數(shù)字孿生技術(shù)貫穿于實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期，因此不管是處于產(chǎn)品設(shè)想、設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證、交付還是使用的任何階段，都會(huì)接觸到；同時(shí)不管是從事一線作業(yè)、現(xiàn)場管理以及后臺(tái)統(tǒng)籌的各行各業(yè)，也都會(huì)切身體會(huì)到，所以數(shù)字孿生會(huì)被很多人理解并認(rèn)識(shí)，筆者看來，這主要?dú)w功于它有一個(gè)好聽并響亮的名字。
CAE技術(shù)在車輛中的應(yīng)用
數(shù)字孿生其實(shí)是一個(gè)老生常談的問題，是一種自從計(jì)算機(jī)誕生以來就等待人類去發(fā)掘并實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。在很多行業(yè)已經(jīng)建立了所謂的數(shù)字孿生體，但是與本文提到的數(shù)字孿生，還是有一定區(qū)別，因?yàn)楸疚拿枋龅氖墙鉀Q數(shù)字孿生的終極問題，而不是僅僅穿上華麗外衣的半成品，或者是貓和咪的問題。
數(shù)字生成核心技術(shù)
數(shù)字孿生體的核心技術(shù)，在筆者看來可以分為三類：3D模型重構(gòu)技術(shù)（本文暫定為：A技術(shù)）、3D模型驗(yàn)證技術(shù)（本文暫定為：B技術(shù)）以及模型數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)（本文暫定為：C技術(shù)）。3D模型重構(gòu)技術(shù)包括CAD建模、VR顯示等；數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)包括傳感器、數(shù)字主線、大數(shù)據(jù)、流程化管理等，這兩類技術(shù)筆者雖有涉獵但不擅長，也就不獻(xiàn)丑了。3D模型驗(yàn)證技術(shù)包括CAE建模、數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理等，這是本文討論的重點(diǎn)。
模型重構(gòu)之VR顯示技術(shù)
數(shù)字孿生核心技術(shù)關(guān)系圖
數(shù)字孿生中三類核心技術(shù)的關(guān)系是：A通過C把數(shù)據(jù)傳遞給B用于計(jì)算，B通過C把數(shù)據(jù)傳遞給A用于修正，往復(fù)作業(yè)，自始自終，不始不終，直至產(chǎn)品的滅亡與消失，所以，一個(gè)完整的數(shù)字孿生體應(yīng)該包括ABC三類技術(shù)。從技術(shù)的應(yīng)用以及市場的發(fā)展來看，A技術(shù)與C技術(shù)基本上已大范圍實(shí)現(xiàn)，所以數(shù)字孿生體是可行的，但是B技術(shù)就難說了，為什么呢？
B技術(shù)雖然發(fā)展了有二三十年，但是比起其他兩類技術(shù)還是落后了很多，主要原因是物理世界的復(fù)雜多樣性導(dǎo)致人類顧此失彼以及計(jì)算機(jī)算力的限制導(dǎo)致我們力不從心。本文把計(jì)算機(jī)算力叫做“硬傷”，把物理世界的復(fù)雜多樣性叫做“軟傷”。
先說“硬傷”：計(jì)算機(jī)算力雖然不夠，但還是可以計(jì)算很多數(shù)據(jù)的。不夠的原因是我們希望獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而不是1年后才后知后覺，有時(shí)候?qū)嵲诘炔黄鸢?；如果在一定時(shí)間內(nèi)，我們獲得的延遲數(shù)據(jù)在可以接受的范圍內(nèi)，這個(gè)“硬傷”也就可以不考慮，比如10分鐘、半小時(shí)、一天等，有時(shí)候我們還是可以等等的。雖然筆者從事的是“虛擬仿真”工作，但不能玩“虛的”，噴子可以自己搜索相關(guān)資料，算力不夠是現(xiàn)實(shí)問題。雖然量子計(jì)算機(jī)是可以解決硬傷問題的，不過還是有些“虛”??！
超級(jí)計(jì)算機(jī)-中國天河
再說“軟傷”：軟傷”是本文討論的重點(diǎn)。物理世界的復(fù)雜多樣性是客觀存在的，幾乎每個(gè)產(chǎn)品都處于力場、流場、熱場、電磁場以及多場耦合環(huán)境中，這還僅僅是三維空間內(nèi)的描述，也不涉及量子力學(xué)、神經(jīng)學(xué)等所謂的“玄學(xué)問題”。
那么“軟傷”具體是什么呢？就是我們造出一種產(chǎn)品時(shí)，有些物理環(huán)境我們并沒有深入考慮，我們都是在滿足一定誤差范圍內(nèi)造出的產(chǎn)品。關(guān)于這些誤差，誰又敢說一定沒有問題呢？通過多年的觀察與經(jīng)驗(yàn)可知，產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重事故往往都是因?yàn)樾栴}誘發(fā)的，或者說是這些不起眼的誤差導(dǎo)致的。如果在產(chǎn)品交付前，我們把所有的物理問題都搞清楚是否可行呢？我想很多工程師都會(huì)否認(rèn)，也是等不起的原因。所以“軟傷”是一種難以解決的問題，數(shù)字孿生技術(shù)的提出從本質(zhì)上來說就是為了解決這些“軟傷”問題，因?yàn)槿魏萎a(chǎn)品都具有一定程度內(nèi)的“軟傷”。
通俗點(diǎn)說，數(shù)字孿生中的老二是老大的備胎，因?yàn)槔隙莻€(gè)虛擬的玩意，所以你可以任意蹂躪而不用為其承擔(dān)嚴(yán)重后果。
還說“軟傷”：“軟傷”的客觀存在不再說明，那么“軟傷”是否可解決呢？可以肯定的是，在一定范圍是可以解決的！因?yàn)槿祟惖?ldquo;軟實(shí)力”足夠強(qiáng)大！摸著石頭過河唄。所以重點(diǎn)是什么？摸！怎么摸，摸什么？這也是本文的關(guān)鍵：用數(shù)字孿生體來“摸”現(xiàn)實(shí)世界！治療“軟傷”需要多方位下手，不能孤立地解決（孤立也解決不了，所以才有人提出數(shù)字孿生）。治療“軟傷”不僅要考慮“硬傷”的問題，還需要考慮“A技術(shù)”與“C技術(shù)”的問題，“軟傷”是一種紐帶，也是一個(gè)綜合性問題！
又說“軟傷”：舉一個(gè)高架橋段的例子，“軟傷”是客觀存在的，比如CAE工程師潛意識(shí)地就可以想到：
1我們很難確定這個(gè)橋面上是否有超載車輛通過，因?yàn)橛袝r(shí)候車輛是否超載就很難衡量清楚；
2橋面車輛快速還是慢速通過，也很難約束，太多不確定性了；
3高架橋是否出現(xiàn)磨損等損害？哪里出現(xiàn)損害也不易確定；
4高架橋中的混凝土與鋼筋是否老化？哪一處老化同樣不易跟蹤；
5暴雨、暴風(fēng)、雷電、地震、季節(jié)變化等自然力對(duì)高架橋的實(shí)時(shí)影響力很難檢測；
6即便某路人肉眼已發(fā)現(xiàn)高架橋出現(xiàn)裂縫，也很難反饋到維保部門，即便反饋到維保部門也不一定看懂，看明白了也不知如何加固等；
7、8、9等問題就不一一列出了。總之，可以確定的是某高架橋段可能在某個(gè)時(shí)刻垮塌了。后期如有時(shí)間，筆者可以建立此橋的簡易版數(shù)字孿生模型。
又說“軟傷”補(bǔ)：高架橋段的“軟傷”問題其實(shí)就是力學(xué)、熱學(xué)等CAE技術(shù)方面的物理場建模問題，也是CAE技術(shù)中的載荷追蹤等工況問題，同樣是數(shù)字孿生中的“A技術(shù)”與“C技術(shù)”反饋問題。這些問題其實(shí)可以解決，以下說明高架橋段物理場建模問題的可行性，當(dāng)然只說明部分問題，實(shí)際問題還是有些太復(fù)雜，篇幅不夠啊。
CAE建模要點(diǎn)
高架橋段主要包括橋面，其實(shí)也包括了橋柱、地基等部分，還包括橋面上的人和車輛等。如果都按照實(shí)際情況建立物理模型，那數(shù)字孿生能解決問題就是在吹牛了，因?yàn)榧幢闶怯辛肆孔佑?jì)算機(jī)，也不可能把所有內(nèi)容都算出來。上面已經(jīng)提到的人、車、橋面、橋柱、地基等現(xiàn)實(shí)情況，可以通過CAE技術(shù)來實(shí)現(xiàn)物理建模，沒有提到的組成部分其實(shí)也可以CAE建模，這些其他部分從技術(shù)的角度來看無外乎是量的問題，與本質(zhì)關(guān)系不大，所以不展開描述。
某垮塌的高架橋段
怎樣利用CAE技術(shù)來對(duì)高架橋段進(jìn)行物理現(xiàn)實(shí)的CAE建模呢？
先說點(diǎn)、線、面、體四類CAD模型要素，因?yàn)檫@些要素是建立任何CAD模型的基礎(chǔ)，而CAD模型又是CAE模型的基礎(chǔ)，CAD模型大家見的多了。但是這里說的點(diǎn)線面體，不能僅僅是CAD中的點(diǎn)線面體，因?yàn)镃AD中的四要素一般用于計(jì)算產(chǎn)品的長度、面積、體積、重量等幾何與物理量信息，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到CAE中要求的點(diǎn)線面體四要素。CAE中模型四要素是點(diǎn)元、線元、面元以及體元，看起來和CAD類似，其實(shí)有本質(zhì)區(qū)別，甚至樣貌都不一樣，或則和說不知其樣貌如何，具體的不同之處這里不做深入闡述，我們只需要知道：需要建立高架橋段的點(diǎn)元、體元、面元、體元及其結(jié)合體才能形成CAE模型的基礎(chǔ)內(nèi)容就行了。
以上提到的人、車、橋面、橋柱、地基等5大實(shí)體模型，該怎樣建立其點(diǎn)元、線元、面元以及體元呢？如果是CAD建模，那是很干脆并且相對(duì)容易的，所見即所得，橋面上的人只需要建立人的3D模型，所以男人是男人、女人是女人，胖瘦不一等等。但是CAE不一樣，我們建模時(shí)需要考慮人對(duì)路面的影響，以及路面對(duì)人的影響，所以有時(shí)候人可以建立一個(gè)點(diǎn)元--質(zhì)量點(diǎn)—反應(yīng)人的重量；有時(shí)候人可以建立一個(gè)面元--承力面—反應(yīng)人對(duì)腳低區(qū)域的壓力。因此，人該建立哪一種CAE模型，需要考慮其應(yīng)用背景，當(dāng)然也可以把各種情況建立出來，然后在不同場景下使用，不過花費(fèi)的時(shí)間太長--“黃花菜都涼了”。
按照工程思想，建立CAE模型都是按照難易程度做的，以下分別說明5大實(shí)體模型的CAE建模內(nèi)容：
人的CAE物理模型：由于當(dāng)前高架橋的人，主要是考慮其對(duì)高架橋的表面壓力，所以一般情況只需要建立點(diǎn)元即可，并明確不同人的重量以及重心。由于人的體重一般只有75kg左右，相比高架橋動(dòng)輒百噸來說，還是比較小，所以人用質(zhì)量點(diǎn)來代替的誤差在幾公斤范圍內(nèi)是可以接受的，總不能是在橋上落了一片羽毛也考慮吧。
車的CAE物理模型：車和人類似，但是其稍微復(fù)雜，所以車可以是點(diǎn)元的擴(kuò)充，比如可以把車的大體輪廓以及與路面接觸的輪胎著力點(diǎn)做出來，這樣車的模型就可以是點(diǎn)元與面元的綜合。
橋面的CAE物理模型：橋面是核心，點(diǎn)元估計(jì)是不行的。橋面應(yīng)該建立什么模型呢？至少需要線元和面元，還包括局部的體元。需要線元是因?yàn)槠溆?jì)算量少可以快速評(píng)估其承載變形，需要面元是因?yàn)槠溆?jì)算量適中可以快速評(píng)估一定的強(qiáng)度分布，需要體元是因?yàn)槠渚植繀^(qū)域的強(qiáng)度、損傷、疲勞以及斷裂情況需要關(guān)注。當(dāng)然具體應(yīng)該建立哪一種CAE模型，還需要進(jìn)一步確認(rèn)，也就是說橋面的建模會(huì)是線元、面元以及體元的結(jié)合體。
橋柱的CAE物理模型：橋柱與橋面的情況差不多，當(dāng)然在某些情況下，橋柱的模型可能為0，因?yàn)槠淇赏ㄟ^CAE中的載荷工況條件來代替，也就是行業(yè)內(nèi)常說的橋柱對(duì)橋面的支撐效果，估計(jì)傻了吧，橋柱可以不建模。
地基的CAE物理模型：地基與橋柱的CAE物理模型情況幾乎一樣。
CAE技術(shù)的三大要素
5大實(shí)體模型按照以上思路建模，基本上就把物理模型描述清楚了，再進(jìn)步處理各自的力學(xué)連接關(guān)系，就可以用于實(shí)際計(jì)算了?？紤]到高架橋段交付前后的差異，以及在實(shí)際使用過程中的變化，還需要對(duì)5大實(shí)體模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過數(shù)據(jù)變量接收各種載荷信息并重新計(jì)算、重新構(gòu)型以及實(shí)時(shí)演變，這些情況是可以實(shí)現(xiàn)的，本文不詳細(xì)描述。
CAE物理模型的創(chuàng)建過程盡管看起來比較抽象，但是對(duì)于一線CAE工程師而言，并不是遙不可及的，都是每天實(shí)實(shí)在在解決的問題。我們需要的只是沉下心來一一完成各種技術(shù)細(xì)節(jié)以及內(nèi)容而已。
對(duì)于完整的數(shù)字孿生來說，完成5大實(shí)體模型的CAE物理基礎(chǔ)建模，只是完成了上文提到的“B技術(shù)”中的一個(gè)環(huán)節(jié)，其他“B技術(shù)”也可以按照以上CAE技術(shù)思路進(jìn)行把脈，比如模型連接問題、靜動(dòng)力學(xué)雙重計(jì)算的載荷傳遞問題、流體與固體力學(xué)計(jì)算的耦合場問題、核心結(jié)果數(shù)據(jù)的提取與后處理問題等，此處同樣不再詳細(xì)描述。數(shù)字孿生中的“A技術(shù)”與“C技術(shù)”也是需要考慮的，如果“B技術(shù)”已經(jīng)完成各種建設(shè)工作，只需要傳遞與接受其他兩種技術(shù)的信息就行，當(dāng)然其他兩種技術(shù)對(duì)“B技術(shù)”會(huì)有一定影響，那就再次完善“B技術(shù)”。
總結(jié)
通過以上說明，可以看出數(shù)字孿生技術(shù)是可行的，最不濟(jì)也是具有了可行的基礎(chǔ)。假設(shè)3D模型重構(gòu)與顯示技術(shù)以及模型數(shù)據(jù)傳感與傳遞技術(shù)沒有大的障礙（事實(shí)上確實(shí)有各種應(yīng)用場景了），數(shù)字孿生技術(shù)的難點(diǎn)就是3D模型的仿真驗(yàn)證問題，而仿真驗(yàn)證的難點(diǎn)就是CAE技術(shù)的應(yīng)用問題，盡管CAE技術(shù)還不完善，但是卻可以實(shí)現(xiàn)多種計(jì)算，像本文提到的高架橋段問題，幾乎可以完全實(shí)現(xiàn)其數(shù)字孿生體的建立，在數(shù)字孿生體的信息反饋下就可以確保人類的生命安全。
未來的數(shù)字孿生體
就像大佬們所說：未來的產(chǎn)品交付，一定是現(xiàn)實(shí)模型與虛擬模型的雙重交付，讓數(shù)字孿生中的“老二”為“老大”提供全面保障，確保“老大”在生死周期內(nèi)減少對(duì)人類的傷害，最大可能地服務(wù)于人類生活。大家一起努力吧！
