科普之窗

数字孪生:虚拟的?真实的!

冯杰

2023-07-13 02:55

陶 飞 刘庭煜 胡天亮
光明日报( 2023年07月13日 16版)

提到“孪生”,人们会不约而同地想到双胞胎,但加上“数字”,该如何理解?实际上,数字孪生不仅出现在科幻作品《三体》和《钢铁侠》中,在神舟十六号载人飞船任务、天宫一号任务中也发挥了重要作用。未来,数字孪生还将在航天、船舶、飞机、医疗、智慧城市等领域得到更多应用,大幅度减少人类的脑力和体力劳动强度,显著提高生产安全性和效率。

从科幻作品中理解数字孪生

什么是数字孪生呢?或许,我们能从科幻作品中通俗地理解这个概念。

科幻著作《三体》就很好地解释了数字孪生。这部小说中存在着一个“三体游戏”,该游戏利用数字空间重现了三体星球的实际环境,也复刻了真实三体星球的物理属性。这样一个虚拟的游戏世界即可看作三体星球的数字孪生模型。

主角汪淼可以通过穿戴人机交互设备连接并进入虚拟的三体星球空间,在游戏世界中创建自己的数字镜像。该数字镜像拥有与汪淼完全相同的外形、行为和感知能力,而且两者的状态是实时互通的。也就是说,游戏中数字镜像所遭受的寒冷、疼痛和劳累等感觉,也会实时传递到汪淼本人身上。这样,汪淼可以通过游戏中的数字镜像,感同身受地行走在三体星球,“亲临”乱纪元的混沌、压迫和危险。他也可以“亲自”与游戏中的知名人物的数字镜像互动,例如随同周文王觐见纣王,奉上一本“万年历”,或是与墨子、哥白尼、伽利略当面交流关于恒纪元、乱纪元的太阳运行模型等。

此外,在三体世界的数字孪生模型中所做的选择,都可能触发这个世界的未来走向。在游戏世界中所发生的一切,都遵循于现实世界,可在其中对未来进行推演。

科幻电影《钢铁侠》中也有数字孪生的身影。主人公托尼·斯塔克利用先进技术为自己量身打造了一个钢铁战甲,搭载了微型核电站和各种先进武器,以及智能系统“贾维斯”。“贾维斯”内置了钢铁战甲的数字化虚拟模型,能追踪钢铁战甲的状态,并进行可视化,供托尼了解钢铁战甲的情况,作出作战决策。“贾维斯”还能提供目标瞄准、信息追踪、能源预警等战斗辅助功能。

《钢铁侠》中的钢铁战甲和“贾维斯”具备了一个数字孪生系统的五大核心要素。钢铁战甲是物理实体,“贾维斯”内置的战甲模型则是对应的虚拟实体,通常称之为“数字孪生模型”或“数字孪生体”。钢铁战甲的损坏程度、飞行速度、能源剩余量等数据,统称为孪生数据。“贾维斯”对数据进行分析、处理和挖掘,提供战斗建议、飞行轨迹规划、能源预警等战斗辅助服务,这些服务功能以决策数据、图表、分析曲线等形式呈现,可以称之为“服务”或“应用”。

载人航天让数字孪生走进公众视野

2023年5月30日,搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空。随后,神舟十六号载人飞船与火箭成功分离,经过五次变轨后,按照预定程序与空间站组合体进行自主快速交会对接。

此前,我国在太空进行的航天器交会对接,大多是在水平方向。本次任务是空间站三舱“T”字构型下实施的首次径向交会对接,存在较大的偏心,是一个全新的挑战。为了确保神舟十六号载人飞船与空间组合体的精确对接,需要准确掌握飞船的实时状态信息,以支持突发情况的快速决策。在此过程中,基于数字孪生的三维实时可视化技术发挥了关键性作用。

通过飞船上的传感器数据,构建飞船的虚拟数字模型,实时精准呈现飞船运行轨道、位置、姿态以及载荷等信息。此外,该项技术还能够提供覆盖地面、太空、观测站、飞行器的逼真空间环境和实时任务状态,为地面测控人员的精准控制和决策提供高效直观的数据支撑,为任务的圆满成功起到关键作用。

在神舟十六号载人飞行任务中,航天器的物理实体、可视化模型和相关的计算机系统,以及持续通畅的通信数据流构成了一套完整的数字孪生系统。

实际上,数字孪生的概念就是在航空航天任务中诞生的。1970年4月13日,在美国阿波罗13号登月飞船起飞56小时后,处于尾部的服务舱氧气罐发生爆炸。此时,必须让服务舱中的发动机开机,飞船才有机会返回地球。然而,在这种情况下,谁也不知道发动机开机会不会引发更大的灾难。那么,地面指挥中心该如何摸清一个远在30万公里外并且已经损坏的飞船的状况呢?又怎样远程指导航天员们一步步排除故障呢?

好在美国航空航天局拥有飞船的地面仿真模拟模型。地面人员依据通信信息调整地面模拟器环境参数以匹配阿波罗13号的实际受损情况,在地面模型上尝试解决方案并发送安全操作指令,最终引导航天员们安全返回地球。

在阿波罗计划中,这些高保真的模拟器和相关的计算机系统,以及持续通畅的通信数据流构成了一套初步的阿波罗13号地面孪生模型。在此基础上,美国航空航天局不断完善并于20世纪末正式提出“数字孪生”的概念,将其定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。

软件平台是数字孪生“落地”的关键

经过近几年的快速发展,数字孪生已深入渗透到全球数字经济各个领域,成为人类构筑数字空间,并借以改造现实世界的变革性模式。

在我国,数字孪生也得到了快速发展。2017年,笔者团队在国际上发表了首篇数字孪生车间文章,联合多个高校和科研机构提出了数字孪生五维模型、数字孪生模型构建理论、数字孪生标准体系、数字孪生成熟度等一系列研究成果,结合工业应用需求,探索了数字孪生五维模型在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、飞机、能源、制造车间、复杂装备、医疗、智慧城市等十多个领域的应用。这些成果形成了一定国际影响,并增加了我国在该领域的话语权——2021年我国创办了Digital Twin国际学术期刊。

然而,数字孪生技术的落地离不开数字孪生工业软件平台。随着持续不断增长的数字孪生技术的研究、应用、开发和管理需求,数字孪生工业软件的研发和推广势在必行。可惜的是,当前软件统一参考架构的缺位阻碍了数字孪生理论在研究和工业应用的进一步发展。

为此,“十三五”期间,我国在国家重点研发计划“网络协同制造与智能工厂”重点专项中,部署了重点科研任务——基于数字孪生的智能生产过程精确建模理论与方法,旨在探索数字孪生模型构建理论体系、数字孪生生产线状态感知工具、数字孪生模型无损降阶方法、数字孪生工业软件研发等问题。

笔者团队联合山东大学、东南大学、西安交通大学、东华大学、北京工业大学、武汉科技大学等国内知名高校教授团队,共同提出并设计了一个数字孪生工业软件平台的参考架构——makeTwin,尝试给出数字孪生工业软件发展的中国思路和参考架构。

在整体架构设计上,makeTwin参考架构综合考虑了软件平台的开放性、兼容性、互操作性、可用性和可扩展性,以全方位地服务学术研究人员、开发人员和企业等。在核心功能设计上,makeTwin基于数字孪生工业软件的七大需求定义了十大功能、基本工作流程和核心功能交互等机制。它可以实现包括数字孪生模型创建与集成、孪生数据处理器、算法生成适配器、数实loT连接器、虚实交互配置器、孪生仿真求解器、多维可视化工具、孪生基础库、场景应用模板集、孪生应用部署器等十大功能。

目前makeTwin的参考架构尚需进一步丰富和完善。研发团队计划在今年下半年推出《数字孪生工业软件白皮书》,尝试为全球提供来自中国的数字孪生工业软件参考架构,以更好地引导数字孪生工业软件可持续优质发展。

未来可期的数字孪生

现在,数字孪生可是“香饽饽”,它不仅是理论研究的热点,也具备深刻长远的应用前景,其在智慧城市和智能制造领域的应用已与生产生活息息相关。解决了数字孪生工业软件平台问题后,数字孪生将在现实生活中有更多应用。

比如,数字孪生城市是数字孪生的重要应用之一。数字化将会彻底落实到城市的交通、医疗、教育等方方面面,使人们的生活更加方便、智能。

以道路交通为例,交通拥堵和交通事故都是人们在出行时不希望发生的事。如果将数字孪生应用于所有的交通工具,建立对应的数字孪生模型,让驾驶员能够实时掌握车辆的状态和位置信息,再基于大量行驶数据和检修数据,便可以预测车辆在何时何处可能发生故障,通过提前保养来避免半路抛锚等问题。同时,道路交通管理的信息中心还能分析相邻区域内的车辆数据,为每辆汽车提供自动驾驶服务,进而可以基于多车同步启停服务避免拥堵,基于避让行人和避让车辆服务避免交通事故。

再比如,数字孪生车间是一种未来车间运行新模式,对实现工业4.0、工业互联网、“互联网+制造”、面向服务的制造等先进制造模式具有重大的潜在推动作用。

在数字孪生车间中,实际生产车间与其数字孪生模型利用工业数据总线进行连接,车间的管理者可以在全世界任何一个地方,通过电脑里的车间数字孪生模型掌握实体车间当前的加工任务、加工设备的运转状态、产品的合格率等信息,巡检工人可以头戴虚拟现实头盔,在办公室里身临其境地排查设备故障。此外,伴随着人工智能技术的发展,通过分析车间数字孪生模型所具备的制造数据,可以推算出最优的生产调度方案,并对实际车间内的设备进行控制。这不仅能大幅减少人类的脑力和体力劳动强度,还能显著提高生产安全性和效率。

数字孪生,未来可期!

(作者:陶飞,系北京航空航天大学国际交叉科学研究院常务副院长、国家智能制造专家委员会委员;刘庭煜,系东南大学机械工程学院副教授;胡天亮,系山东大学机械工程学院教授)


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2023-07-13 10:55
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