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數(shù)字孿生概念體系開發(fā)
發(fā)布時間：2023-06-30 19:29:10
《數(shù)字孿生概念體系開發(fā)》由安世亞太科技股份有限公司和中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部的段海波、高素、楊旭和李元林共同完成。本文分析了數(shù)字孿生這一術(shù)語指代不清的現(xiàn)象，提出了開發(fā)概念體系的改進方法和流程，進而開發(fā)了一套系統(tǒng)化的數(shù)字孿生概念體系，為數(shù)字孿生標準化工作提供了有益輸入。
1. 引言
在行業(yè)實踐中，“數(shù)字孿生”這一術(shù)語存在指代不清、邊界模糊的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在時空兩個維度同時存在。
例如圖1給出的四個例子，(a)把“數(shù)字孿生”定義在數(shù)字空間，(b)的“數(shù)字孿生”模型包括了物理空間，(c)的“數(shù)字孿生”雖然在虛擬空間，但排除了模型和數(shù)據(jù)庫，(d)的“數(shù)字孿生”定義存在循環(huán)嵌套。
相比空間視角下的歧義和模糊可以靠構(gòu)建和豐富數(shù)字孿生概念和術(shù)語體系比較容易地解決，“數(shù)字孿生”時間維度上的邊界模糊對標準化工作的挑戰(zhàn)更大。
如圖2所示，有學(xué)者認為，只有單向數(shù)據(jù)流的數(shù)字影子不是數(shù)字孿生，這也符合目前數(shù)字孿生領(lǐng)域最重要的兩個國際標準（ISO 23247和在研的ISO/IEC 30173）對digital twin的定義。但是，Michael Grieves博士不認可“數(shù)字孿生不存在，除非有實物產(chǎn)品”的觀點，認為這是對數(shù)字孿生的過度定義。這里的核心問題是：一個數(shù)字孿生體和其所在的數(shù)字孿生系統(tǒng)，它們的生命周期何時開始、何時結(jié)束？兩者是否必須、應(yīng)該、可以、可能或不可能具有相同的生命周期？
作為最早發(fā)布的數(shù)字孿生國際標準，ISO 23247在解決“數(shù)字孿生”這一概念的空間模糊性上做了一些努力，區(qū)分了數(shù)字孿生體（digital twin entity）和數(shù)字孿生框架（digital twin framework）（如圖3所示），進而作者提出把圖3中的所有內(nèi)容（藍框以內(nèi)）作為數(shù)字孿生系統(tǒng)（digital twin system）的范圍。
通過文獻分析，我們發(fā)現(xiàn)除了術(shù)語“digital twin”，其衍生形式“digital twins”，“digital twinned” 和“digital twinning”也被頻繁使用，“digital twin entity”和“digital twin system”兩個新的復(fù)合術(shù)語也出現(xiàn)在技術(shù)出版物中。此外，英語文獻中的“digital twin”一詞有多種含義：
1. 技術(shù)領(lǐng)域或標準化主題
2. 包括核心技術(shù)和使能技術(shù)在內(nèi)的技術(shù)體系（system）
3. 細分市場或產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)
4. 數(shù)字孿生系統(tǒng)
5. 數(shù)字孿生體系（SoS）
6. 數(shù)字孿生體
7. 數(shù)字孿生體或數(shù)字孿生系統(tǒng)
而“數(shù)字孿生”一詞的復(fù)數(shù)形式digital twins可以指數(shù)字孿生體或數(shù)字孿生系統(tǒng)，或兩者兼而有之。表 1 總結(jié)了術(shù)語數(shù)字孿生多義現(xiàn)象的示例。
可以看出，只靠一個術(shù)語和一個定義無法表達多個概念，只用“digital twin/數(shù)字孿生”這一個詞來應(yīng)對這么多的語境和應(yīng)用場景只會造成歧義和溝通障礙，有必要將數(shù)字孿生體digital twin entity和數(shù)字孿生系統(tǒng)digital twin system與數(shù)字孿生digital twin這個術(shù)語的其他通用用途區(qū)分開來。
同時，作為一個集成化的技術(shù)體系，數(shù)字孿生的跨學(xué)科性正在使其成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心。它的演變需要多學(xué)科的支持，其標準化需要構(gòu)建支持數(shù)字化轉(zhuǎn)型的頂層本體和數(shù)字孿生領(lǐng)域本體。因此，我們需要分析、綜合和協(xié)調(diào)學(xué)科之間的概念關(guān)系和聯(lián)系，進而構(gòu)建一個系統(tǒng)完備的數(shù)字孿生概念和術(shù)語體系。
2. 方法
目前兩個術(shù)語工作的國際標準ISO 1087:2019和ISO 704:2022只提供了開發(fā)一個概念體系及其概念圖的術(shù)語定義、目的用途、操作任務(wù)和評價準則，缺乏詳細的流程步驟、行業(yè)實例和解決疑難情況的手段工具。
ISO/IEC 30141（物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)）在研中的第二版和ISO/IEC 22989:2022（人工智能概念和術(shù)語）兩個數(shù)字孿生相關(guān)領(lǐng)域的最新國際標準給出了解決核心術(shù)語多義問題的思路，即依靠修飾限制性的后綴詞構(gòu)建本領(lǐng)域小規(guī)模核心概念和術(shù)語體系。
ISO 19101-1:2014（地理信息參考模型第一部分：基礎(chǔ)）給出了概念體系的形式化表達語言建議，如UML和EXPRESS。ISO/IEC 30141:2018（物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)）和ISO/IEC/IEEE 42010:2022（架構(gòu)描述）給出了相應(yīng)領(lǐng)域概念體系的概念圖示例。
本文在上述現(xiàn)有術(shù)語工作和相關(guān)國際標準概念體系開發(fā)原則和示例的基礎(chǔ)上，提出了開發(fā)概念體系的改進方法和流程，包括應(yīng)用系統(tǒng)思維觀點原則和系統(tǒng)工程方法工具，評估候選上位概念的工具和步驟，開發(fā)系統(tǒng)完備分類的框架、原則和步驟，以及術(shù)語工作的成熟度等級。
2.1 應(yīng)用系統(tǒng)思維觀點原則和系統(tǒng)工程方法工具
開發(fā)一個系統(tǒng)完備的概念術(shù)語體系，除了ISO 704的宏觀建議，首先需要采納系統(tǒng)思維的觀點和原則，運用系統(tǒng)工程方法和工具。本文提出了以下觀點、原則和方法工具，為概念體系開發(fā)提供方法論層面的頂層框架和指導(dǎo)。
1. 系統(tǒng)的觀點、功能的觀點是工程實踐的基本觀點；
2. 時間關(guān)系、空間關(guān)系、目的手段或因果關(guān)系是世間的三大基本關(guān)系。
3. 既把概念體系當作一個系統(tǒng)，也把給定概念的定義當作一個系統(tǒng)；
4. 從所關(guān)注系統(tǒng)的目的性和層次性出發(fā)；
5. 明確應(yīng)用場景和各利益相關(guān)方的需求；
6. 不要忽視各層次的使能系統(tǒng)。
7. TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)完備性法則；
8. TRIZ理論的系統(tǒng)思維九屏幕法；
9. IDEF0功能建模方法。
2.2 評估候選上位概念的工具和步驟
開發(fā)概念體系的關(guān)鍵是確定一個概念在概念體系中的位置和關(guān)系。特別是當這個概念來自一個新的領(lǐng)域，人們尚未就其定義達成一致時，這一步變得至關(guān)重要和具有挑戰(zhàn)性。根據(jù)術(shù)語工作國際標準給出的“內(nèi)涵定義=上位概念+區(qū)別特征（delimiting characteristic）”這一公式，這一任務(wù)可重新表述為“如何為一個新概念評估和選擇合適的上位概念”。
本文提出了一套詳細的步驟（詳見英文原文）來構(gòu)建概念圖、進而分析評估候選上位概念之間的語義關(guān)系。候選上位概念的定義及其上下位關(guān)系來自普林斯頓大學(xué)的WordNet 3.1。作為可視化工具，UML類圖被用來分析候選上位概念之間的語義關(guān)系。
需要指出的是，這種針對單一概念進行追根溯源的概念圖不但可以用于為該概念尋找合適的上位概念，也可用于跨語言或多語種的術(shù)語標準化工作。例如，筆者在《digital thread何時是數(shù)字主螺紋的意思》一文中，利用上位概念間的語義關(guān)系圖，探究digital thread各中文譯法與thread各英文釋義的起源對應(yīng)關(guān)系，進而為digital thread恰當中文譯法的選擇提供決策依據(jù)。
2.3 開發(fā)系統(tǒng)完備的分類的框架、原則和步驟
人們在給事物分類時，經(jīng)常會出現(xiàn)分類維度前后不一致、分類結(jié)果未能窮盡的現(xiàn)象。本文為開發(fā)概念體系提出的第三項改進是提出面對特定問題情境的分類框架，并給出開發(fā)一個系統(tǒng)完備的分類體系（taxonomy）的原則和步驟。
應(yīng)用公式“內(nèi)涵定義=上位概念+區(qū)別特征”來構(gòu)建一個領(lǐng)域的概念體系時，從根本上說，這個概念體系就是一個分類體系，也可以理解為該領(lǐng)域的輕量級領(lǐng)域本體。然而，現(xiàn)有國際標準說明概念體系的類型時，最多只給出了單維和多維分類（classification）的示例，并未規(guī)范或說明如何為一個領(lǐng)域甚至一個概念構(gòu)建系統(tǒng)完備（肯定也是多維的）的本體意義上的分類體系（taxonomy）。
為了給各種分類維度提供一個管理和實例化的頂層框架，本文運用系統(tǒng)思維觀點，以2.1節(jié)所述三大基本關(guān)系為骨架，提出了一個構(gòu)建分類體系的通用三維框架（圖4）。這一框架是領(lǐng)域無關(guān)的，可以根據(jù)需要進行定制。例如，系統(tǒng)的手段-目的關(guān)系維度可以根據(jù)問題解決的邏輯進一步分解擴展為需求指標、質(zhì)量特征或行業(yè)領(lǐng)域等。
在此基礎(chǔ)上，本文給出了開發(fā)一個分類體系的詳細步驟（詳見英文原文），其中提到了開發(fā)分類體系應(yīng)遵循的兩個準則：
1. 對于一維分類，各子集之間的交集應(yīng)為空集；所有子集的并集應(yīng)等于上位概念的全集。
2. 對于多維分類體系，圖4的分類框架提供分類維度的初始正交性；增加分類維度時，需要檢查新增維度與現(xiàn)有維度的正交性。
圖4的通用分類該分類框架已被MBSE領(lǐng)域第一個國際標準ISO/IEC/IEEE 24641采納為基于模型的系統(tǒng)和軟件工程（MBSSE）參考框架的一部分。
2.4 術(shù)語工作的成熟度等級
面對具體的術(shù)語工作項目，需要根據(jù)應(yīng)用場景和能力成熟度水平，來定制和選擇相應(yīng)的流程、方法和工具。本文為開發(fā)概念體系提出的第四項改進是，提出了術(shù)語工作的成熟度等級模型，為數(shù)字孿生術(shù)語工作提供高層次的需求和愿景：
1級：概念定義語法正確，但語義和語用不準確；
2級：術(shù)語條目和概念定義符合相關(guān)國際標準和國家標準要求；
3級：所構(gòu)建的概念體系符合相關(guān)國際標準和國家標準要求；
4級：運用本文提出的開發(fā)概念體系的改進方法和流程，所開發(fā)的概念體系及其概念定義和術(shù)語條目，符合相關(guān)國際標準和國家標準要求，滿足利益相關(guān)方要求；
5級：實現(xiàn)基于模型的概念體系構(gòu)建和概念定義，即基于模型的術(shù)語工程或本體工程。
數(shù)字孿生的跨學(xué)科性使其成為一種集成的技術(shù)系統(tǒng)。它不僅需要從學(xué)術(shù)研究和行業(yè)實施的角度，還需要從標準化的角度獲得多學(xué)科的支持。其高質(zhì)量的標準化將促進并惠及所有行業(yè)。因此，本文建議數(shù)字孿生的術(shù)語及其他標準化工作采用采用本文提出的開發(fā)概念體系的改進方法和流程，數(shù)字孿生術(shù)語工作的入門成熟度級別從三級開始，以達到四級為近期目標。
2.5 概念體系的表達與可視化
ISO 704中開發(fā)概念體系的建議和本文提出的改進方法對概念體系的表達和可視化提出了以下的技術(shù)要求：
1. 采用形式化的建模方法及其表達語言，而非類自然語言的概念圖；
2. 概念體系的構(gòu)建應(yīng)遵循“內(nèi)涵定義=上位概念+區(qū)別特征”的公式，尤其對于其中的關(guān)鍵概念；
3. 除了上下位關(guān)系外，為了計算機可讀性和團隊協(xié)作的效率，概念體系應(yīng)盡可能少地使用其他語義關(guān)系；
4. 工具或語言應(yīng)支持分類（taxonomy）的表達，即2.3節(jié)提到的開發(fā)一維分類的準則。
5. 工具或語言應(yīng)支持小規(guī)模（如20個概念）和中等規(guī)模（如200個概念）的概念體系開發(fā)和表達，特別是發(fā)表文章中的可視化。
目前，概念體系的表達和可視化有三個選項：
(1). 2.2節(jié)提到的用于評估候選上位概念的UML類圖，
(2). 工業(yè)數(shù)據(jù)相關(guān)（如ISO/TC184/SC4和ISO/TC59/SC13等）的許多標準使用的EXPRESS及其圖形化語言EXPRESS-G（即ISO 10303-11），
(3). 部分標準使用的類自然語言非形式化概念圖。
UML類圖（以及SysML塊定義圖）和EXPRESS-G都可以滿足上述大部分要求。鑒于EXPRESS及其EXPRESS-G的非重疊子類型（ONEOF）和全覆蓋子類型對2.3節(jié)提出的分類準則的支持，本文決定選擇EXPRESS-G語言作為所提出的數(shù)字孿生概念體系的建模和可視化工具。
此外，與UML類圖和SysML塊定義圖相比，EXPRESS-G具有簡潔的表達規(guī)則和更高的信息密度，可節(jié)省大量的頁面空間，但在某種程度上犧牲了可讀性。因此，除了給出數(shù)字孿生概念體系的總圖外，本文還提供了不同的局部視圖以提高其可讀性。
3. 成果
面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型的構(gòu)建過程如圖2所示。首先，以物理生產(chǎn)線中的實體為基礎(chǔ)，提取生產(chǎn)過程中物理實體的尺寸信息、車間布局設(shè)計和實體加工方式等生產(chǎn)信息，作為數(shù)字孿生邏輯模型的幾何參數(shù)和物理屬性；然后，根據(jù)物理實體在實際生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的生產(chǎn)行為，構(gòu)建基于事件驅(qū)動的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，使數(shù)字孿生邏輯模型具有行為特征、響應(yīng)機制，以及進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能力；最后，在幾何屬性、物理屬性和生產(chǎn)行為的基礎(chǔ)上，建立生產(chǎn)物理實體的數(shù)字孿生邏輯模型的仿真規(guī)則，通過制定模型間的同步推進規(guī)則和互斥優(yōu)先規(guī)則，利用邏輯管道將仿真過程中產(chǎn)生的行為信息傳遞給相關(guān)聯(lián)的模型，從而使各類模型設(shè)備具備演化、運轉(zhuǎn)的能力。
基于ISO 704開發(fā)概念體系的一般原則和指南以及本文提出的改進方法，本文分析了術(shù)語“數(shù)字孿生”的多義現(xiàn)象，并確定了區(qū)分數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)的必要性。本文從“數(shù)字孿生”這一通用術(shù)語出發(fā)，分析了digital twin的二十一個定義，并從中總結(jié)出十個上位概念；給出了數(shù)字孿生體的定義，并建議把數(shù)字孿生體認定為一種數(shù)字資產(chǎn)，而非數(shù)字化表征；開發(fā)了一個系統(tǒng)化的數(shù)字孿生概念體系，由大約一百個概念和五十個定義組成，包括五個部分：實體的頂層本體和分類、數(shù)字孿生體相關(guān)概念、數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)概念、分類框架相關(guān)概念，以及數(shù)字孿生系統(tǒng)的姊妹概念。
3.1 區(qū)分數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)
為解決引言及表1所指出的“數(shù)字孿生”一詞指代不清的問題，有必要參考物聯(lián)網(wǎng)和人工智能術(shù)語標準化的做法，在ISO 23247采納使用“digital twin entity”（數(shù)字孿生體）這一術(shù)語的基礎(chǔ)上，進一步引入數(shù)字孿生系統(tǒng)digital twin system的概念，將數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)并列使用，用來消除“數(shù)字孿生”在空間維度下的模糊和歧義。
數(shù)字孿生體digital twin entity的內(nèi)涵外延與目前常見的各種digital twin定義（參見下表2）的范圍基本相同，即與數(shù)字孿生化對象（或稱目標實體）相對應(yīng)、互動、同步的數(shù)字實體。而數(shù)字孿生系統(tǒng)中最重要的兩個核心組件就是目標實體和對應(yīng)的數(shù)字孿生體。按照TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)進化法則，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以認為是一種“雙”系統(tǒng)bi-system。
這樣，“數(shù)字孿生”作為一個領(lǐng)域的通用基礎(chǔ)術(shù)語，可以指代該學(xué)科領(lǐng)域、標準化主題、技術(shù)體系、細分市場或產(chǎn)業(yè)生態(tài)，與物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等其他領(lǐng)域或技術(shù)體系相互作用。而“數(shù)字孿生系統(tǒng)”和“數(shù)字孿生體”這兩個新的復(fù)合術(shù)語分別指代該領(lǐng)域的工程化系統(tǒng)及其核心組件。
這種區(qū)分既符合基本術(shù)語易于推導(dǎo)或復(fù)合生成新術(shù)語的原則，也符合開發(fā)數(shù)字孿生概念體系和數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)的需要。
3.2 為數(shù)字孿生體選定上位概念
目前有影響的digital twin定義已不下二十種。如何從眾多定義中找出有價值的亮點，并寫出照顧所有利益相關(guān)方要求的定義，是數(shù)字孿生術(shù)語標準化的首要任務(wù)。根據(jù)“方法”各節(jié)中提到的公式，表2總結(jié)了近十年21個digital twin典型定義，從中識別出十個上位概念，并附加了作者評論。
表2中典型定義的選取有兩個標準：一是識別出盡可能的digital twin上位概念；二是選擇標準化組織、高引指數(shù)作者、著名研究機構(gòu)和公司的權(quán)威定義。作者評論欄基于一個標準：根據(jù) ISO 704:2022中提到的內(nèi)涵定義編寫原則和指南，該定義認定的上位概念是否合適？
利用普林斯頓大學(xué)英語詞匯數(shù)據(jù)庫WordNet提供的定義和關(guān)系，采用UML類圖/SysML塊定義圖中的關(guān)聯(lián)、泛化（即上下位）和依賴關(guān)系表示，圖5給出了 digital twin各種英文定義所涉及的多個上位概念（圖中標棕色的單詞）之間的語義關(guān)系。
分析表 2 和圖 5，可以對digital twin上位概念的選擇得到一些啟示。
術(shù)語“digital twin”借用了生物學(xué)中的術(shù)語“twin”。這種使用隱喻或轉(zhuǎn)喻的做法有助于新概念的傳播和接受，然而它有時會導(dǎo)致術(shù)語和其內(nèi)涵的不一致。這也是為什么大多數(shù)定義都在試圖規(guī)避與生物學(xué)的孿生或復(fù)制相關(guān)的概念，來為數(shù)字孿生體尋找新的上位概念。但這些努力并不十分成功。例如，National Instruments的定義使用了“replica”這個術(shù)語，是“twin”這個術(shù)語的叔輩概念，試圖擴展數(shù)字孿生的內(nèi)涵和外延，但也沒有擺脫“copy”的局限。
那些選擇“表示”或“表征”作為上位概念的定義，利用representation是多義詞的特點，試圖進一步遠離“孿生”或“拷貝”。但無論是表征的活動、動作，還是表征的結(jié)果，representation都只是數(shù)字孿生體的一個子功能或一個組成部分。它只強調(diào)從目標實體（即數(shù)字孿生化的目標對象，可以是物理實體、數(shù)字實體或物理-虛擬混合實體）到數(shù)字孿生體的抽象復(fù)制（即建模），而忽略了數(shù)字孿生體另外兩個重要的子功能：數(shù)字化執(zhí)行以及與目標實體的狀態(tài)同步。
那些選擇“數(shù)字模型”或“仿真”作為上位概念的定義過于專注于技術(shù)細節(jié)（即數(shù)字孿生體的某些組件或子功能），違反了奧卡姆剃刀原則（如無必要，請勿增加實體）。數(shù)字孿生體的內(nèi)涵遠遠超越建模，超越仿真，甚至超越建模加仿真，因此需要創(chuàng)造一個新的概念來應(yīng)對新的需求和問題情況。從而誤導(dǎo)人們將數(shù)字孿生體視為傳統(tǒng)建模或仿真，或者反過來，認為傳統(tǒng)的建模仿真就是數(shù)字孿生。
因此，僅靠數(shù)字化表征或數(shù)字化建模無法承擔數(shù)字孿生系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)對象的責任。需要超越傳統(tǒng)的語義關(guān)系，打破思維定式，引入業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)架構(gòu)等外部因素，為數(shù)字孿生體選擇一個超越建模和仿真的上位概念，從而超越數(shù)字化表征和數(shù)字化執(zhí)行。
美國數(shù)字孿生聯(lián)盟（DTC）把數(shù)字化表征分為存儲表征和計算表征（圖6），試圖將數(shù)字化執(zhí)行相關(guān)的過程信息也認為是一種數(shù)字化表征。這種分法或叫法也說得過去。
但DTC進而把同步機制排除在數(shù)字孿生體的范圍之外、甚至排除在數(shù)字孿生系統(tǒng)之外（圖7），筆者不能認同。
3.3 數(shù)字孿生的概念體系
在識別數(shù)字孿生領(lǐng)域的兩個基本概念（數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)），分析數(shù)字孿生體現(xiàn)有定義中的上位概念，并提出數(shù)字孿生體新的上位概念后，本文開發(fā)了一個數(shù)字孿生的概念體系，由數(shù)字孿生的領(lǐng)域本體及相關(guān)的頂層本體構(gòu)成，目前包括約一百個概念，其中約五十個概念有正式定義。
本文采用EXPRESS-G圖來表達這一概念體系（圖8），其中按顏色劃分為五個區(qū)域：
(1) 中下部的藍色概念是實體Entity的頂級本體和分類（taxonomy），是數(shù)字孿生概念體系的基礎(chǔ)部分；(2) 右側(cè)區(qū)域的棕色概念是數(shù)字孿生體相關(guān)概念；(3) 頂部和左上角的綠色概念是數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)概念；(4) 中上部橙色概念是分類框架相關(guān)概念；(5) 左下角的黑色概念是數(shù)字孿生系統(tǒng)的姊妹概念。
3.4 實體相關(guān)概念的頂層本體
為了給數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)這兩個最重要的概念確定合適的上位概念，并將其置于數(shù)字孿生概念體系的正確位置，有必要開發(fā)實體Entity這一抽象概念的頂層本體。圖9是圖8實體相關(guān)概念的簡化局部視圖，僅有上下位關(guān)系，沒有屬性關(guān)系。
本文參考WordNet和ISO/IEC 21838-2:2021，梳理了實體的分類視角，并對實體進行了一級分解，包括物理實體（包括人工實體、自然實體和社會實體）、虛擬實體和物理-虛擬混合實體；抽象實體和具體實體；物質(zhì)、能量和信息；系統(tǒng)和過程；資產(chǎn)和非資產(chǎn)。實體分類體系的開發(fā)符合2.3節(jié)提到的開發(fā)分類體系的步驟（詳見英文原文）。
為了建立物理-虛擬混合實體與數(shù)字孿生系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從功能角度確定了物理-虛擬混合實體的三個下位概念：人機交互、數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)和信息物理系統(tǒng)。這里的信息物理系統(tǒng)是廣義的，它采用ISO IWA-39:2022中的定義：具有數(shù)字、模擬、網(wǎng)絡(luò)、物理和人類組件相互交互的系統(tǒng)，通過集成物理和邏輯的設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)功能。
圖9還確定了數(shù)字孿生系統(tǒng)的兩個姊妹概念：信息物理系統(tǒng)（狹義）和資產(chǎn)管理外殼。它們都是上述廣義信息物理系統(tǒng)的下位概念。信息物理系統(tǒng)（狹義）的定義修改自ISO 23704-1:2022：其運行由計算和通信內(nèi)核來監(jiān)測、協(xié)調(diào)、控制和集成的人工物理虛擬混合實體。
3.5 數(shù)字孿生體相關(guān)概念
本文采用ISO/TS 18101-1:2019提出的digital twin的上位概念——數(shù)字資產(chǎn)作為數(shù)字孿生體的上位概念，即認同數(shù)字孿生體是一種數(shù)字資產(chǎn)（如圖8和圖9所示）。資產(chǎn)是指對組織具有潛在或?qū)嶋H價值的物品、事物或?qū)嶓w（ISO 55000:2014）。結(jié)合實際問題和業(yè)務(wù)需求，利用數(shù)字孿生體的價值屬性，構(gòu)建數(shù)字孿生體與數(shù)字資產(chǎn)之間的語義和業(yè)務(wù)關(guān)系，將有助于數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)的開發(fā)和在各種工業(yè)場景中的實施。
基于圖8和圖9中實體相關(guān)概念的頂層本體，本文提出了數(shù)字資產(chǎn)的新定義（以數(shù)字實體形式存在的認知資產(chǎn)），數(shù)字資產(chǎn)既是數(shù)字實體，又是認知資產(chǎn)。構(gòu)成DIKW層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)、信息、知識和智慧被確定為認知資產(chǎn)；因此，實體相關(guān)概念和數(shù)字孿生體相關(guān)概念被鏈接在一起。圖10提供了數(shù)字孿生體相關(guān)概念的局部視圖。
將數(shù)字孿生體認定為一種數(shù)字資產(chǎn)的好處如下：
1. 徹底解決twin一詞帶來的digital twin名實不符問題，擺脫英文語義關(guān)系束縛，引入業(yè)務(wù)需求和架構(gòu)因素，為數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)建立真正意義上的概念體系和領(lǐng)域本體。
2. 通過將目標實體的數(shù)字化表征和執(zhí)行及其同步機制封裝在一個業(yè)務(wù)對象——數(shù)字孿生體中，避免了數(shù)字孿生體的核心組件與其核心能力的分離。
3. 通過將數(shù)字孿生體認定為數(shù)字資產(chǎn)，明確認知資產(chǎn)與數(shù)字資產(chǎn)之間的關(guān)系，豐富了資產(chǎn)分類體系，而且數(shù)字資產(chǎn)管理為數(shù)字孿生體的共享、復(fù)用和管理提供了應(yīng)用場景和方法。
4. 作為MBSSE參考框架的關(guān)鍵維度，DIKW層次結(jié)構(gòu)為數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)設(shè)計提供更全面的視角，有效避免目前一些數(shù)字孿生系統(tǒng)參考模型只重視數(shù)據(jù)流，而忽視信息流和知識流的情況。
本文將數(shù)字孿生體定義如下：實現(xiàn)目標實體某個視圖的數(shù)字化表征和執(zhí)行的數(shù)字資產(chǎn)，通過單向或雙向通信，實現(xiàn)與目標實體適當頻率和可信度的狀態(tài)同步。同步性是數(shù)字孿生體的區(qū)別特征，模型可信性或模型可信度（credibility）是數(shù)字孿生體的另外一個本質(zhì)特征（essential characteristic）。基于Michael Grieves博士和John Vickers的工作，本文將數(shù)字孿生類型體、數(shù)字孿生實例體和數(shù)字孿生聚合體確定為數(shù)字孿生體的三個下位概念。
3.6 數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)概念
基于數(shù)字孿生體的定義，本文給出數(shù)字孿生系統(tǒng)和數(shù)字孿生的定義如下：
1. 數(shù)字孿生系統(tǒng)：由若干目標實體和其若干數(shù)字孿生體互動構(gòu)成的廣義信息物理系統(tǒng)，用來改善目標實體生存周期某個或某些階段內(nèi)的某項或某些性能指標，進而為利益相關(guān)者提供價值。
2. 數(shù)字孿生：由數(shù)字孿生體或數(shù)字孿生系統(tǒng)引發(fā)的技術(shù)體系、專業(yè)領(lǐng)域或產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，數(shù)字線程是數(shù)字孿生體之間的通信框架，起到信息傳遞和整合的作用。互操作性是數(shù)字線程與其他相關(guān)概念（如多BOM視圖等）的區(qū)別特征。本文將數(shù)字線程分為時間、空間和領(lǐng)域三類，如圖11和圖8所示。系統(tǒng)可信性或系統(tǒng)可信度（trustworthiness）是數(shù)字孿生系統(tǒng)的本質(zhì)特征之一。
3.7 分類框架相關(guān)概念
在對2.3節(jié)進行概念抽象和建模后，圖12給出了分類框架相關(guān)概念的局部視圖。分類框架和參考框架都是一種框架，這三個概念在圖12和圖9中出現(xiàn)。框架這一概念采用了ISO/IEC 19763-1:2015中的定義：用于分類和組織復(fù)雜信息的邏輯結(jié)構(gòu)。
圖13給出了采用UML類圖、應(yīng)用分類框架對模型進行分類的示例，這將為數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)的開發(fā)提供有用的輸入。圖9是分類框架應(yīng)用的另一個例子。
4. 結(jié)論
生產(chǎn)行為是實際生產(chǎn)加工資源的行為抽象，因為邏輯層面忽略了實際制造設(shè)備的加工動作，所以物理實體的數(shù)字孿生邏輯模型主要通過生產(chǎn)行為描述生產(chǎn)過程中相應(yīng)要素的行為狀態(tài)。根據(jù)ROCHA等將UML序列圖擴展繪制成有限狀態(tài)機（Finite State Machine，F(xiàn)SM）的過程，本文通過有限狀態(tài)機對數(shù)字孿生邏輯模型內(nèi)部行為和外部輸入事件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移進行建模，描述模型在其生命周期內(nèi)經(jīng)歷的有限狀態(tài)序列，以及抽象模型因外部事件觸發(fā)狀態(tài)改變的所有情況。
隨著一項新技術(shù)或一個新概念的出現(xiàn)，該領(lǐng)域的概念體系構(gòu)建和相關(guān)術(shù)語定義是后續(xù)大量標準化工作和行業(yè)實踐的基礎(chǔ)。本文介紹了構(gòu)建概念體系對一個全新的技術(shù)領(lǐng)域的重要性。基于術(shù)語工作國際標準，提出了一種增強的概念體系開發(fā)方法論，包括相關(guān)系統(tǒng)思維觀點和系統(tǒng)工程方法、用于評估候選上位概念的工具和步驟、用于開發(fā)系統(tǒng)完備分類體系的三維分類框架、以及術(shù)語工作的成熟度等級模型，為數(shù)字孿生概念體系的開發(fā)和術(shù)語定義提供了理論準備和質(zhì)量要求。
本文從標準化的角度出發(fā)，基于這一增強方法論，分析了digital twin的多義現(xiàn)象和問題，明確了將數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)與一般術(shù)語“數(shù)字孿生”區(qū)分開來的必要性；由于一個概念的組件或子功能不能作為該概念的上位概念，因此提出數(shù)字孿生體最好是一種數(shù)字資產(chǎn)，而非數(shù)字化表征或數(shù)字模型；基于數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生系統(tǒng)這兩個新的概念和定義，構(gòu)建了一個系統(tǒng)化的、本體意義上的數(shù)字孿生概念體系。
1. 展示了術(shù)語工作標準、系統(tǒng)思維和系統(tǒng)工程方法以及信息建模工具相結(jié)合的力量和有效性。
2. 驗證了“內(nèi)涵定義=上位概念+區(qū)別特征”這一術(shù)語定義公式和“概念體系=內(nèi)涵定義+上下位關(guān)系”這一概念體系開發(fā)過程的有效性及其在參考架構(gòu)標準化工作中基礎(chǔ)作用（圖14(a)，根據(jù)一系列國際標準的定義，專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的“概念模型”與術(shù)語工作領(lǐng)域中的“概念體系”是同義詞）。
3. 為將來的數(shù)字孿生標準化工作，如數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)和成熟度模型，奠定了堅實的基礎(chǔ)（圖14(b)）。
4. 為其他領(lǐng)域的術(shù)語工作提供了有益的輸入，如除了增強方法論的正向應(yīng)用外，其反向應(yīng)用可作為當前術(shù)語工作的驗證工具和質(zhì)量改進指南。
