《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Leveraging Model-Based Systems and Software Engineering for Digital Twin Engineering: Methods and Digital Thread Opportunities
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数字孪生系统工程中系统工程的整合与应用及其数字主线作用
克拉丽莎·格雷戈里（Clarissa Gregory）| 苏阿德·拉巴（Souad Rabah）| 文森特·沙普拉（Vincent Chapurlat）| 费奥多尔·布尔恰尔（Fedor Bur?iar）| 莫妮卡·赫尔赫洛娃（Monika Herchlová）
法国阿尔勒矿业与技术学院（IMT Mines Alès）风险科学实验室（Laboratoire des Sciences des Risques）
摘要
数字孪生（Digital Twin，简称DT）是对物理资产的一种双向连接和同步的表示形式，也称为“物理孪生”（Physical Twin）。DT是数字孪生系统（Digital Twin System，简称DT System）的核心组成部分，该系统通过各种组件将DT与物理孪生相互连接，并执行数据交换、处理或存储等必要功能。尽管从业者使用了多种技术和方法，但DT系统的工程设计仍是一个漫长且复杂的过程，目前缺乏系统化的方法论支持。系统工程（System Engineering，简称SE）为复杂系统的工程设计及其生命周期管理提供了原则、流程、方法论工具和框架。更具体地说，基于模型的系统与软件工程（Model-Based Systems and Software Engineering，简称MBSSE）将建模活动置于工程实践的核心，以促进整个生命周期内相关方之间的交流和迭代。在系统生命周期中，相关方的活动会产生数据、信息或知识（Data, Information, or Knowledge，简称DIK）等数字项目，这些项目可以用于DT系统的工程设计。本文首先探讨了SE和MBSSE在DT系统工程中的应用，以明确MBSSE的基础；其次，讨论了通过一种称为“数字线程”（Digital Thread）的概念来收集和管理生命周期中产生的项目的相关机会和研究问题。事实上，数字线程的形式化和利用为DT系统工程带来了诸多价值。
引言
工业4.0的特点是数字技术和互联网技术与传统工业实践的深度融合。在这一背景下，数字工具和技术在整个系统生命周期中变得越来越重要。它们不仅支持系统的先进数字建模和运行，还能利用数据来优化控制和流程。其中，数字孪生（Digital Twin，简称DT）已成为工业4.0的关键技术[1,2]。DT的目标是连接、同步并利用来自物理孪生（Physical Twin，以下简称目标实体）的数据和模型。
对于支持复杂系统而言，数字孪生已成为不可或缺的工具，因为它们可用于满足控制与监控、参数化、测试与优化等方面的需求，甚至可以作为操作员培训的辅助手段。然而，物理孪生和数字孪生本身都是复杂的系统，在性能、安全性、环境可持续性等方面存在诸多挑战。因此，它们的工程设计、运行、维护和拆卸都需要符合工业4.0目标的相关方法论。
系统工程（System Engineering，简称SE）提倡相关方法论、流程和系统概念，以支持并推动这类系统的工程设计，从而找到最合适的技术解决方案。此外，基于模型的系统与软件工程（Model-Based Systems and Software Engineering，简称MBSSE）强调建模的重要性，并提倡使用模型而非仅依赖文档化的工程实践。
SE方法论已在DT工程中得到应用[3,4]，证明了这种方法的可行性和相关性，但其应用范围仍较为有限。相关标准[5]引入了数字孪生系统（Digital Twin System，简称DT System）的概念。
DT系统包括作为目标实体核心数字表示的DT。DT的设计旨在支持与系统中其他组件的各种交互。这些组件负责管理人机界面、建立数据连接，并实现与外部系统的交互。从系统角度来看，DT系统的结构和功能符合SE的范畴[5]。该标准补充并扩展了之前专注于制造系统DT的标准[6]。
本文的目标有三个方面：首先，探讨SE（尤其是MBSSE）原则在DT系统工程中的应用优势；其次，基于这些优势制定方法论指南；最后，讨论与目标实体相关的数据管理方法，以支持DT系统的工程设计及运行阶段。在这些阶段中，相关方会生成大量数据项目[7]，这些数据需要以一致且可靠的方式在权威数据库中进行系统化组织、存储和追踪。这种结构化的数据管理方法在学术文献中被称为“数字线程”（Digital Thread，简称DTh）[8]。文章的最后一部分探讨了DTh在DT系统工程和管理中的价值，特别是数据复用的潜力，以及目前限制DTh实施的障碍。通过一个具体案例来说明所提出的方法论。
本文的结构如下：第2节简要介绍将在文中使用的案例；第3节概述SE、MBSSE、DT系统以及当前的标准和实践现状；第4节讨论MBSSE在DT系统工程中的应用，并通过案例进行说明；第5节介绍数字线程（DTh）的概念、其与DT系统工程和运行的关系及其现有局限性，并提出新的研究方向。
案例介绍
案例描述
本文研究的案例聚焦于一个食品和饮料的工业包装与加工生产线，名为Festo系统。该案例由布拉迪斯拉发斯洛伐克技术大学（Slovak University of Technology）特尔纳瓦分校（STU-MTF）的材料科学与技术学院提供。该案例基于一个名为Festo Didactic的生产系统，该系统用于两种不同材料的瓶装生产和包装，目前安装在应用研究所内。
系统工程
系统工程（System Engineering，简称SE）为复杂系统的工程设计提供了完整的框架（包括原则、规则和流程），有助于各方协同实现技术上成功的解决方案。鉴于工程环境的复杂性，需要一种适应性强的方法论，该方法论应具备处理复杂系统工程及相关多种需求的能力。参考文献[11,12]提出了一种规范化的框架，并强调了...
数字线程在DT系统工程中的机遇
本节旨在提供数字线程的背景信息，明确其定义，讨论其与DT的交互关系，并阐述实现和利用数字线程所需的互操作性要求。
结论
本文介绍了基于不同标准的DT系统工程设计方法论。一方面，这些方法论参考了定义DT系统的标准[6]和[5]，明确了工程设计所需系统的特性；另一方面，关于SE[13]和MBSSE[14]的标准为复杂系统工程设计提供了方法论原则。
标准[5]提出了数字孪生系统的概念，即考虑了由相关组件构成的DT环境。
CRediT作者贡献声明
克拉丽莎·格雷戈里（Clarissa Gregory）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论构建、概念化。
苏阿德·拉巴（Souad Rabah）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论构建、概念化。
文森特·沙普拉（Vincent Chapurlat）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目管理、方法论构建、概念化。
费奥多尔·布尔恰尔（Fedor Bur?iar）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论构建、概念化。
莫妮卡（Monika）：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了法国政府的资助，具体由国家研究署（Agence Nationale de la Recherche）管理，属于France 2030计划的一部分，项目编号为ANR-22-EXEN-0003（PEPR eNSEMBLE/PILOT）。
部分工作是与布拉迪斯拉发斯洛伐克技术大学（STUBA）及特尔纳瓦分校（STU-MTF）的材料科学与技术学院合作完成的，该学院提供了本文中的案例数据。合作期间得到了博士流动项目的资金支持。
