“智慧”的數(shù)字孿生

編者按

本文原載于2020年6月的俄羅斯《工程師》雜志“成功階梯”欄目，作者B.賽勒布吉那。

現(xiàn)在，如果想要在最短的期限里，開發(fā)和生產(chǎn)出全球新一代定制產(chǎn)品，可以應(yīng)用數(shù)字虛擬未來工廠。它是一種綜合技術(shù)解決系統(tǒng)，擁有三合一形式的原則性方案，即“數(shù)字設(shè)計與建模、新材料和加性技術(shù)”。里面的驅(qū)動程序具有新的范式——先進(jìn)設(shè)計和制造導(dǎo)向的、數(shù)字孿生或大數(shù)據(jù)形成的數(shù)字設(shè)計與建模（擬合與優(yōu)化）。

數(shù)字設(shè)計與建模新范式的基礎(chǔ)，是應(yīng)用復(fù)雜的多懲戒數(shù)學(xué)模型，是具有高度現(xiàn)實(shí)的材料、充分的結(jié)構(gòu)（包括技術(shù)和生產(chǎn)）的數(shù)學(xué)物理過程。這些過程用數(shù)學(xué)物理方程書寫，占第一位的是3D瞬時的非線性偏微分方程。

這種數(shù)學(xué)模型（智慧模型），集成了所有應(yīng)用于設(shè)計、生產(chǎn)和運(yùn)營的知識，包括零件、產(chǎn)品、構(gòu)造、機(jī)器、安裝、技術(shù)或物理控制系統(tǒng)。它們是：

1.基本法則和學(xué)科：擺動、彈性、塑性等理論；破壞機(jī)理；復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)合成機(jī)理；接觸相互作用；機(jī)器的堅(jiān)固性；計算機(jī)制；水上航空學(xué)；熱量交換；電磁學(xué)；音響效果；技術(shù)設(shè)施等。

2.實(shí)際目標(biāo)與物理-數(shù)學(xué)過程全尺寸模型的幾何（CAD，計算機(jī)輔助設(shè)計）與自然因素計算（CAE，計算機(jī)輔助工程）。

3.制造零件材料的完整數(shù)據(jù)，包括材料在熱、電、磁等不同場的作用下，在快速變形、振動、沖擊、少量及頻繁裝載作用下的行為數(shù)據(jù)。

4.運(yùn)營規(guī)則的信息，包括正常運(yùn)營條件、違背正常運(yùn)營條件、應(yīng)急狀況等被稱作可編程行為。

5.生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)和從單個元件到整體結(jié)構(gòu)裝配的數(shù)據(jù)。

6.其它特性和參數(shù)。

所有這些知識集成是制造產(chǎn)品時必須的，但仍不是形成智慧模型的充分條件。更重要的是下面這些關(guān)鍵概念，如果沒有它們，智慧模型是不可能形成的。

1.定制：智慧模型是由國際一流技術(shù)形成的，數(shù)據(jù)必須能夠瞬時應(yīng)對顧客查詢，顧客自己就能通過操作解決工程技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。對顧客來說，采用什么樣的技術(shù)并不重要。

2.系統(tǒng)工程：每時每刻保持整個系統(tǒng)與所有交互構(gòu)件的監(jiān)測，以避免某個構(gòu)件發(fā)生特性改變導(dǎo)致其他構(gòu)件特性變差的情況。

3.目標(biāo)值和資源組織（時間、財務(wù)、技術(shù)、生產(chǎn)等）的多維度矩陣：以工程中心和計算力學(xué)實(shí)驗(yàn)室解決全球領(lǐng)袖級公司定單的復(fù)雜工業(yè)任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)。矩陣對產(chǎn)品總體、單獨(dú)構(gòu)件或零件、資源組織等，共包含數(shù)萬（4萬～6萬）個具體目標(biāo)值和要求。

4.智慧模型的驗(yàn)證：數(shù)字形態(tài)必須轉(zhuǎn)化為場景試驗(yàn)的結(jié)果，尤其對那些在前蘇聯(lián)時期就處于精密制造水平的產(chǎn)品。比如在航空領(lǐng)域，物理尤其是數(shù)學(xué)模型的潛能，往往基于大量構(gòu)造基礎(chǔ)，而且集成了前幾代工程師優(yōu)秀實(shí)踐獲得的經(jīng)驗(yàn)和知識。

5.數(shù)字驗(yàn)證：綜合了所有通過測評的場景、驗(yàn)證和其他試驗(yàn)的業(yè)務(wù)過程。在這個業(yè)務(wù)過程框架下開發(fā)產(chǎn)品，從開始到結(jié)束都是基于國際一流的技術(shù)、系統(tǒng)工程、多維度目標(biāo)值和資源組織矩陣、智慧模型的驗(yàn)證，還包括更重要的，對每一個構(gòu)件（節(jié)點(diǎn)、零件、機(jī)械、連接器等）、材料和系統(tǒng)，都完成了數(shù)以萬計的場景試驗(yàn)。這使得產(chǎn)品全生命周期的每一個細(xì)節(jié)都能得到管控。

以國家“車隊(duì)”計劃為例。出于對國家元首的出行和陪同安全考慮，在國內(nèi)優(yōu)質(zhì)品牌汽車（豪華轎車、轎車、亞軍和小巴）參數(shù)模型統(tǒng)一的平臺上制定計劃。前期負(fù)責(zé)的是國家科學(xué)中心，主要工作是提供設(shè)計和研發(fā)的數(shù)字化方案和技術(shù)方案，然后由生產(chǎn)部門制作全部4輛汽車的車身。2016年6月，根據(jù)歐洲“更好試驗(yàn)”規(guī)程，在柏林的一家試驗(yàn)場進(jìn)行了安全場景試驗(yàn)。轎車“車隊(duì)”第一次獲得最高的分?jǐn)?shù)——5顆星。這是對開發(fā)的車身智慧模型和汽車模擬真實(shí)場景運(yùn)行安全的確認(rèn)。

這項(xiàng)成果的獲得，依賴于開發(fā)時充分考慮了大量參數(shù)。顯然，汽車模擬了“更好試驗(yàn)”的動態(tài)過程，時長為200～250微秒。

為完成任務(wù)所作的數(shù)字集成步驟有一百萬次，一般集成的步驟數(shù)是20萬次。所有這些信息形成大數(shù)據(jù)智慧模型的輸入端，超過2×1012個參數(shù)。進(jìn)行虛擬試驗(yàn)讓我們在輸出端補(bǔ)充了“大塊頭”。在輸出端超級計算機(jī)對200微秒時長的過程建模，獲得超過1014個參數(shù)。在數(shù)千萬個節(jié)點(diǎn)上計算50個以上的參數(shù)，如位移、速度、加速度、形變、電壓等，總計獲得5×108個用以詳盡描繪智慧模型的曲線。

智慧模型展示的高性能，首先依靠自己的大數(shù)據(jù)輸入和輸出端，使得它能夠極大地“逼近”實(shí)際目標(biāo)，保證模擬試驗(yàn)與場景試驗(yàn)的差別在正負(fù)5%以內(nèi)。這種高性能模型，可被稱為數(shù)字孿生產(chǎn)品DT-1。結(jié)合特殊工藝制作的高性能智慧模型，比如智能鋰、智能沖壓、零件在工藝制作過程后的張力-變形、薄處、彎曲及其他狀態(tài)的預(yù)先計算，可被稱為數(shù)字孿生生產(chǎn)DT-2。聯(lián)合數(shù)字孿生產(chǎn)品DT-1與數(shù)字孿生生產(chǎn)DT-2，在統(tǒng)一的數(shù)字模型及數(shù)字驗(yàn)證基礎(chǔ)上完成數(shù)萬次虛擬試驗(yàn)后，就形成了數(shù)字孿生的最高水平SDT-1。

隨后在運(yùn)營階段，SDT-1在智慧模型基礎(chǔ)上通過工業(yè)技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)和診斷的幫助，獲取具體產(chǎn)品的操作信息，以“生成”智慧數(shù)字投影。來自運(yùn)營階段的補(bǔ)充信息提高了其充分性。它“訓(xùn)練”SDT-1，并使之將來在補(bǔ)充信息越來越充足的情況下，建立各種“意外”狀況的模型及相應(yīng)運(yùn)營規(guī)則，如評估可能損傷的程度或殘余資源的多少等。因此，借助多次依據(jù)SDT-1進(jìn)行的“數(shù)字驗(yàn)證”虛擬試驗(yàn)，在有了關(guān)鍵區(qū)域分布的清晰表述后，可考慮設(shè)置各類傳感器，如加速度計、應(yīng)變計以及溫度、壓力和速度傳感器等。實(shí)際上，這已經(jīng)是代替大數(shù)據(jù)而形成的智慧大數(shù)據(jù)——選擇最為必須的信息，因?yàn)榭梢詷O大地縮減傳感器數(shù)量和獲得的大數(shù)據(jù)容量。這些結(jié)果有助于加速數(shù)據(jù)開發(fā)和對SDT-1的必要修正，使其轉(zhuǎn)化為智慧數(shù)字孿生的第二水平SDT-2。

基于“數(shù)字驗(yàn)證”和智慧數(shù)字孿生（SDT-1、STD-2……）過程開發(fā)的新設(shè)計范式，以特殊的形式存在于智能大數(shù)據(jù)的輸入端和輸出端，集成形成于多懲戒/多刻度/……的計算建模，以及多種工藝優(yōu)化的應(yīng)用（多標(biāo)準(zhǔn)、多參數(shù)、多懲戒、拓?fù)洳季?、地形學(xué)、校準(zhǔn)、造型及其它）。

在工程中心和計算力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的所有數(shù)字設(shè)計和建模過程，包括在“數(shù)字驗(yàn)證”過程中形成的目標(biāo)值、資源組織的多維度矩陣、開發(fā)智能模型和數(shù)字孿生，都是在專業(yè)的CML（機(jī)器學(xué)習(xí)協(xié)會）的數(shù)字平臺“CML-臺階”上完成。它由計算力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，開發(fā)成本超過1000億美元，曾獲俄羅斯聯(lián)邦國家工業(yè)產(chǎn)業(yè)獎。它保證了開發(fā)過程基于所有國際先進(jìn)水平工藝情況下的極高程度自動化。為了設(shè)計過程同時滿足數(shù)萬個目標(biāo)值和資源組織的要求，采用特別開發(fā)的CML-專家智能系統(tǒng)。它實(shí)際上是在最復(fù)雜與最具創(chuàng)造性的設(shè)計過程的“智力支持”系統(tǒng)，以及有的放矢地應(yīng)用智慧的推手。