劉桂鏜
航天科工三院三部信息化專家，研究方向?yàn)閿?shù)字孿生、MBSE、信息化總體技術(shù)等。
摘 要
2019年3月，美國海軍使用“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)成功進(jìn)行首次實(shí)彈攔截試驗(yàn)，成為數(shù)字孿生應(yīng)用的里程碑事件。本文闡述了數(shù)字孿生的內(nèi)涵，結(jié)合“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)，分析國外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，為數(shù)字孿生在國內(nèi)的應(yīng)用提供參考和啟發(fā)。
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基本內(nèi)涵
“數(shù)字孿生”的概念最早可以追溯到2003年，美國密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授提出了“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”，后來稱之為“鏡像空間模型”、“信息鏡像模型”，2011年Grieves教授引用了合作者John Vickers提出的概念——數(shù)字孿生（Digital Twin）[1]，并沿用至今。隨著數(shù)字孿生在學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界成為研究熱點(diǎn)，其概念不斷被賦予新的內(nèi)涵。2017年，Grieves教授廣泛總結(jié)各界新觀點(diǎn)，將數(shù)字孿生定義為：數(shù)字孿生是一組虛擬信息結(jié)構(gòu)的集合，能夠從微觀原子層級(jí)到宏觀幾何層級(jí)上完整描述某一潛在的或?qū)嶋H制造的物理產(chǎn)品。在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生能夠包含反映其物理產(chǎn)品的所有信息[2]。
該定義中數(shù)字孿生特指數(shù)字孿生產(chǎn)品或數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生體分為兩種類型：數(shù)字孿生樣機(jī)（Digital Twin Prototype，DTP）和數(shù)字孿生實(shí)例（Digital Twin Instance，DTI）。數(shù)字孿生體的仿真運(yùn)行需要有產(chǎn)品所處的物理環(huán)境的數(shù)字化鏡像——數(shù)字孿生環(huán)境（Digital Twin Environment，DTE）的支撐。數(shù)字孿生體和數(shù)字孿生環(huán)境共同構(gòu)成了數(shù)字孿生空間（DigitalTwin Space），與虛體空間基本同義。
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國外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
數(shù)字孿生的概念在2003年提出時(shí)并沒有引起太多的重視。2011年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和NASA合作提出構(gòu)建未來飛行器數(shù)字孿生體，此后數(shù)字孿生得到了廣泛關(guān)注。國外學(xué)者針對(duì)數(shù)字孿生的內(nèi)涵和演變過程、體系架構(gòu)和參考模型、建模和交互融合等關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)施途徑、應(yīng)用模式等開展了很多研究。包括美國軍方、NASA、洛馬、波音、諾格、空客在內(nèi)的國際著名機(jī)構(gòu)和企業(yè)均將數(shù)字孿生列為未來頂尖技術(shù)和戰(zhàn)略發(fā)展方向，積極推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。GE、PTC、ANSYS、達(dá)索系統(tǒng)、西門子、SAP等工業(yè)軟件巨頭都提出了自己擅長領(lǐng)域的數(shù)字孿生解決方案。2108年，美國國家數(shù)字化制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（DMDII）將數(shù)字孿生技術(shù)列為 2018 年戰(zhàn)略投資重點(diǎn)，標(biāo)志著數(shù)字孿生已成為美國政府和軍方的關(guān)注重點(diǎn)。
2019年3月，美國海軍托馬斯?哈德納號(hào)“阿利?伯克”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦使用“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)成功進(jìn)行首次實(shí)彈攔截試驗(yàn)[3]，成為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的里程碑事件。“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)虛擬了部分“宙斯盾”系統(tǒng)的核心硬件，包含了“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)基線9的全部代碼，可執(zhí)行全部的作戰(zhàn)系統(tǒng)功能，并可直接隨艦部署，參與演習(xí)。在不影響被測艦艇實(shí)際作戰(zhàn)系統(tǒng)情況下，利用自動(dòng)測試與重測試（ATRT）設(shè)備通過特殊協(xié)議從本艦獲取實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)，對(duì)作戰(zhàn)軟件進(jìn)行現(xiàn)場測試和評(píng)估，并在作戰(zhàn)軟件通過校核、驗(yàn)證與確認(rèn)（VV&A）流程后，實(shí)時(shí)在線更新到戰(zhàn)艦上（圖1），無需等待18至24個(gè)月來重新編碼、重新測試和再次認(rèn)證等，從而打破軟硬件耦合的傳統(tǒng)研制模式，大幅縮短“宙斯盾”系統(tǒng)新能力的升級(jí)和部署周期，降低總成本。在演習(xí)結(jié)束后，還可利用ATRT設(shè)備進(jìn)行重測試，模擬許多無法在實(shí)戰(zhàn)和演習(xí)中進(jìn)行的場景，更全面地測試作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件功能，提高軟件研發(fā)質(zhì)量；并可利用算法與程序的改進(jìn)，為“宙斯盾”延壽升級(jí)，促進(jìn)其戰(zhàn)力顯著提升。
圖1 “虛擬宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件的在線升級(jí)模式
除“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)外，美俄歐等軍事強(qiáng)國大量采用數(shù)字孿生技術(shù)，驅(qū)動(dòng)新型裝備研制模式變革，已取得了一定實(shí)效[4,5]。如在研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，達(dá)索航空將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于新型戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)降低浪費(fèi)25%，質(zhì)量改進(jìn)15%。在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，洛馬部署基于數(shù)字孿生的“智能空間平臺(tái)”，每架 F-35戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)周期將從22個(gè)月縮短到17個(gè)月，制造成本降低10%。在運(yùn)行維護(hù)領(lǐng)域，NASA研究基于數(shù)字孿生的復(fù)雜系統(tǒng)故障預(yù)測與消除方法，并應(yīng)用在飛機(jī)、飛行器、運(yùn)載火箭等飛行系統(tǒng)的健康維護(hù)管理中。
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數(shù)字孿生發(fā)展趨勢
從以上情況可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國外數(shù)字孿生相關(guān)理論、技術(shù)、產(chǎn)品不斷完善，落地應(yīng)用日漸深入，整體呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢。
（1）數(shù)字孿生與新一代信息技術(shù)深入融合，不斷提升解決實(shí)際問題的能力。隨著傳統(tǒng)建模仿真技術(shù)與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等技術(shù)的進(jìn)一步融合，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)不斷成熟，其模擬、監(jiān)控和優(yōu)化實(shí)體世界的能力不斷增強(qiáng)，將為傳統(tǒng)業(yè)務(wù)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供更有利的技術(shù)支撐。
（2）數(shù)字孿生應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，將覆蓋制造業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈和更多行業(yè)。數(shù)字孿生提出初期主要面向軍工制造業(yè)需求，且主要應(yīng)用于運(yùn)行維護(hù)領(lǐng)域。近年來一方面向研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造領(lǐng)域延伸，覆蓋產(chǎn)品全生命周期、全產(chǎn)業(yè)鏈；另一方面逐步向電力、汽車、醫(yī)療等民用領(lǐng)域拓展，并開始向建筑、交通、城市等更復(fù)雜的行業(yè)推進(jìn)，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
（3）數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在加速形成，有望改變行業(yè)競爭規(guī)則。在產(chǎn)、學(xué)、研各方的共同努力下，以數(shù)字孿生為核心的技術(shù)、產(chǎn)品、組織和產(chǎn)業(yè)正快速成長和成熟。特別是國外知名工業(yè)軟件企業(yè)聯(lián)合先進(jìn)制造企業(yè)，圍繞數(shù)字孿生技術(shù)形成一整套的解決方案，在這項(xiàng)被譽(yù)為有望改變“游戲規(guī)則”的頂尖技術(shù)領(lǐng)域走在了前列，值得引起國內(nèi)的關(guān)注和重視。
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結(jié)束語
數(shù)字孿生能夠有效實(shí)現(xiàn)虛擬世界和實(shí)體世界的交互與共融，被譽(yù)為未來有望改變“游戲規(guī)則”的頂尖技術(shù)，為復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真發(fā)展提供了新的源動(dòng)力。數(shù)字孿生最初主要應(yīng)用于軍工制造業(yè)，目前已逐步擴(kuò)展到制造業(yè)以外的眾多行業(yè)，對(duì)推動(dòng)智能制造、智慧醫(yī)療、智慧城市等先進(jìn)理念在我國的落地實(shí)施，加快我國實(shí)體經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，具有重要意義。
本文節(jié)選自《數(shù)字孿生技術(shù)在復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用與展望》。
參考文獻(xiàn)
[1]Grieves M. Virtually perfect: drivinginnovative and lean products through product lifecycle management [M].Cocoa Beach,Fla., USA: Space Coast Press, 2011.
[2] Grieves M, VickersJ. Digital twin: mitigating unpredictable， undesirable emergent behavior incomplex systems[M] // Trans-disciplinary Perspectives on Complex Systems. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 2017.
[3]國防科技信息網(wǎng). 美國海軍“虛擬宙斯盾”完成實(shí)彈測試[EB/OL].[2019-4-28]. http://www.dsti.net/Information/News/115034.
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[5]陳騫. 國外數(shù)字孿生進(jìn)展與實(shí)踐[J]. 上海信息化，2019，(1)：78-80.
