數(shù)字孿生助力制造領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展

劉 秀，趙東興，陳 定

（1.中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院戰(zhàn)略研究所，北京 100048；2.北京無線電測量研究所，北京 100854）

1 概念內(nèi)涵

數(shù)字孿生最早的概念模型由當(dāng)時的PLM咨詢顧問Michael Griewes博士于2002年在美國工程協(xié)會管理論壇上提出。從2009年美國空軍實驗室首次提出“機身數(shù)字孿生”概念至今，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對數(shù)字孿生的定義達到幾十種，大部分工業(yè)巨頭、咨詢機構(gòu)和IT廠商都結(jié)合自身業(yè)務(wù)提出了數(shù)字孿生定義或相關(guān)解決方案。

NASA在2010年提出，數(shù)字孿生是一個集成了多物理場、多尺寸和概率仿真的數(shù)字飛行器（或系統(tǒng)），它可以通過逼真物理模型、實時傳感器和服役歷史來反映真實飛行器的實際狀況。2013年，美國空軍提出，數(shù)字孿生是系統(tǒng)的虛擬表達，作為實際運行的單個系統(tǒng)實例在整個生命周期中應(yīng)用的數(shù)據(jù)、模型和分析工具的集成系統(tǒng)。此外，德勤、西門子、GE、IBM等公司和智庫機構(gòu)也對數(shù)字孿生作出了相關(guān)解釋和定義。2019年ISO面向制造的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架標(biāo)準(zhǔn)草案給出了更普適的定義，即數(shù)字孿生是現(xiàn)實事物（或過程）具有特定目的數(shù)字化表達，并通過適當(dāng)頻率的同步使物理實例與數(shù)字實例之間趨向一致。

綜合而言，數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態(tài)呈現(xiàn)。從根本上講，仿真是數(shù)字孿生實現(xiàn)的基礎(chǔ)，利用仿真技術(shù)可以在虛擬世界中建立物理系統(tǒng)的映射，以展示產(chǎn)品的性能或制造過程，模擬物理實體的全生命周期。數(shù)字孿生代表了最新的仿真技術(shù)，數(shù)字孿生的實現(xiàn)對仿真行業(yè)提出了更高的要求。

美國咨詢公司德勤2021制造業(yè)四大趨勢預(yù)測中提出，數(shù)字孿生將成為技術(shù)重點。此前，2017—2019年，數(shù)字孿生技術(shù)連續(xù)三年入選Gartner十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢。數(shù)字孿生技術(shù)被認為將成為第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，將貫穿城市化、全球化和工業(yè)化的各個方面，并逐步成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型和信息化發(fā)展的重要方向。數(shù)字孿生應(yīng)用示例如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生應(yīng)用示例

2 國外制造領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字孿生技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、產(chǎn)品制造、運維服務(wù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，世界主要國家大力推進數(shù)字孿生技術(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，并取得了重大突破。

2.1 優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計過程，提高研發(fā)效率

美國海軍、洛馬公司等企業(yè)推動數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，完成重要部件數(shù)字孿生體的構(gòu)建，在制造前進行虛擬測試，以提高效率并降低制造風(fēng)險。2020-10，美太空軍計劃采用數(shù)字孿生方法開發(fā)衛(wèi)星，軍事采辦方與承包商將在虛擬云網(wǎng)絡(luò)中合作，將每件設(shè)備建立數(shù)字模型，用于整個研發(fā)生命周期，以提升開發(fā)效率。2020-09，法國EDF集團、法馬通公司、法國替代能源和原子能委員會以及來自學(xué)術(shù)界核法國核能部門的機構(gòu)，啟動了數(shù)字反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)項目，將為法國所有核反應(yīng)堆機組建立數(shù)字孿生體，通過數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新研究方法，為新一代操作人員提供訓(xùn)練和研究模型。2019-12，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機公司（UEC）旗下子公司克里莫夫公司完成TV7-117ST-01發(fā)動機數(shù)字孿生項目第一階段，在該框架內(nèi)，發(fā)動機的虛擬測試臺被集成到專家系統(tǒng)中?；谠摷夹g(shù)，未來可將發(fā)動機單個零件質(zhì)量最低減少50%，同時保證了強度和耐用性。

2.2 改進產(chǎn)品生產(chǎn)制造流程，提升質(zhì)量管控

數(shù)字孿生技術(shù)通過與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等發(fā)生多級互聯(lián)，與人工智能、機器學(xué)習(xí)、高性能計算等信息技術(shù)進行協(xié)同，在復(fù)雜動態(tài)空間的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品生產(chǎn)監(jiān)督和質(zhì)量管理等方面均發(fā)揮了重要作用。2021-03，美國報道其海上系統(tǒng)司令部利用數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化四家國有造船廠的廠區(qū)配置方案，提高生產(chǎn)效率。數(shù)字孿生技術(shù)作為基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化計劃（SIOP）的第一步，珍珠港海軍造船廠已于2020年底完成數(shù)字孿生搭建，普吉特灣海軍造船廠現(xiàn)已建立基準(zhǔn)模型。該項目將使工程師借助建模和仿真，為船廠確定理想的廠區(qū)配置方案、更換老化的固定設(shè)備、重塑作業(yè)流程等。

2.3 提供服務(wù)狀態(tài)實時反饋，支撐性能改進

數(shù)字孿生技術(shù)可在產(chǎn)品狀態(tài)跟蹤監(jiān)控、故障預(yù)警和定位分析等方面提供支持。比較典型的代表有波音公司與美國空軍合作構(gòu)建的F-15C戰(zhàn)斗機機體的數(shù)字孿生模型，可用于管理機體殘余應(yīng)力、幾何結(jié)構(gòu)、有效載荷、材料微結(jié)構(gòu)等，進而預(yù)測結(jié)構(gòu)組件的使用壽命，據(jù)此調(diào)整結(jié)構(gòu)組件檢修、替換周期。2019-01，德國漢莎技術(shù)公司已實時監(jiān)控飛機飛行各階段發(fā)動機運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)字孿生技術(shù)，開展了發(fā)動機性能監(jiān)控和預(yù)測性維護，顯著提高了產(chǎn)品運行的可靠性，可有效避免飛行事故的發(fā)生。

2.4 升級數(shù)字化演示與驗證，降低研制成本

美軍在國防領(lǐng)域不斷推進數(shù)字化建設(shè)，強調(diào)利用武器、傳感器和分析工具的網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)勢對部隊進行改革。2021-03，美空軍實驗室宣布“金帳汗國”項目將開發(fā)的“羅馬競技場”數(shù)字孿生武器生態(tài)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)、優(yōu)化、減少物理試驗，降低裝備研制成本，提升裝備戰(zhàn)技指標(biāo)，用于驗證完善新興作戰(zhàn)概念，塑造未來作戰(zhàn)樣式。美國海軍項目執(zhí)行辦公室綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)部門已制定了“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生計劃，將其數(shù)字孿生系統(tǒng)充當(dāng)虛擬試驗臺。2019-06，美國利用數(shù)字孿生技術(shù)，針對導(dǎo)彈驅(qū)逐艦（DDG 116）構(gòu)建了衍生“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)，演示了“標(biāo)準(zhǔn)”-2導(dǎo)彈攔截目標(biāo)的能力。

3 分析與啟示

數(shù)字孿生作為一項新興前沿科技，對制造領(lǐng)域發(fā)展的顛覆性影響正在逐步顯現(xiàn)。面對當(dāng)前形勢，應(yīng)進一步加強整體規(guī)劃布局，突破關(guān)鍵技術(shù)，推進數(shù)字孿生技術(shù)的深入應(yīng)用。

3.1 數(shù)字孿生技術(shù)將加速制造領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AI人工智能等新一代工業(yè)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為世界主要國家推動創(chuàng)新進程的有效途徑。數(shù)字孿生作為一種重要技術(shù)，為實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了有力支撐。美國國防部大力推進以數(shù)字孿生為核心元素的數(shù)字工程戰(zhàn)略，旨在通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型奪得技術(shù)優(yōu)勢，占領(lǐng)戰(zhàn)略制高點。應(yīng)加強頂層規(guī)劃及戰(zhàn)略的制定，建立數(shù)字化轉(zhuǎn)型路線圖，合理布局?jǐn)?shù)字孿生在技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、配套等各個方面的發(fā)展結(jié)構(gòu)，推動制造領(lǐng)域的信息化建設(shè)和發(fā)展。

3.2 數(shù)字孿生技術(shù)將促進產(chǎn)品制造智能化發(fā)展

數(shù)字孿生的出現(xiàn)和發(fā)展將對產(chǎn)品制造過程的智能化和產(chǎn)品本身的智能化有著巨大的推動作用。通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建出產(chǎn)品的數(shù)字模型，借助其與外界的數(shù)據(jù)交互，模擬出產(chǎn)品在各種現(xiàn)實環(huán)境下的狀態(tài)和功能，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，就能為產(chǎn)品在全壽命周期的各個環(huán)節(jié)提供最佳方案，從而為產(chǎn)品的使用、維護人員提供實時可靠的信息支持。應(yīng)加強系統(tǒng)工程建設(shè)，強化技術(shù)轉(zhuǎn)化機制，加速數(shù)字孿生的產(chǎn)業(yè)化進程，以推動產(chǎn)品制造的智能化發(fā)展。

3.3 數(shù)字孿生技術(shù)將推動先進仿真技術(shù)的發(fā)展

仿真是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生依賴于多樣的仿真手段而實現(xiàn)，代表了最新的仿真技術(shù)。數(shù)字孿生在產(chǎn)品制造領(lǐng)域的應(yīng)用將進一步推動仿真技術(shù)的發(fā)展。美、俄、歐等主要國家和地區(qū)前期在仿真技術(shù)領(lǐng)域進行了大量的探索，部分項目成果已應(yīng)用于裝備研發(fā)制造。為應(yīng)對新環(huán)境下的發(fā)展需求，應(yīng)不斷強化數(shù)字孿生基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)和集成工作，加快關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，支撐相關(guān)項目的立項和實施，加速數(shù)字孿生技術(shù)的推廣應(yīng)用，對加速制造業(yè)信息化轉(zhuǎn)型和支撐國防建設(shè)具有重要意義。