数字孪生连接交互理论与关键技术

陶 飞，马 昕，戚庆林，刘蔚然，张 贺，张辰源

(1.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191；2.北京航空航天大学 国际交叉科学研究院数字孪生国际研究中心，北京 100191;3.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191)

1 数字孪生连接交互需求

随着科学技术的不断进步，数字化转型、智能化升级对物理世界与虚拟世界交互融合的需求日益迫切。人们希望借助科技创新促进虚实空间的互动融合，实现人类智慧和社会发展的互惠共赢。在此背景下，数字孪生应运而生，为虚实空间的交互与融合注入新活力[1]。数字孪生由物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据、服务及上述四部分间的连接与交互组成[2]。基于连接与交互，数模驱动的数字孪生能描述物理实体的属性特征、分析物理实体的行为规则、预测物理实体的未来状态，进而实现对物理实体的状态监测、运行维护、决策优化等功能服务[3-4]。通过虚实信息的交互迭代，物理空间与虚拟空间彼此丰富、融合、完善，最终实现虚实共生[5]、数模共荣。

连接与交互是数字孪生的重要组成部分之一，其主要功能是实现数字孪生虚实要素间的数据传输与信息交换，同时不同数字孪生间、数字孪生与人及与环境间也需连接与交互实现数据传输。作为数字孪生的“血管”和“脉搏”，连接与交互搭建了信息交流共享的桥梁与纽带，为数字孪生模型动态更新、物理实体实时控制、决策方案在线优化运送“数据养分”，从而打破信息孤岛，加速信息共享与融合。通过信息交互，数字孪生能实现物理空间的状态预测、优化和控制，在一定程度上体现了数字孪生与传统仿真的区别与差异。在数字孪生的应用与实践过程中，为实现模型动态高精、数据实时交互、服务数模驱动等理想特征[6]，经研究分析发现数字孪生连接交互存在以下新需求与新挑战。

(1)多方位互感

物理世界是数字孪生建设与应用的出发点，为保障数字孪生能全面精准获取物理空间数据、感知物理对象状态及环境变化，需借助各类传感器技术实现：①“全域—全时—全态”多尺度感知，获取感知对象的全物理域、全时间、全状态数据，保障物理世界时空信息的全面、实时覆盖；②“语义—图像—空间”多模态感知，获取感知对象的多类型数据，实现物理空间的协同感知及综合理解；③“端—边—云”多层次感知，保证感知数据的快速处理与分析，促进物理状态的实时感知。因此，为保障数字孪生全面、实时、精准感知物理世界状态变化，需建立覆盖全时空的综合感知体系，实现物理信息的多方位互感。

(2)全要素互联

连接是要素间信息交流的桥梁，为避免出现由于信息不全面、不流通、不一致造成模型不精、数据不准、服务不优，需搭建：①“虚—实”要素连接，包括数字孪生内部及不同数字孪生间虚实要素的连接，一则完整刻画物理实体的静态特征及动态响应，并支持对物理实体的实时调控，二则加强信息、资源、能力的交流与共享，促进跨时空/跨平台的协作；②“虚—虚”要素连接，涵盖数字孪生模型、数字孪生数据、服务等虚拟要素，从而支持物理实体的进一步分析、预测与优化，实现灵活控制与高效管理；③“实—实”要素连接，覆盖“人、机、料、法、环”多物理要素，以精准理解物理实体的协作能力及关系，进而实现协同合作。因此，为保障数字孪生提供保真模型、精准数据、优质服务，需构建数字孪生连接交互网络，实现数字孪生的信息全面互联。

(3)高质量互通

数据实时传输是数字孪生实现动态仿真、控制、预测、优化等功能的基础，为保障数字孪生各要素能及时准确获取所需信息，需实现：①实时通信，建立海量感知数据的高并发处理与通信机制，为物理实体的实时分析与控制、数字孪生模型的动态仿真与更新演化、数字孪生数据的更新推理与融合、服务的动态决策与优化提供实时数据支持；②可靠通信，为数字孪生各要素提供完整、准确、一致的数据支持，保障数字孪生高效稳定运行；③安全通信，提供安全可用的通信协议和交互机制，保证通信数据机密完整、交互对象安全可靠。因此，为保障数字孪生要素间可靠通信，需建立实时、可靠、安全的通信机制，实现高质量信息互通。

(4)多维度互融

为实现虚实联动乃至共生，数字孪生还需考虑如何进一步实现交互融合：①虚实融合，一方面感知物理实体的实时状态，并据此驱动数字孪生仿真与分析，达到虚实同步(从实到虚)，另一方面将数字孪生提供的决策信息准确、实时传输给物理实体(从虚到实)；②数模融合，一方面数字孪生数据可用于补充、修正、完善数字孪生模型，保障模型精准运行(以数强模)，另一方面数字孪生模型可用于校验融合数据的准确性，提供精准数据分析(以模强数)；③人机共融，通过人机智能的互促互进，使机器能准确理解人类需求与反应，同时具备智能感知和自主协同能力，从而实现人机密切合作、深度融合与和谐共生[7-8]。因此，为保障数字孪生具备融合智能，需满足虚实空间、模型数据、人机智能的交互融合需求，实现多维度互融。

为满足上述需求，数字孪生连接交互亟需解决如下问题和挑战：①何为连接交互，数字孪生连接交互的内涵是什么，包括哪些内容，具体有哪些要求？②如何连接交互，数字孪生连接交互该怎样实施，有哪些相关技术？针对以上问题和挑战，在前期数字孪生模型构建理论体系[9]、数字孪生数据理论体系[10]、数字孪生车间[11]、数字孪生卫星[12]、数字孪生装备[13]、数字孪生服务[14]等相关工作基础上，本文研究数字孪生连接交互需求与内涵，分析数字孪生连接交互准则，提出一套数字孪生连接交互理论体系，最后分析并总结数字孪生连接交互关键技术，为数字孪生的理论研究与落地应用提供理论和方法参考。

2 数字孪生连接交互内涵

为厘清数字孪生连接交互内涵，充分考虑数字孪生结构组成、应用场景、业务需求等多方面因素，从数字孪生五维模型架构出发，以单个物理对象构建的数字孪生为边界，从内部和外部两个层面阐述其连接交互内涵。如图1所示，数字孪生内部连接交互涵盖同维度要素间连接交互和跨维度要素间连接交互，数字孪生外部连接交互既包括数字孪生间连接交互(涵盖人、机、物、环为对象构建的数字孪生间连接交互)，又包括数字孪生与其他非数字孪生对象间连接交互，具体为数字孪生与人连接交互和数字孪生与环境连接交互。

2.1 数字孪生内部连接交互

剖析数字孪生的组成结构，其包括物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据、服务及连接交互。因此，数字孪生内部连接交互既需涵盖物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据和服务等不同维度要素间的连接交互，又需包括同一维度要素各组成单元间的连接交互。从交互对象的维度来看，内部连接交互分为同维度要素连接交互和跨维度要素连接交互。

2.1.1 同维连接交互：数字孪生同维度要素间连接交互

同维连接交互为数字孪生同维度要素内部各单元间的连接交互，即物理实体间连接交互、数字孪生模型间连接交互、数字孪生数据间连接交互、服务间连接交互。

(1)物理实体间连接交互

当物理实体内部单元难以独立满足业务需求时，往往需要借助其他实体单元的资源或能力，通过单元间的交互协作完成复杂业务。由于不同实体单元的运行机理、工作特性存在差异，实体单元交互时会产生一定耦合作用，进而导致实体单元的特性和能力发生变化。因此，需分析实体单元间的交互特性和耦合机理，建立时空耦合关系，进而实现实体单元间的能力共享与协同合作。

(2)数字孪生模型间连接交互

为完整描述物理实体的形状结构、物理属性、行为响应、知识规则等多方面特性，数字孪生模型通常由表现上述特征的子模型组成。因此，通过数字孪生模型间连接，能够打破异构模型的孤立，实现子模型的动态耦合交互，从而完整表现数字孪生模型功能。由于数字孪生模型结构及特性各异，其连接交互内涵可从以下层面展开分析：①从模型的功能维度来看，数字孪生模型间连接交互涵盖几何模型、物理模型、行为模型和规则模型等不同维度模型间连接交互，及每类模型内部各子模型间连接交互；②从模型的学科领域来看，数字孪生模型间连接交互包括不同学科/领域模型间的耦合交互，如“机械—电气—控制—电磁”多领域模型的耦合；③从模型的建模原理来看，数字孪生模型间连接交互包括机理模型与数据模型的连接交互，从而实现模型互补与融合。

(3)数字孪生数据间连接交互

数字孪生数据包括来自物理实体、数字孪生模型、服务的静态和动态数据，及专家知识、推理规则、时空关联关系等融合数据[15]。由于多源数据的表示方式、生存周期、采集频率等特征不同，易导致异构数据难以交互和共享。因此，通过分析数字孪生数据的交互逻辑及流程，确立交互数据处理机制，实现数字孪生数据连接交互，从而打破数据壁垒造成的“信息孤岛”，满足多源、多维、异构、动态数字孪生数据的操作、通信与共享需求。从交互数据对象角度来看，数字孪生数据间连接交互涵盖物理实体数据、数字孪生模型数据、服务数据、专家知识、推理规则等不同数据对象间连接交互，以分析并描述数据间关联关系，生成融合信息与知识，最终为数字孪生提供高价值数据和信息资源。

(4)服务间连接交互

由于单一服务通常针对具体需求提供特定资源、功能和属性，难以满足日益复杂的用户需求和高效服务质量要求。因此，需分析服务间耦合关联，建立通信机制和交互行为关联规则，实现数字孪生服务间交互与共享，从而降低服务的耦合性，支持服务的调用、组合及协作。服务间连接交互内涵可从以下方面展开分析：①从服务的层次来看，涵盖基础功能、人机交互、运维管控、决策优化、集群协同与智能协作等服务间连接交互；②从服务的面向对象来看，服务间连接交互既包括以数字孪生组成要素为对象的功能性服务间连接交互(如模型校验与修正、数据管理、物理实体控制等)，又包含以不同需求人员为对象的业务性服务间连接交互(如虚拟调试、虚拟培训、远程运维等)。

2.1.2 跨维连接交互：数字孪生不同维度要素间连接交互

跨维连接交互是不同维度数字孪生组成要素间的连接交互，即物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据及服务间两两连接交互[2]。根据数字孪生组成要素的虚实属性差异，物理实体与其他要素的交互属于虚—实交互，数字孪生模型、数字孪生数据及服务间的交互属于虚—虚交互。

(1)物理实体与数字孪生模型连接交互

物理实体与数字孪生模型连接交互是数字孪生虚实交互的核心部分，实现数字孪生模型的动态描述及物理实体的动态控制。从物理实体出发，获取并分析其静态/动态数据，经数据处理后作为模型输入参数来驱动数字孪生模型运行，从而实现数字孪生模型对物理实体状态的精准描述；从数字孪生模型出发，描述物理实体的运行机制及实时状态，将仿真分析结果转化为控制指令，并实时、准确传输给物理实体，实现对物理实体状态的动态调控。

(2)物理实体与数字孪生数据连接交互

物理实体与数字孪生数据连接交互能支持物理实体数据的实时存储与分析，及对物理实体运行状态的调整优化。从物理实体出发，存储并分析物理实体的状态信息，不断积累更新经验知识，从而丰富数字孪生数据，以融合兼具时空属性的物理实体数据；从数字孪生数据出发，根据实时状态信息、历史运行信息、经验知识等形成决策信息并反馈给物理实体，以优化物理实体的运行状态。

(3)物理实体与服务连接交互

物理实体与服务连接交互一是实现服务的更新与优化，二是为物理实体的业务需求提供决策方案指导。从物理实体出发，其数据能作为输入参数直接驱动服务运行与更新，支持物理状态的实时分析与进一步优化；从服务出发，结合具体业务需求，分析并预测物理实体的未来状态，对人员操作、机器运维、资源利用等难以直接实施控制指令的实体对象行为提供分析、指导与优化方案。

(4)数字孪生模型与数字孪生数据连接交互

数字孪生模型与数字孪生数据连接交互既能实现数字孪生模型的驱动与更新，又支持数字孪生模型数据的存储、更新与融合。从数字孪生模型出发，记录并存储模型结构参数、运行数据及仿真结果等数据，从而推理、更新经验知识，以实现数模深度融合；从数字孪生数据出发，一方面融合数据可作为模型输入参数驱动数字孪生模型运行，另一方面经验知识、融合数据、历史数据等数据可为模型参数的更新调整提供参考，实现数字孪生模型的自更新、自修正和自演化。

(5)数字孪生模型与服务连接交互

数字孪生模型与服务连接交互实现模型仿真和服务决策的迭代优化，为模型更新演化和服务决策优化提供有效支撑。从数字孪生模型出发，实时映射的数字孪生模型不断运行服务提供的决策方案，其仿真结果用于分析推理物理实体的运行机理和状态规律，从而进一步评估决策方案的成效，以指导服务决策的迭代优化；从服务出发，一方面根据数字孪生模型的运行结果更新、调整决策方案，另一方面分析模型仿真结果和物理实体的性能状态，选取适宜算法对模型参数和结构进行更新。

(6)数字孪生数据与服务连接交互

数字孪生数据与服务连接交互支持服务算法的存储与调用，及服务关联的推理与挖掘。从服务出发，记录并存储服务的算法参数、决策成效、经验知识等，进而分析挖掘服务间关联关系，以归纳、推理、更新经验知识；从数字孪生数据出发，根据数字孪生业务需求，提供历史信息、经验知识、算法参数等相关信息，以指导服务行为与决策。

2.2 数字孪生外部连接交互

面对复杂业务需求，单一数字孪生具有的资源能力有限，需与其他对象共享信息、资源及能力，以实现高效协同合作。此外，在实际应用时，数字孪生往往与外部环境彼此关联、相互影响。因此，数字孪生除具备内部连接交互能力外，还需具备与人、外部环境及其他数字孪生进行信息交互的能力。

2.2.1 数字孪生间连接交互：数字孪生与数字孪生连接交互

单一数字孪生提供资源/能力的有限性使其难以独立完成复杂业务时，需借助其他数字孪生的资源、知识和能力来满足业务需求。将数字孪生视为一个整体，整合其实体资源及业务能力、数字孪生模型联合仿真功能、经验知识资源和服务决策能力，通过数字孪生间信息交换与资源共享，实现复杂任务的联合仿真、分析与评估，最终提升物理实体间的业务协调效率与协同合作能力。

具体而言，数字孪生间的连接交互涵盖人、机、物、环为对象构建的数字孪生，包括物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据、服务等不同数字孪生间同维度要素的连接交互，及其不同维度要素的连接交互。由于不同数字孪生的结构特性及应用需求不同，其数字孪生模型结构、数字孪生数据格式、服务类型往往存在差异，导致不同数字孪生的时空特征和系统平台不同，易形成信息孤岛。通过分析数字孪生的数据通信方式，建立跨时空/跨系统的交互机制，实现数字孪生间数据互联互通，进而促进资源、信息和知识的充分协作与共享。如数字孪生人与数字孪生机器间的连接交互，通过人机信息实时交流与共享，使人和机器在交互过程中互相学习、启发，实现人类智慧与机器智能的深度融合，帮助人类更好的认识世界、改造世界[16-17]。

2.2.2 数字孪生与环境连接交互

由于数字孪生难以脱离客观环境而独立存在，其不可避免会与外部环境相互关联、相互影响、相互交融。数字孪生与环境关联影响有三：①受限于实际环境，物理实体的属性特征、行为规律通常会受到环境约束，无法呈现出最佳理想效果；②环境突发事件、紧急事项及进一步造成的业务变更，会导致数字孪生难以按照既定计划完成任务，甚至出现停滞现象；③高度集群智能依赖于与外部环境的密切交互，积极主动与环境“对话沟通”，根据环境反馈响应采取适宜决策，能进一步促进环境优化改善。因此，建立数字孪生与环境的动态时空关联、实现信息实时交互，有助于感知外部环境变化并描述其对数字孪生的关联影响，进而分析、理解、评估环境特征规律，使数字孪生具备精准、动态、智能响应环境变化的能力，最终实现切实有效的因时、因地、因势施策。

(1)数字孪生与物理环境连接交互

由于物理环境具有复杂性、动态性、多变性等特征，数字孪生应具备与物理环境连接交互的能力，一则保证数字孪生能自适应更新调整以应对环境动态变化，二则支持数字孪生与环境的协同演进。物理环境包括大气环境、海洋环境、电磁环境等多类型环境，数字孪生与物理环境连接交互内涵因业务需求、环境特征而异，因此其内涵应立足于具体应用场景及需求。如数字孪生船舶需与海洋环境连接交互，通过感知实时海况信息，模拟船舶与海浪的摩擦、摇动等相互作用，并结合天气、潮流及船只等环境信息实现海域环境的整体感知与理解，从而优化船舶航行方案，及时有效应对突发事件；再如数字孪生卫星需与轨道空间电磁环境进行交互，通过建立精准模型客观完整映射轨道空间的电磁环境，进而仿真分析数字孪生卫星与电磁环境的相互影响，据此优化卫星结构并及时调整卫星工作模式，从而提高数字孪生卫星对电磁环境的自适应性和抗干扰能力，实现卫星在轨安全运行、稳定可靠通信与高效管理[12]；又如数字孪生城市需与大气环境、地质环境连接交互，通过感知并反馈环境变化，有助于数字孪生城市积极动态响应环境变化、合理充分利用环境资源、进而优化城市结构及行为机制，最大程度降低对环境的负面影响，使数字孪生城市与环境间产生互促互利的积极影响，实现因时、因地制宜。

(2)数字孪生与信息环境连接交互

面临数字化、信息化、智能化的社会发展趋势，信息技术不断推动人类生产生活方式变革，经济社会逐渐步入以信息为主导的发展时期。因此，数字孪生还需具备与信息环境连接交互的能力，一方面有助于数字孪生快速获取有效信息与知识规则、进而理解并合理使用信息环境提供的资源与能力，保证数字孪生对信息环境的自适应性，另一方面支持数字孪生与环境信息深度融合，推理形成新的知识与规则。信息环境形式多样(如规则网络、MES、ERP、数据库、专家系统等)，数字孪生与信息环境交互应涵盖语义描述、关联规则、评价内容等多种形式，通过处理时空语义数据，提取、理解语义信息，推理更新数字孪生与环境的关联规则，有助于数字孪生感知环境变化并动态规划自身行为。例如，数字孪生生产线由数字孪生机器人、数字孪生AGV小车、数字孪生机床及描述物理实体间运行逻辑的规则网络组成，其中每类物理实体提供的资源和能力、负责执行的具体任务皆有差异。通过数字孪生与生产线规则网络交互，整体理解其在生产线中角色功能及逻辑约束，从而根据环境动态变化及时准确调整任务需求及行为模式。

2.2.3 数字孪生与人连接交互

由于人具有灵敏的视觉/听觉/触觉等感官特征、灵活决策能力、分析推理能力和自主学习能力，往往在各类活动中起到不可或缺、难以替代的作用：其一，基于灵敏感知与分析理解能力，能及时观察数字孪生运行情况及环境状态变化，并结合经验信息做出恰当决策；其二，面临信息缺失不全情况，能积极主动地搜寻有效信息并评估其可靠性，从而进行灵活决策。此外，保障人员安全是第一要务，数字孪生需感知人员行为、理解人员意图，在运行时充分考虑人员安全性。因此，数字孪生需具备与人连接交互的能力，一是借助人类智慧实现灵活决策，二是有助于时刻保障各类人员安全，同时尽可能的提高人员舒适度。以制造领域为例，数字孪生与设计者交互，通过理解分析数字孪生提供的反馈信息，优化数字孪生的运行机制及其要素的结构特性，以提升运行效率和性能；数字孪生与决策者/管理者交互，感知数字孪生状态信息和环境变化，综合评估其运行效率及安全性，实现对数字孪生的灵活管理与控制；数字孪生与操作者/使用者交互，能及时察觉数字孪生的异常行为、环境突发事件、潜在危险等特殊情况，从而在保持操作/使用安全的前提下，对数字孪生行为进行及时合理的调整；此外，在积极主动与人员交互过程中，数字孪生能够不断优化其运行机制，提高操作者/使用者的舒适度。

3 数字孪生连接交互准则

在明晰数字孪生连接交互“是什么”的基础上，需进一步分析数字孪生连接交互的准则和要求，为其实施提供指导与参考。结合数字孪生数模联动、虚实融合的特性，提出“准确—实时—一致—安全—可靠”的数字孪生连接交互准则，如图2所示。由于不同应用场景和业务对数字孪生连接交互性能存在不同需求，因此连接交互准则的具体指标和实施方法应视具体情况具体分析。

3.1 连接交互准确性

数字孪生的连接交互准确性准则用于指导数字孪生连接交互如何正确实施，是数字孪生实现映射、仿真、预测、优化等功能的前提保障。数字孪生的连接交互准确性可从两方面展开分析：从数据传输角度来看，需保证交互数据的内容和格式符合准确性要求，能正确表达数据资源的内容；从状态感知角度来看，数字孪生能正确获取并处理物理实体的实时信息，保障信息感知精准可靠。

3.2 连接交互实时性

数字孪生的连接交互实时性准则用于规范数字孪生的时域特性，以满足联动、控制、优化等过程的实时性需求。从数据传输角度分析，在正确传输的基础上，数据传输的延迟时间需符合数字孪生实时性需求。面临不同的应用场景及业务，交互实时性的指标和实施方法应具体分析，从而保障数模驱动的仿真、控制、决策等过程的响应时间满足业务需求。

3.3 连接交互一致性

数字孪生的连接交互一致性准则用于指导数字孪生的虚实同步乃至融合，可从以下方面展开分析：其一，数据传输的一致性，即交互数据经传输后的约束关联符合相关性规则，且数据的时序关系正确，数据特征在宏观保持一致；其二，状态感知的一致性，数字孪生各要素对感知信息的理解与认知一致；其三，虚实映射的一致性，虚拟空间与物理空间的动态映射关联一致；其四，数模联动的一致性，数模驱动的数字孪生与物理空间的时空动态特征一致。

3.4 连接交互安全性

数字孪生的连接交互安全性准则用于规范数字孪生连接交互过程应符合的安全程度。数字孪生的连接交互安全性是指数据传输过程中信息能保持机密、完整与可用，防止数据被窃取、篡改或伪造，同时能保障交互数据来源准确认证，确保交互对象身份安全，防范通信协议的篡改或伪造。此外，当交互过程存在物理接触时，能保障交互对象的功能、性能不受到损坏。

3.5 连接交互可靠性

数字孪生的连接交互可靠性准则用于规范数字孪生连接交互的性能质量，使数字孪生具有长期稳定、可靠的连接交互性能。数字孪生连接交互可靠性可从以下两方面分析：一是交互数据完整、准确传输的能力能满足数字孪生的业务需求；二是在分析融合物理实体及环境、数字孪生模型、数字孪生数据与服务的异构数据过程中，数字孪生能具备及时处理通信时延、中断、异常数据的能力，从而保障数字孪生功能的正常稳定运行。

4 数字孪生连接交互理论体系

连接与交互是数字孪生由滞至通、由静至动、由孤至融的核心关键，通过实现数字孪生内外要素间的紧密相连，使数字孪生既成为数据互通、资源共享、信息融合的整体，又能与环境积极主动交流。物理空间是数字孪生动态运行的源头和出发点，首先需感知物理实体及环境变化，为虚实交互与融合提供物理信息。随后，需建立通信网络实现数据的高效流通与更新共享，使数字孪生内外要素互联互通。为保障数字孪生精准运行，需进一步分析虚实映射关联及数字孪生的驱动机制，以满足动态运行需求。此外，物理空间与虚拟空间的紧密交互，能有效促进环境信息、人类认知决策、经验知识及数字孪生的深度融合，为多源信息交汇、群体智能集聚、高效灵活决策提供切实保障。因此，针对“物理状态如何感知”、“交互数据如何传输”、“虚实空间如何融合”数字孪生连接交互核心问题，本文提出了一套涵盖信息感知、连接通信、虚实映射、数模联动和交互融合五部分内容的数字孪生连接交互理论体系，如图3所示。

4.1 感知：信息感知

为实时、高效、精准掌握各类物理资源状态和环境变化，需有效获取物理空间信息，以支持模型动态驱动、服务动态优化及资源动态分配。首先需根据物理资源的特性分析其感知需求，借助合理高效的感知技术获取物理资源的各类数据。在此基础上，通过处理多源、多态、海量特性的感知数据，提取表征物理状态的关键特征，进而分析感知数据的关联性，以融合多源异构信息，最终实现对物理空间状态的高精、全面、可靠、实时感知，为感知数据的传输和使用提供信息支撑。

4.2 通信：连接通信

连接通信是指建立稳定可靠的时空数据通信网络，实现环境、数字孪生及其要素间信息全面互联互通，为数字孪生从“静态”转为“动态”提供基础保障。通过建立快速、安全、可靠的通信协议，使海量异构通信设备高效互联，实现信息交流、更新与共享。因不同业务对交互数据的时效性、准确性、完整性等要求存在差异，交互数据的传输速率及质量需满足数字孪生的具体需求。此外，由于时空数据具有多源、多维、异构、动态的特点，往往会包含不同的数据元素及结构形式，需对交互数据进行规范化描述，定义统一的数据交换格式，以保证数据的全局一致性及不同用户/系统/平台对数据的认知与理解一致。

4.3 映射：虚实映射

在信息感知和连接通信的基础上，需进一步建立物理空间和虚拟空间的动态映射关联，为虚实要素的精准对应、物理要素的高效协同、虚拟要素的有效联动提供基础保障。根据数字孪生的功能结构和应用需求，确定数字孪生各要素的输入参数、中间参数及输出参数。在此基础上，分析并建立数字孪生内部及外部各要素间的时空映射关系，使虚实信息能够按一定数据格式或信息结构有序映射。此外，为保证虚实映射关联的有效可靠，在数字孪生应用过程中需不断校验虚实映射关系的准确性、完整性和可靠性。若映射关系不能符合应用要求，则需进行映射关联关系的更新与修正，直至其满足要求。

4.4 联动：数模联动

在建立虚实映射关联后，需进一步解决数字孪生动态驱动的难题。基于动态时空数据，数模联动实现数字孪生内外要素的结合联动，使物理空间与虚拟空间动态紧密结合。在数字孪生动态应用前，首先需根据物理实体及环境的静态特征对数字孪生状态初始化，保证其初始状态与真实状态一致。在此基础上，结合数字孪生动态运行特征及应用需求，确定驱动方法及数据更新频率，实现数字孪生实时、动态、精准驱动。此外，为保证数模联动的实时有效，需不断校验虚实空间的符合程度。若数模联动过程存在冲突或延迟，则需重新分析并更新调整数模联动机制，直至实现冲突消解并满足应用需求。

4.5 融合：交互融合

面对复杂多变的物理世界，在精准感知其状态变化，进而驱动数字孪生动态运行基础上，通过融合物理环境和数字孪生的各类信息，实现深度融合决策，为数字孪生动态高效分析、控制、预测、优化物理世界提供有力保障。通过关联物理环境，并有机融合数字孪生模型的实时仿真结果、数字孪生数据存储的信息知识、智能服务算法、人类认知决策等信息，实现信息即时交流、分析与共享，使数字孪生与环境紧密交融，最终形成深度信息融合的群智决策模式。

5 数字孪生连接交互关键技术

结合数字孪生连接交互内涵、准则和理论体系的分析与阐述，基于作者团队前期数字孪生使能技术[18]研究工作基础，本文进一步研究分析数字孪生连接交互关键技术。依据“感知—通信—映射—联动—融合”的连接交互理论体系，从上述5个方面分别阐述相关技术，如图4所示。

(1)信息感知技术

信息感知技术用于获取物理空间要素和环境的状态数据，经数据处理后提取并分析状态信息，实现物理空间的状态感知，相关技术主要包括：①多模态感知技术；②同步感知技术；③“人—机—物—环境”状态感知技术；④“端—边—云”协同感知技术；⑤感知数据预处理技术；⑥感知信息融合技术。

(2)连接通信技术

连接通信技术用于传输实时数据，实现数字孪生内部及外部各要素间的数据互联互通，相关技术主要包括：①通信协议映射与交互技术；②通信协议一致性测试技术；③通信—计算融合技术；④自适应同步通信技术；⑤通信安全技术。

(3)虚实映射技术

虚实映射技术用于构建物理空间与虚拟空间的时空映射关系，相关技术主要包括：①虚实映射关联挖掘技术；②虚实映射一致性评估技术；③映射关联关系存储与管理技术；④映射关联自适应更新与优化技术；⑤映射关联可视化技术。

(4)数模联动技术

数模联动技术用于建立数字孪生的实时驱动机制，实现虚实空间的动态结合，相关技术主要包括：①数模联动机制自适应更新与优化技术；②数模联动一致性评估技术；③时空状态初始化技术；④时域同步驱动技术；⑤数据同步交互技术。

(5)交互融合技术

交互融合技术用于关联数字孪生内外要素的各类信息，实现模型、数据、信息、知识的深度融合，相关技术主要包括：①“人—机—环境”共融技术；②虚实数据挖掘与融合技术；③“以人为本”的信息融合技术；④“实体—数据—模型—服务”融合技术。

6 结束语

作为数字孪生的重要组成部分，连接与交互实现了虚实空间的数据传输与交换，为物理实体的实时感知、控制、预测与优化提供了基础支撑，在一定程度上体现了数字孪生与传统仿真的区别与差异。为使数字孪生连接交互的实施有章可循、有据可依，本文首先阐述了数字孪生连接交互的内涵与准则，进而构建了一套“感知—通信—映射—联动—融合”数字孪生连接交互理论体系，分析了数字孪生连接交互关键技术，以期为数字孪生连接交互的研究提供理论与方法参考。

本文研究工作仅对数字孪生连接交互内涵与准则进行了初步探讨，所提出的理论体系和关键技术还需进一步丰富和完善。后续本文作者团队将进一步结合实际应用需求，完善数字孪生连接交互理论体系，同时深入研究和探讨数字孪生连接交互的实施方法。文章内容难免有不足之处，恳请国内外相关学者和专家批评指正！

笔者前期已围绕物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据和服务四个维度开展了相关研究工作，结合本文提出的数字孪生连接交互理论体系，进一步探究并丰富了数字孪生五维模型理论体系，相关工作期望为数字孪生的理论研究和应用落地起到参考推动作用。

致谢

本文研究工作得到国家自然科学基金项目(52120105008，52005024)的支持。除本文所列作者外，北航数字孪生研究组的其他成员也参与了本文的写作讨论，在此一并表示感谢。非常感谢郝玉成、雷毅、孙林夫、凌卫国、杨建坤和王柏村等专家对本文内容的讨论和指导。