数字孪生体系结构：层、组件和类型

数字孪生架构是将物理资产与其实时虚拟模型连接起来的分层技术结构：从现实世界捕获数据的传感器和连接、处理和建模数据的系统以及使其可用的接口。本指南具体介绍了该技术体系结构。

如果您正在寻找数字孪生在建筑、建筑或建筑环境中的使用方式，请参阅建筑、工程和建筑领域的Digital Twins。"数字孪生架构"得到使用，两者兼而有之，本页主要介绍系统架构阅读。

在深入研究结构之前，了解什么是数字孪生的一般定义，请参阅什么是数字孪生。

了解这种架构不仅仅是理论上的：在麦肯锡对产业受访者的调查中，86%的人表示数字孪生适用于他们的运营，44%的人已经实施了数字孪生(McKinsey,2024 ) 。

数字孪生体系结构的各个层

数字孪生架构通常被描述为一个堆栈，从物理世界运行到人与人交互的界面。虽然实现方式各不相同，但大多数数字孪生系统包括六个重复层：

1.物理层。被配对的真实资产、机器、产品或环境，以及与之相连的传感器和仪器。

2.数据采集和连接层。物联网设备、传感器和边缘硬件在源端捕获数据并传输数据，通常在边缘进行过滤或预处理，然后再进一步向堆栈移动。

3.集成层。中间件和 API 将数据从多个来源(传感器，也包括 MES 或 ERP 等现有系统)拉入，并将其标准化为架构其余部分可以使用的一致格式。

4.数字模型层。虚拟表示本身：镜像物理资产的几何、结构和逻辑。这通常是从CAD或BIM源数据构建的，是"双胞胎"的核心。

5.Analytics和AI层。模拟、机器学习和 Analytics 针对数字模型和传入数据运行，以生成洞察力；检测异常、预测故障或测试假设情景。

6.可视化和应用层。人们实际看到并与之交互的界面：仪表板、3D 可视化或构建在模型及其 Analytics 之上的应用程序。实时 3D 和转换后的 CAD/BIM 数据就驻留在堆栈中，将数字模型及其数据转化为人们能够看到、导航和操作的东西。

数据不会只通过这个堆栈单向流动。与静态模型相比，数字孪生模型的一个决定性特征是，在 Analytics 层中生成的洞察可以反馈到对物理资产的操作。它是双向链路，而不是单向馈送。

数字孪生的关键组件

无论上述各层如何实施，大多数数字孪生体系结构共享相同的功能组件：

数据源。传感器、物联网设备以及现有的企业系统，这些系统生成了喂养双胞胎的原始数据。

连通性。将数据从生成地移动到处理地的网络和协议(通常是边缘到云)。

虚拟模型物理资产的结构、几何和行为的数字表示，通常源自CAD或BIM数据。

分析和模拟引擎针对模型处理传入数据以产生洞察力、运行模拟或应用机器学习的软件。

用户界面。人与双胞胎输出交互的后台、可视化或应用程序。

双向数据链路。由双胞胎产生的洞察力与实物资产或与之一起工作的人之间的连接机制，从而封闭了数字洞察力与实物行动之间的循环。

这四种类型的Digital Twins

一种常见的分类法按技术范围对双胞胎进行分类：

其次，相关分类法根据孪生产品在商业环境中所代表的内容对其进行分类：产品孪生产品、资产孪生产品、工厂孪生产品以及端到端孪生产品，这些孪生产品横跨产品到工厂再到渠道资源链的整条链。

两个框架描述的基本概念相同，但角度不同。一种是按技术复杂性(组件到流程)划分的范围，另一种是按业务范围(产品到企业)划分的范围。实际上，第一个分类中的组件或资产孪生体通常映射到第二个分类中的产品或资产孪生体，而系统或流程孪生体映射到工厂或端到端孪生体。

参考体系结构和标准

几个命名的参考模型给出了数字孪生体系结构的设计结构：

ISO 23247是专门针对制造业数字孪生框架的国际标准，它定义了制造业数字孪生应如何构建及其组件应如何交互的参考体系结构。

数字孪生联盟发布参考架构指南，旨在保持供应商中立，旨在帮助组织设计可互操作的数字孪生系统，而不是采用单个供应商的专有结构。

特定于平台的参考架构（如 Microsoft Azure Digital Twins）提供了上述分层架构的具体、可实施版本，该版本围绕该平台的特定服务构建。这些在实际中作为体系结构的工作示例很有用，尽管它们代表一个供应商的实现而不是中立的标准。

这些共同为架构师和工程师提供了设计决策的起点，而不是要求每个组织独立定义自己的参考模型。

数字孪生与BIM与模拟

因为这些术语经常出现在相同的对话中，所以值得准确地了解每个术语是什么。

BIM（建筑信息建模）是一个结构化设计数据集，与建筑、工程和施工关联最多。它通常是静态的或半静态的，代表某事物在某时间点是如何设计和建造的。

模拟通常使用假设或历史输入作为独立练习，对预期行为进行建模，以检验一个假设，而不是连续地反映真实、真实的条件。

数字孪生体之所以与两者不同，是因为上面描述的架构：它是一个活模型，通过从实物资产到可视化的层与真实世界数据持续连接。它经常使用CAD或BIM数据作为起始几何图形，使用仿真作为分析工具之一，但具体说来，它之所以成为数字孪生体，是因为与物理世界持续、双向的连接。

其中实时3D适合架构

可视化和应用层是数字孪生的基础数据和Analytics可供人使用的地方。

到达该层通常从相同的问题开始：数字模型层通常由CAD或BIM源数据构建，这些数据往往详细、沉重，并且结构化，用于工程工作流，而不是实时交互。要使这些数据在可视化层中可用，需要将其转换为可响应运行的实时就绪3D模型，无论是桌面应用程序、基于Web的后台还是沉浸式环境。

Unity 在数字孪生体系结构中的作用就位于这一层。转换CAD和BIM数据用于实时3D是构建上述可视化层的一部分。这不是构建该层的唯一方法，根据平台和用例还存在其他可视化方法。

要了解这些架构层在特定行业中是如何结合在一起的，请参阅Digital Twins in manufacturing；要更广泛地了解Digital Twins的应用范围，请参阅跨行业数字孪生用例。