区块链如何赋能“工业互联网+数字孪生”?

工业互联网的蓬勃发展离不开各项技术支持。在上一篇“区块链+工业互联网“专题文章中,我们简单分享了区块链与数字孪生结合在工业互联网中的应用。实际上,数字孪生的概念存在时间并不短,最早是由密歇根大学教授 Dr. Michael Grieves 在2002年发表的一篇文章中提出的。

Grieves 认为,通过物理设备的数据,可以在虚拟(信息)空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统,并且这种联系不是单向和静态的,而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。显然,这个概念并非只局限于产品设计阶段,而是延展至生产制造和服务阶段。只不过当时技术有限,数字孪生并没有能完全发挥其作用。

因此,在工业互联网概念出现之前,数字孪生只是停留在软件环境中,比如几何建模的CAD系统、产品生命周期管理的PLM等。但随着工业互联网的出现,网络的连通效用使得各个数字孪生在设备资产管理,产品生命周期管理和制造流程管理中开始发生关联、互相补充。而区块链与数字孪生技术相结合,能够互相发挥各自作用,扩大数字孪生体的应用范围,也进一步推动工业互联网的发展。


数字孪生和仿真是一回事吗?


在进一步探讨区块链赋能“工业互联网+数字孪生”之前,首先需要了解,数字孪生技术并不等于仿真技术。因为目前在实际应用中,很多人会把两者等同看待,这其实是一个误区。

根据定义来看,仿真技术是应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验,借助某些数值计算和问题求解,反映系统行为或过程的模型技术。它是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的方法,目的是依靠正确的模型和完整的信息、环境数据,反映物理世界的特性和参数。这就意味着仿真技术仅仅能以离线的方式模拟物理世界,不具备分析优化功能

数字孪生则是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。它需要依靠包括仿真、实测、数据分析在内的手段对物理实体状态进行感知、诊断和预测。在此过程中生成与现实世界中的物理实体完全对应和一致的数字孪生体,它可实时模拟其在现实环境中的行为和性能,也称为数字孪生模型。

因此,仿真技术只是创建和运行数字孪生体中的其中一项核心技术,是数字孪生实现数据交互与融合的基础。在此基础之上,数字孪生必须依托并集成其他新技术,与传感器共同在线以保证其保真性、实时性与闭环性。


工业互联网中数字孪生的应用


《数字孪生体技术白皮书》中提出,一个典型的数字孪生系统包括用户域、数字孪生体、测量与控制实体、现实物理域和跨域功能实体共五个层次。

其中,测量与控制实体、数字孪生体以及用户域之间的数据流和信息流动传递,需要信息交换、数据保证、安全保障等跨域功能实体的支持。信息交换通过适当的协议实现数字孪生体之间交换信息。安全保障负责数字孪生系统安保相关的认证、授权、保密和完整性。数据保证与安全保障一起负责数字孪生系统数据的准确性和完整性。

因而在工业互联网中,数字孪生技术应用位于其平台架构的平台层(PaaS),可在智能研发、智能生产、智能管理、智能服务以及产业链协同场景,实现趋势感知并协助企业决策。不同类型的企业,在应用数字孪生时也会有所差异。

大型企业往往架构庞大,有多种IT和OT子系统。它们可通过独立部署工业互联网平台,为企业整合和计算各级指标对应的数字孪生,并以微服务的形式和各业务系统集成和交换数据,从而大幅提升企业数字化转型的速度、降低成本和风险。而小型企业则往往运营效率不高、资金不足,可借助公有云的工业互联网平台,以较小成本快速实现企业能力的提升。

目前数字孪生的应用场景可分为设备级数字孪生、企业级数字孪生产业链级数字孪生设备级数字孪生可通过设备状态监测、远程故障诊断、预测性维护等手段,让设备得到全状态健康管理。

企业级数字孪生可以让企业全流程业务得到优化。数字孪生构建了一种新的“零成本试错”的研发方法,通过在虚拟空间进行研发、测试、验证,实现研发成本大幅降低;在新产品实际生产前,在虚拟空间中模拟生产,找出最优的生产计划排程和生产方案,缩短新产品导入周期;通过对企业管理各要素和各环节的数字孪生,发现和优化低效的管理流程,提高企业管理效率。

产业链级数字孪生则使得产业链全环节实现数字化管理。实时动态感知供应链运行情况,识别和优化低效运行的流程,实现产业价值链的增值。在营销、研发、生产阶段,可实现基于用户画像的个性化精准营销、基于虚拟产品体验的定制设计、基于预先虚拟生产的快速排产,从而发现目标客户、提高用户参与度,缩短生产时间、降低定制成本。通过远程操控数字孪生体,能从实物获取数据并提供衍生服务。


区块链赋能“工业互联网+数字孪生”

数字孪生的发展可以概括为五个阶段,分别为数化阶段、互动阶段、先知阶段、先觉阶段和共智阶段,并且都依赖大量的数据计算。

特别是共智阶段中,数字孪生体的理想目标就是数字孪生体之间能够进行互通、共享,甚至共同进化。显然目前单纯的数字孪生技术还远远达不到共智的要求,还需要其他技术支持,比如区块链技术。

区块链与数字孪生技术相结合,能够互相发挥各自作用,扩大数字孪生体的应用范围。其结合优势主要体现在保证数据不被篡改、建立数字孪生体与物理实体一对一映射关系、实现数字孪生体之间的交互这三方面。

数字孪生的关键在于在虚拟世界中构建实体对象,形成其数字等价物。在用数字“复制”实体的过程中,无论是组件、资产,还是过程、系统等,最重要的因素便是数据。区块链使用哈希指针形成链接,每个区块都包含上一个区块和下一个区块的哈希值。一旦篡改,哈希值通过计算就会发生变化,与上下区块的值对应不上。这样单个或少数节点参与方就无法通过恶意修改和干扰基础设施的方式损害计算的可信性。因此将数字孪生体的所有数据使用区块链进行保存,能够保证孪生体数据的真实性,确保结果有效可靠

在数字世界中,可复制性的特征使得建立一对一的关系往往比建立一对多的关系困难很多。尤其是对于具有价值的实体,不能简单地将其数字化后就加以使用。此时,区块链可以采用通证(Token)进行价值治理,实现资产上链,形成一对一的对应关系,防止有价值的数字体被无限复制。同时,利用区块链的去中心化、信息公开透明等特性,资产上链可以降低信任成本,简化交易流程,提升资产的流动性。

考虑到数字孪生的最终是想建立一个和现实世界对应的数字世界,不仅限于记录过去的信息,更能模拟未来的环境变化及物理实体本身的变化,形成虚拟世界的“生态”。在这种情况下,数字体之间就需要进行多重交互,必然涉及大量信息的传递和存储。

区块链可利用其分布式系统,分散数字孪生体进行交互的巨大工作量。在每个节点保存整个系统运行的信息副本,可以对自己保有的副本进行编辑修改,加入自己部分的孪生体相关参数,通过系统的共识机制,进而更新整个系统对于该孪生体的参数。区块链分布式系统通过众多节点的配合,能够作为数字孪生体之间信息通讯的媒介,创建完备的虚拟世界。

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可以说,随着工业互联网的应用推进,数字孪生被赋予了新的生命力,工业互联网延伸了数字孪生的价值链条和生命周期,凸显出数字孪生基于模型、数据、服务方面的的优势和能力,打通了数字孪生应用和迭代优化的现实路径,正成为数字孪生的孵化床。而区块链技术为“工业互联网+数字孪生”赋能,能够为解决许多中心化系统难以解决的难题提供有效的思路。

就目前状况而言,区块链与数字孪生的融合依然面临监管政策、技术成熟等方面的阻碍与挑战。不过可以确信的是,随着技术的不断发展,数字孪生在区块链的构建系统下,将会获得深入应用,并在未来某一天实现“共智”的终极目标。



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