于數(shù)字孿生工業(yè)軟件的需求，文章提出并設(shè)計(jì)了一種數(shù)字孿生軟件平臺(tái)參考架構(gòu)——makeTwin，定義了數(shù)字孿生工業(yè)軟件十大核心功能，包括
數(shù)字孿生模型創(chuàng)建與集成(twinModelBuilder)、孿生數(shù)據(jù)處理器(twinDataProcessor)、算法生成適配器( twinAlgBuilder)、數(shù)實(shí)loT連接器(twinloTConnector)、虛實(shí)交互配置器(twinInteractor)、孿生仿真求解器(twinSimulator)、多維可視化工具(twinVisualization)、孿生基礎(chǔ)庫(kù)(twinLibrary)、場(chǎng)景應(yīng)用模板集(twinSceneTemplate)、孿生應(yīng)用部署器(twinAppDeployer)。
圖
4 makeTwin軟件平臺(tái)核架構(gòu)
數(shù)字孿生模型創(chuàng)建與集成
(
twinModelBuilder
)主要管理數(shù)字孿生模型，并實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體或復(fù)雜系統(tǒng)的多維、多尺度、多領(lǐng)域的表征，主要包括模型導(dǎo)入、創(chuàng)建、轉(zhuǎn)換、輕量化、組裝、融合、驗(yàn)證與修正；
孿生數(shù)據(jù)處理器
(
twinDataProcessor
)為makeTwin提供孿生數(shù)據(jù)的管理能力，主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)檢索與調(diào)用、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、特征提取、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)降維和數(shù)據(jù)生成等功能；
算法生成適配器
(
twinAlgBuilder
)主要提供算法模型開(kāi)發(fā)和管理能力，以滿足算法模型的導(dǎo)入、檢索、創(chuàng)建、修改、調(diào)試與封裝等需求；
數(shù)實(shí)loT連接器
(
twinloTConnector
)在連接虛擬世界和物理世界方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它包括通信協(xié)議的選擇、創(chuàng)建、配置和數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、聚合和管理等功能；
虛實(shí)交互配置器
(
twinInteractor
)主要提供虛擬-現(xiàn)實(shí)交互的能力，主要包括動(dòng)作行為配置、狀態(tài)同步配置、規(guī)則配置、數(shù)模關(guān)聯(lián)配置和虛實(shí)一致性驗(yàn)證等功能；
孿生仿真求解器
(
twinSimulator
)配備了復(fù)雜、多元的參數(shù)配置模塊，能夠針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行多學(xué)科、多物理場(chǎng)、多尺度和多概率的仿真；
多維可視化工具
(
twinVisualization
)旨在幫助用戶直觀地觀測(cè)數(shù)字孿生要素，具體包括模型可視化、數(shù)據(jù)可視化、交互可視化、算法可視化和仿真可視化；
孿生基礎(chǔ)庫(kù)
(
twinLibrary
)為數(shù)字孿生工業(yè)軟件提供了全面的支持，主要由數(shù)字孿生模型庫(kù)、算法庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、通信協(xié)議庫(kù)和場(chǎng)景模板庫(kù)組成；
場(chǎng)景應(yīng)用模板集
(
twinSceneTemplate
)旨在為用戶提供跨領(lǐng)域的通用模板，以引導(dǎo)用戶快速配置數(shù)字孿生應(yīng)用程序服務(wù)；
孿生應(yīng)用部署器
(
twinAppDeployer
)為用戶提供應(yīng)用和服務(wù)部署方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接狀況，可分為離線部署和在線部署兩類。
3）設(shè)計(jì)了makeTwin基本工作流程
在makeTwin軟件平臺(tái)中，有兩種主要開(kāi)發(fā)模式以滿足不同用戶的應(yīng)用需求。第一種模式是基于場(chǎng)景模板的應(yīng)用服務(wù)開(kāi)發(fā)，第二種模式是基于場(chǎng)景模板的定制構(gòu)建，如圖5所示。
4）提出了makeTwin核心功能交互機(jī)制
makeTwin的交互機(jī)制功能為關(guān)聯(lián)各核心函數(shù)間的輸入和輸出。在makeTwin平臺(tái)中，主要考慮了模型、數(shù)據(jù)處理、算法、物聯(lián)網(wǎng)、交互、仿真、庫(kù)、可視化和場(chǎng)景間的交互機(jī)制，如圖6所示。
圖6 makeTwin核心功能的交互機(jī)制
5）開(kāi)發(fā)了基于makeTwin架構(gòu)的紡織行業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用系統(tǒng)
參考makeTwin架構(gòu)，研發(fā)的紡織車間（CFTS）的數(shù)字孿生系統(tǒng)已在企業(yè)進(jìn)行了部署應(yīng)用。
圖
7 CFTS數(shù)字孿生系統(tǒng)主界面
6）給出了數(shù)字孿生工業(yè)軟件架構(gòu)未來(lái)研究方向及建議
文章提出的makeTwin參考架構(gòu)綜合考慮了軟件平臺(tái)的開(kāi)放性、兼容性、互操作性、可用性和可擴(kuò)展性，以滿足學(xué)術(shù)研究人員、開(kāi)發(fā)人員和企業(yè)用戶的數(shù)字孿生研發(fā)和使用需求。然而，makeTwin仍處于從概念到實(shí)現(xiàn)的早期階段。makeTwin的體系結(jié)構(gòu)和功能模塊仍需不斷的改進(jìn)和完善。未來(lái)的研究工作主要包括以下4點(diǎn)：
a) makeTwin結(jié)構(gòu)和功能仍需不斷的迭代以形成高可用的工程軟件平臺(tái)，同時(shí)保證對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的適用性。
b) 進(jìn)一步根據(jù)不同行業(yè)的特點(diǎn)，繼續(xù)研究makeTwin的派生形式，以保證其針對(duì)不同行業(yè)和應(yīng)用場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)效率。
c) 在更多的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，對(duì)makeTwin進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。
d) 基于makeTwin的研究成果，研發(fā)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以對(duì)研究和應(yīng)用進(jìn)行規(guī)范化指導(dǎo)。
項(xiàng)目研究組正在與數(shù)字孿生相關(guān)研發(fā)單位和應(yīng)用企業(yè)，發(fā)揮“產(chǎn)、學(xué)、研、用”一體化協(xié)同優(yōu)勢(shì)，共同研究編制《數(shù)字孿生工業(yè)軟件白皮書(shū)》，為數(shù)字孿生工業(yè)軟件發(fā)展提供智力參考和數(shù)據(jù)洞察，為產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)企業(yè)提供決策參考，共同嘗試基于makeTwin形成數(shù)字孿生工業(yè)軟件的中國(guó)理解和參考架構(gòu)，以更好的引導(dǎo)數(shù)字孿生工業(yè)軟件可持續(xù)優(yōu)質(zhì)發(fā)展。
文章相關(guān)工作是在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線精確建模理論與方法（2020YFB1708400）”支持下研究、實(shí)踐與總結(jié)完成的。論文作者主要來(lái)源于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和makeTwin工業(yè)軟件應(yīng)用單位。
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陶 飛
（1981－），男，湖北武漢人，北京航空航天大學(xué)教授?博士生導(dǎo)師，《Digital Twin》國(guó)際期刊、國(guó)際會(huì)議、國(guó)際論壇發(fā)起創(chuàng)辦人，《航空學(xué)報(bào)》《中國(guó)航空學(xué)報(bào)（英文版）》編委。研究方向：數(shù)字孿生、數(shù)字工程、智能制造，E-mail：ftao@buaa.edu.cn。
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孫學(xué)民
（1991－），男，山東德州人，北京航空航天大學(xué)卓百博士后。研究方向：數(shù)字孿生裝配技術(shù)、數(shù)字孿生復(fù)雜裝備運(yùn)維技術(shù)等。
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程江峰
（1987－），男，山東煙臺(tái)人，北京航空航天大學(xué)副教授。研究方向：數(shù)字孿生、智能制造、復(fù)雜裝備數(shù)字孿生運(yùn)維等；
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朱永懷
（1994－），男，河南周口人，北京工業(yè)大學(xué)博士研究生。研究方向：數(shù)字孿生復(fù)雜裝備運(yùn)維技術(shù)、先進(jìn)制造與智能技術(shù)等。
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劉蔚然
（1991－），男，吉林長(zhǎng)春人，北京航空航天大學(xué)博士研究生。研究方向：數(shù)字孿生衛(wèi)星、數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用等。
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王 勇
（1972－），男，北京市人，北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司董事、總經(jīng)理、研究員。研究方向：智能物流、數(shù)字孿生和智能制造。
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徐 慧
（1981－），女，山東文登人，北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司副總經(jīng)理、研究員。研究方向：物流行業(yè)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)、企業(yè)智能制造等。
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胡天亮
（1981－），男，山東濟(jì)南人，山東大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：智能制造、數(shù)字孿生、智能控制等。
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劉曉軍
（1980－），男，河北張家口人，東南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造與先進(jìn)制造技術(shù)等。
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劉庭煜
（1982－），男，江蘇常州人，東南大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：智能制造系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析、工業(yè)智能視覺(jué)以及車間數(shù)字孿生技術(shù)等。
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孫 錚
（1981－），男，浙江寧波人，西安交通大學(xué)副教授。研究方向：制造裝備數(shù)控技術(shù)?精密運(yùn)動(dòng)控制與電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)?智能制造與數(shù)字孿生技術(shù)等。
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徐 俊
（1986－），男，浙江金華人，西安交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：智能制造?機(jī)器人?儲(chǔ)能等智能系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)。
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鮑勁松
（1972－），男，安徽合肥人，東華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等。
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向 峰
（1983－），男，湖北武漢人，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：面向服務(wù)的智能制造、數(shù)字孿生、綠色制造等。
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金小輝
（1976－），男，湖北赤壁人，航天一院北京航天拓?fù)涓呖萍加邢挢?zé)任公司研究員，研究方向：數(shù)字孿生，智能制造。
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