2.2.6 数字主线

1 数字主线基本概念

数字孪生作为先进理念的核心支撑技术，其本质实现了物理与信息系统的互联互通，深度融合。数字孪生中的物理实体对象、虚拟模型、服务系统及孪生数据就本身而言是信息孤岛，数字主线（Digital Thread，或者叫数字线程、数字纽带）的引入很好地将这些相对独立的部分糅合成一个无缝、高度一体化的整体。

数字主线是一种可扩展、可配置的企业级分析框架，提供访问、综合并分析系统生命周期各阶段数据的能力，使产品设计商、制造商、供应商、运行维护服务商和用户能够基于高逼真度的系统模型，充分利用各类技术数据、信息和工程知识的无缝交互与集成分析，完成对项目成本、进度、性能和风险的实时分析与动态评估。数字主线围绕复杂产品全生命周期管理需求，实现全业务过程中数据、流程及分析的结构化分类管理，形成贯穿全生命周期的流程、模型、分析方法及应用工具，连接产品全生命周期各阶段孤立功能视图形成一个集成视图。

数字主线为在正确的时间将正确的信息传递到正确的地方提供了条件，使得产品生命周期各环节的模型能够及时进行关键数据的双向同步和沟通，实现模型在各阶段的流动、重用与反馈。在数字主线运行过程中，数字主线各个环节中所收集有关产品的模型和数据，构成了产品实体的数字孪生。数字主线和产品全生命周期的关系如图2-14所示。

为了建立数字主线，需要形成一种以3D模型定义为基础，为整个企业所共享的、全面集成和协同制造的环境。在企业或供应链中，无论在何处的数据生产者和数据消费者，在制造过程的任何点上，都将连接到一个共同的数据源上。数据标准将从设计阶段开始，延伸到制造，继而到最后装配。数字主线的核心就是如何搭建一个涵盖产品生命周期全过程的协同环境，使统一的模型在产品生命周期各个阶段实现数据的双向流动、重用和不断丰富的过程。数字主线的特点主要包括以下四个方面：

图2-14 数字主线在产品全生命周期中的关系

1）统一的数字模型。在数字主线中，所有环节都能为信息完整、标准化、规范化、语义化的数字化模型所表述，可以被相应的数字系统读取和理解。数字主线采用基于模型的系统工程（MBSE）分析框架，通过先进的建模与仿真工具建立一种技术流程。

2）双向流动。传统的产品设计流程，是“设计→制造→试验→使用”这一模式，数据是单向传递。数据主线基于全生命周期内形成的状态统一、数据一致的模型，各环节都能够及时进行关键数据的双向同步和沟通，实现“设计—虚拟综合—数字制造—物理制造—使用维护”各个阶段数据的共享和反馈，为数字孪生应用提供基础。

3）新兴信息技术的支持。数字主线充分利用高速发展的信息技术如非关系型数据库、知识库、数据模型、工业互联网、云计算等技术，基于产品通用数据库和物理模型，采用统一、快速、标准、泛在的通信和交互方式，实现模型和数据的快速传递。

4）数字主线是设计商、制造商、供应商、运行维护服务商和用户之间的强有力的协作纽带，提供制造业的敏捷性和自适应性的需求，能够加速新产品的开发和部署，同时也能够降低风险。

2 数字主线与数字孪生

在基于数字孪生的智能系统中，数字孪生体是对象、模型和数据，数字主线是方法、通道、链接和接口。数字主线为产品数字孪生提供了访问、整合和转换能力，其目标是贯通产品生命周期和价值链。通过数字主线可实现产品生命周期阶段间的模型和关键数据双向交互，使产品生命周期各阶段的模型保持一致，最终实现闭环的产品全生命周期数据管理和模型管理。

依靠数字主线，数字孪生中的物理实体和虚拟模型的交互是实时/准实时的双向连接、双向映射、双向驱动的过程，而非单一方向进行的。一方面，物理实体在实际的设计、生产、使用、运行过程中的全生命周期数据、状态等及时反映到虚拟端，在虚拟端完成模拟、监控、可视化呈现过程，虚拟端是物理实体端的真实、同步刻画与描述，并记录了物理实体的进化过程，两者共生；从这一角度看，物理实体驱动虚拟模型的更新，使得虚拟模型与物理实体保持高度的一致性。另一方面，虚拟模型根据物理实体的数据，结合深度学习等智能优化算法对物理实体行为进行分析、预测，用于优化物理实体的决策过程。在虚拟端完成预演后，及时逆向传到物理实体侧，主动引导和控制物理实体的变化过程，虚拟模型以当前最优结果驱动物理实体的运转。该闭环过程中虚实两者不断交替、迭代进行，虚实融合是实现以虚控实的前提与先决条件，以虚控实是虚实融合的目标和本质要求。没有物理实体侧的数据、状态信息的采集，虚拟端的模型更新演化与决策生成无法进行；没有虚拟端的仿真分析、推演预测、先行验证与优化，物理实体侧的系统功能无法得到优化。两者共享智慧，相互促进，协同发展与进化，最终实现智能系统的自感知、自认知、自分析、自决策、自优化、自调控、自学习。