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        1. 科普之窗

          數字孿生:虛擬的?真實的!

          馮杰

          2023-07-13 02:55

          陶 飛 劉庭煜 胡天亮
          光明日報( 2023年07月13日 16版)

          提到“孿生”,人們會不約而同地想到雙胞胎,但加上“數字”,該如何理解?實際上,數字孿生不僅出現在科幻作品《三體》和《鋼鐵俠》中,在神舟十六號載人飛船任務、天宮一號任務中也發揮了重要作用。未來,數字孿生還將在航天、船舶、飛機、醫療、智慧城市等領域得到更多應用,大幅度減少人類的腦力和體力勞動強度,顯著提高生產安全性和效率。

          從科幻作品中理解數字孿生

          什么是數字孿生呢?或許,我們能從科幻作品中通俗地理解這個概念。

          科幻著作《三體》就很好地解釋了數字孿生。這部小說中存在著一個“三體游戲”,該游戲利用數字空間重現了三體星球的實際環境,也復刻了真實三體星球的物理屬性。這樣一個虛擬的游戲世界即可看作三體星球的數字孿生模型。

          主角汪淼可以通過穿戴人機交互設備連接并進入虛擬的三體星球空間,在游戲世界中創建自己的數字鏡像。該數字鏡像擁有與汪淼完全相同的外形、行為和感知能力,而且兩者的狀態是實時互通的。也就是說,游戲中數字鏡像所遭受的寒冷、疼痛和勞累等感覺,也會實時傳遞到汪淼本人身上。這樣,汪淼可以通過游戲中的數字鏡像,感同身受地行走在三體星球,“親臨”亂紀元的混沌、壓迫和危險。他也可以“親自”與游戲中的知名人物的數字鏡像互動,例如隨同周文王覲見紂王,奉上一本“萬年歷”,或是與墨子、哥白尼、伽利略當面交流關于恒紀元、亂紀元的太陽運行模型等。

          此外,在三體世界的數字孿生模型中所做的選擇,都可能觸發這個世界的未來走向。在游戲世界中所發生的一切,都遵循于現實世界,可在其中對未來進行推演。

          科幻電影《鋼鐵俠》中也有數字孿生的身影。主人公托尼·斯塔克利用先進技術為自己量身打造了一個鋼鐵戰甲,搭載了微型核電站和各種先進武器,以及智能系統“賈維斯”?!百Z維斯”內置了鋼鐵戰甲的數字化虛擬模型,能追蹤鋼鐵戰甲的狀態,并進行可視化,供托尼了解鋼鐵戰甲的情況,作出作戰決策?!百Z維斯”還能提供目標瞄準、信息追蹤、能源預警等戰斗輔助功能。

          《鋼鐵俠》中的鋼鐵戰甲和“賈維斯”具備了一個數字孿生系統的五大核心要素。鋼鐵戰甲是物理實體,“賈維斯”內置的戰甲模型則是對應的虛擬實體,通常稱之為“數字孿生模型”或“數字孿生體”。鋼鐵戰甲的損壞程度、飛行速度、能源剩余量等數據,統稱為孿生數據?!百Z維斯”對數據進行分析、處理和挖掘,提供戰斗建議、飛行軌跡規劃、能源預警等戰斗輔助服務,這些服務功能以決策數據、圖表、分析曲線等形式呈現,可以稱之為“服務”或“應用”。

          載人航天讓數字孿生走進公眾視野

          2023年5月30日,搭載神舟十六號載人飛船的長征二號F遙十六運載火箭在酒泉衛星發射中心發射升空。隨后,神舟十六號載人飛船與火箭成功分離,經過五次變軌后,按照預定程序與空間站組合體進行自主快速交會對接。

          此前,我國在太空進行的航天器交會對接,大多是在水平方向。本次任務是空間站三艙“T”字構型下實施的首次徑向交會對接,存在較大的偏心,是一個全新的挑戰。為了確保神舟十六號載人飛船與空間組合體的精確對接,需要準確掌握飛船的實時狀態信息,以支持突發情況的快速決策。在此過程中,基于數字孿生的三維實時可視化技術發揮了關鍵性作用。

          通過飛船上的傳感器數據,構建飛船的虛擬數字模型,實時精準呈現飛船運行軌道、位置、姿態以及載荷等信息。此外,該項技術還能夠提供覆蓋地面、太空、觀測站、飛行器的逼真空間環境和實時任務狀態,為地面測控人員的精準控制和決策提供高效直觀的數據支撐,為任務的圓滿成功起到關鍵作用。

          在神舟十六號載人飛行任務中,航天器的物理實體、可視化模型和相關的計算機系統,以及持續通暢的通信數據流構成了一套完整的數字孿生系統。

          實際上,數字孿生的概念就是在航空航天任務中誕生的。1970年4月13日,在美國阿波羅13號登月飛船起飛56小時后,處于尾部的服務艙氧氣罐發生爆炸。此時,必須讓服務艙中的發動機開機,飛船才有機會返回地球。然而,在這種情況下,誰也不知道發動機開機會不會引發更大的災難。那么,地面指揮中心該如何摸清一個遠在30萬公里外并且已經損壞的飛船的狀況呢?又怎樣遠程指導航天員們一步步排除故障呢?

          好在美國航空航天局擁有飛船的地面仿真模擬模型。地面人員依據通信信息調整地面模擬器環境參數以匹配阿波羅13號的實際受損情況,在地面模型上嘗試解決方案并發送安全操作指令,最終引導航天員們安全返回地球。

          在阿波羅計劃中,這些高保真的模擬器和相關的計算機系統,以及持續通暢的通信數據流構成了一套初步的阿波羅13號地面孿生模型。在此基礎上,美國航空航天局不斷完善并于20世紀末正式提出“數字孿生”的概念,將其定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統或飛行器仿真過程”。

          軟件平臺是數字孿生“落地”的關鍵

          經過近幾年的快速發展,數字孿生已深入滲透到全球數字經濟各個領域,成為人類構筑數字空間,并借以改造現實世界的變革性模式。

          在我國,數字孿生也得到了快速發展。2017年,筆者團隊在國際上發表了首篇數字孿生車間文章,聯合多個高校和科研機構提出了數字孿生五維模型、數字孿生模型構建理論、數字孿生標準體系、數字孿生成熟度等一系列研究成果,結合工業應用需求,探索了數字孿生五維模型在衛星/空間通信網絡、船舶、車輛、飛機、能源、制造車間、復雜裝備、醫療、智慧城市等十多個領域的應用。這些成果形成了一定國際影響,并增加了我國在該領域的話語權——2021年我國創辦了Digital Twin國際學術期刊。

          然而,數字孿生技術的落地離不開數字孿生工業軟件平臺。隨著持續不斷增長的數字孿生技術的研究、應用、開發和管理需求,數字孿生工業軟件的研發和推廣勢在必行??上У氖?,當前軟件統一參考架構的缺位阻礙了數字孿生理論在研究和工業應用的進一步發展。

          為此,“十三五”期間,我國在國家重點研發計劃“網絡協同制造與智能工廠”重點專項中,部署了重點科研任務——基于數字孿生的智能生產過程精確建模理論與方法,旨在探索數字孿生模型構建理論體系、數字孿生生產線狀態感知工具、數字孿生模型無損降階方法、數字孿生工業軟件研發等問題。

          筆者團隊聯合山東大學、東南大學、西安交通大學、東華大學、北京工業大學、武漢科技大學等國內知名高校教授團隊,共同提出并設計了一個數字孿生工業軟件平臺的參考架構——makeTwin,嘗試給出數字孿生工業軟件發展的中國思路和參考架構。

          在整體架構設計上,makeTwin參考架構綜合考慮了軟件平臺的開放性、兼容性、互操作性、可用性和可擴展性,以全方位地服務學術研究人員、開發人員和企業等。在核心功能設計上,makeTwin基于數字孿生工業軟件的七大需求定義了十大功能、基本工作流程和核心功能交互等機制。它可以實現包括數字孿生模型創建與集成、孿生數據處理器、算法生成適配器、數實loT連接器、虛實交互配置器、孿生仿真求解器、多維可視化工具、孿生基礎庫、場景應用模板集、孿生應用部署器等十大功能。

          目前makeTwin的參考架構尚需進一步豐富和完善。研發團隊計劃在今年下半年推出《數字孿生工業軟件白皮書》,嘗試為全球提供來自中國的數字孿生工業軟件參考架構,以更好地引導數字孿生工業軟件可持續優質發展。

          未來可期的數字孿生

          現在,數字孿生可是“香餑餑”,它不僅是理論研究的熱點,也具備深刻長遠的應用前景,其在智慧城市和智能制造領域的應用已與生產生活息息相關。解決了數字孿生工業軟件平臺問題后,數字孿生將在現實生活中有更多應用。

          比如,數字孿生城市是數字孿生的重要應用之一。數字化將會徹底落實到城市的交通、醫療、教育等方方面面,使人們的生活更加方便、智能。

          以道路交通為例,交通擁堵和交通事故都是人們在出行時不希望發生的事。如果將數字孿生應用于所有的交通工具,建立對應的數字孿生模型,讓駕駛員能夠實時掌握車輛的狀態和位置信息,再基于大量行駛數據和檢修數據,便可以預測車輛在何時何處可能發生故障,通過提前保養來避免半路拋錨等問題。同時,道路交通管理的信息中心還能分析相鄰區域內的車輛數據,為每輛汽車提供自動駕駛服務,進而可以基于多車同步啟停服務避免擁堵,基于避讓行人和避讓車輛服務避免交通事故。

          再比如,數字孿生車間是一種未來車間運行新模式,對實現工業4.0、工業互聯網、“互聯網+制造”、面向服務的制造等先進制造模式具有重大的潛在推動作用。

          在數字孿生車間中,實際生產車間與其數字孿生模型利用工業數據總線進行連接,車間的管理者可以在全世界任何一個地方,通過電腦里的車間數字孿生模型掌握實體車間當前的加工任務、加工設備的運轉狀態、產品的合格率等信息,巡檢工人可以頭戴虛擬現實頭盔,在辦公室里身臨其境地排查設備故障。此外,伴隨著人工智能技術的發展,通過分析車間數字孿生模型所具備的制造數據,可以推算出最優的生產調度方案,并對實際車間內的設備進行控制。這不僅能大幅減少人類的腦力和體力勞動強度,還能顯著提高生產安全性和效率。

          數字孿生,未來可期!

          (作者:陶飛,系北京航空航天大學國際交叉科學研究院常務副院長、國家智能制造專家委員會委員;劉庭煜,系東南大學機械工程學院副教授;胡天亮,系山東大學機械工程學院教授)


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