数字孪生纠缠：增强型测量与基准对标

《Future Generation Computer Systems》：Digital Twin Entanglement: Enhanced measurement & reference benchmarking

　　

**摘要**

数字孪生是监控信息物理系统的一种基本范式。然而，准确量化数字孪生与其物理孪生体之间的纠缠程度仍是一项关键挑战。在异构信息物理系统中，维持这种对齐极为复杂：遥测流以不同频率生成，反映不同的关键性等级，并持续受到网络延迟和计算干扰的影响。现有的单体纠缠度量指标，如ODTE，无法同时捕捉这些动态变化；它们将所有数据丢失统一处理并忽视顺序违规，从而掩盖了微妙的状态失同步现象。为解决这些局限性，我们提出了增强型整体数字孪生纠缠度指标。该指标通过分解评估为细粒度的逐属性表示，显式建模信息物理系统遥测的细粒度结构。此外，它引入了数据连续性分量以惩罚乱序更新，并纳入语义加权以编码操作关键性。为进行严格验证，我们引入了数字孪生纠缠基准，一个基于严格更新对齐的确定性参考基线。增强型指标在实时压力测试框架中进行评估，将原生实时操作系统调度优先级直接映射到其加权结构上。使用由PREEMPT_RT内核控制的Franka Emika Panda机器人实验装置进行的实验验证表明，即使在严重的工作负载抢占下，增强型指标也能一致且忠实地跟踪基线。除了作为可靠替代指标的有效性之外，增强型指标还是一种强大的诊断工具，能够成功暴露传统评估方法无法发现的潜在遥测缓冲区异常。

**引言**

数字孪生已成为信息物理系统监控、分析和控制的基本范式。最近，研究工作越来越多地聚焦于将数字孪生集成到复杂和异构系统架构中，包括硬实时环境。在这样的环境中，维持并量化物理孪生体与其数字对应体之间可靠的运行耦合——正式定义为纠缠——代表了一个关键挑战。纠缠描述了数字表示在多大程度上忠实地反映了物理系统的时间演化。由于物理孪生体暴露于网络波动、动态工作负载和严格的调度约束之下，其遥测生成过程受到直接影响。因此，缺乏可靠的纠缠度量，数字孪生可能基于陈旧或损坏的状态表示运行，可能导致次优或不安全的决策。

第2节综述了关于数字孪生同步和保真度评估的相关文献。第3节详述的整体数字孪生纠缠度指标为量化这种纠缠的质量奠定了概念基础。然而，它所依赖的单体范式并不适合解耦信息物理系统架构的复杂需求。首先，传统方法如ODTE假设遥测作为单一同质单元传输，因此忽视了多属性系统的异步特性和实时遥测流的不同频率。其次，它们缺乏显式强制时间连续性的机制：在抢占式实时环境中，由于调度引起的抖动，乱序交付是常见的，可能悄然降低数字孪生状态而不被此类指标检测到。最后，这个基础框架对所有数据丢失事件赋予统一的重要性，未能区分延迟的安全关键更新和低优先级诊断信号。这种方法假设数据丢失纯粹是随机的，忽视了在硬实时环境中，数据丢失通常是资源受限调度的确定性结果。我们注意到，多速率数据处理、乱序检测和关键性感知加权是分布式系统和实时调度中各自成熟的技术；贡献不在于这些机制本身，而在于将它们——在此背景下是一个非平凡的任务——协调为单一的、逐属性的、实时调度感知的指标，并通过确定性真值进行验证，现有数字孪生与物理孪生同步方法无法匹敌。

为克服这些局限性，第4节引入了增强型整体数字孪生纠缠度指标，专门设计用于通过属性级粒度、时间连续性强制和优先级加权聚合来弥合数字孪生架构与硬实时环境之间的差距，直接将原生实时操作系统调度策略映射到指标的加权结构上。因此，数字孪生有效地继承了物理孪生体的操作层级：纠缠分数严格惩罚高优先级更新的丢失，而低优先级遥测的降级被视为可接受的且与物理系统设计意图一致。

虽然文献中若干工作提出了量化数字孪生时效性或完整性的指标，但目前尚无标准化基准专门设计用于在受控实验条件下测量数字孪生与物理孪生之间的纠缠。为弥补这一差距，第5节引入了数字孪生纠缠基准，一个确定性的、基于更新对齐的参考基准，第6节随后通过真实世界压力测试活动使用数字孪生纠缠基准验证增强型指标。最后，第7节对论文进行总结。

**相关文献**

数字孪生已被广泛研究为跨工业自动化、机器人技术和智能制造等领域建模、监控和优化信息物理系统的基本范式。大多数现有工作主要关注架构设计、数据集成管道、云到边缘卸载策略和应用驱动的使用案例。在这些传统设置中，物理孪生体与其数字对应体之间同步的质量往往被隐式地假定……

**概述**

整体数字孪生纠缠度是之前提出的一个指标，用于定量测量物理孪生体与其数字孪生之间的纠缠；我们在引入第4节的增强之前，先总结其公式化表述如下。

图1左侧说明了这个概念。在时刻t?，数字孪生准确反映物理孪生体状态。在t?，延迟更新导致暂时的失同步。在t?，延迟更新到达，恢复纠缠。由于外部观察者无法直接感知这种内部同步……

**增强型整体数字孪生纠缠度**

为了解决第3.2节强调的局限性，我们提出了增强型指标，其目标是实现细粒度的、属性感知的遥测评估。为此，我们引入了三个关键进展：第4.1节定义了逐属性、逐动作维度，使得能够在属性特定的时间约束下评估独立的遥测流；第4.2节引入了数据连续性维度，强制时间顺序和输入序列的完整性以防止状态损坏……

**数字孪生纠缠基准**

数字孪生与其物理孪生体之间纠缠的评估是受实时约束的数字孪生面临的基本挑战：没有确定性、可重复的真值，指标的性能和鲁棒性无法客观验证或交叉比较。为弥补这一差距，本文引入了数字孪生纠缠基准，一个确定性的基准，产生独立于增强型指标的纠缠时间序列表示，实现受控实验和客观比较。数字孪生纠缠基准作为实验性的……

**实验评估**

本节通过评估模拟实时场景中的物理孪生体到数字孪生的同步来验证所提出的指标。与既有的软件在环测试范式一致，实时控制栈和实时操作系统调度器是未修改的真实组件，而它们控制的物理过程由基于物理的模拟提供；此后，我们将此模拟过程称为模拟物理孪生体，与其在此软件在环配置中的角色一致。如图6所示，物理孪生体由7自由度Franka Emika Panda机器人……

**结论与未来工作**

在本文中，我们引入了增强型整体数字孪生纠缠度指标，摆脱了传统的单体范式，建立了专门针对现代信息物理系统的新型细粒度框架。通过纳入独立多速率数据流的属性级同步、引入时间连续性维度以惩罚乱序执行，以及定义基于物理关键性的语义加权机制，所提出的指标有效地解决了固有的……

**作者贡献声明**

Riccardo Morandi：写作——初稿撰写，验证，软件，正式分析，概念化。Marco Picone：写作——审阅与编辑，验证，正式分析，概念化。Nicola Bicocchi：写作——审阅与编辑，验证，正式分析，概念化。Mattia Fogli：写作——审阅与编辑，验证，正式分析，概念化。Carlo Giannelli：写作——审阅与编辑，验证，正式分析，概念化。

**利益冲突声明**

作者声明以下可能与潜在利益冲突相关的财务利益/个人关系：通讯作者和合著者认识Marcello Pietri博士。鉴于他作为执行客座编辑的角色，他未参与本文的同行评审，也未能获取关于其同行评审的信息。本文的编辑过程完全委托给另一位期刊编辑——R.M.，M.P.，N.B.通讯作者及……

**致谢**

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何特定资助。

Riccardo Morandi | Marco Picone | Nicola Bicocchi | Mattia Fogli | Carlo Giannelli
意大利摩德纳和雷焦艾米利亚大学恩佐·法拉利工程系，摩德纳，41125