數(shù)字孿生體是一個(gè)開放的架構(gòu)，自誕生之日起，其內(nèi)涵和外延都在不斷演變進(jìn)化中。數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室北美分部主任段海波博士總結(jié)了數(shù)字孿生體的發(fā)展歷程，將其分為四個(gè)階段（圖1）：

(1) 1960-世紀(jì)之交，是數(shù)字孿生體的技術(shù)準(zhǔn)備期

主要是指CAD/CAE建模仿真、傳統(tǒng)系統(tǒng)工程等預(yù)先技術(shù)的準(zhǔn)備。結(jié)構(gòu)、流體等仿真軟件都誕生于這一時(shí)期，仿真技術(shù)的發(fā)展和普及為數(shù)字孿生體概念誕生孕育了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(2) 2002-2010，是數(shù)字孿生體的概念產(chǎn)生期

指數(shù)字孿生體模型的出現(xiàn)和英文術(shù)語名稱的確定。這段時(shí)間，預(yù)先技術(shù)繼續(xù)成熟，出現(xiàn)了仿真驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）等先進(jìn)設(shè)計(jì)范式。

(3) 2010-2020是數(shù)字孿生體的預(yù)先應(yīng)用期

主要指NASA、美軍方和GE等航空航天國防軍工機(jī)構(gòu)的領(lǐng)先應(yīng)用，其中NASA發(fā)布了包含數(shù)字孿生體的建模仿真、材料結(jié)構(gòu)兩份技術(shù)路線圖。

(4) 2020-未來，數(shù)字孿生體技術(shù)的深度開發(fā)和大規(guī)模擴(kuò)展應(yīng)用期

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圖1數(shù)字孿生體的發(fā)展的四個(gè)階段

數(shù)字孿生體的核心是由模型驅(qū)動(dòng)的，而常用的建模方法有兩大類（圖2），一類是第一性原理或稱為基于物理的方法（仿真即屬于這一類），另一類是基于數(shù)據(jù)的方法（例如深度學(xué)習(xí)和人工智能）。在應(yīng)用上，這兩種方法都能夠預(yù)測物理世界的未來狀態(tài)，起到“先知”的作用。區(qū)別是仿真是基于機(jī)理的，不受外在條件限制，而基于數(shù)據(jù)的方法則受到歷史數(shù)據(jù)多寡的限制，同時(shí)，如果要考慮的影響因素太多的話，現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)對(duì)未來的預(yù)測。

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圖2 數(shù)字孿生的建模方法第一性原理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（圖片來源于Mathworks）

因此，基于第一性原理對(duì)未來的預(yù)測，讓仿真天然就具有“先知”能力，這種能力則使得數(shù)字孿生體智能化。缺少“先知”能力的數(shù)字孿生體，僅能感知現(xiàn)在，成為現(xiàn)實(shí)世界的可視化虛體。

下面，我們用兩個(gè)例子來說明仿真在數(shù)字孿生體中的“先知”作用。

第一個(gè)例子

一臺(tái)運(yùn)行中的泵的數(shù)字孿生體

該案例利用ANSYS仿真平臺(tái)模擬泵的運(yùn)行過程，利用PTC ThingWorx^®物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將設(shè)傳感器和制動(dòng)器連接到數(shù)字孿生體。

在泵的入口和出口處配備壓力傳感器，泵和軸承箱上配備測量振動(dòng)的加速計(jì)，排出側(cè)配備流量計(jì)。致動(dòng)器控制排出閥，進(jìn)口側(cè)的閥門通過手動(dòng)控制。傳感器和致動(dòng)器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，該設(shè)備能以20KHz的頻率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，ThingWorx可作為傳感器與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（包括泵的仿真模型）之間的網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)監(jiān)控傳感器和其他設(shè)備，能自動(dòng)學(xué)習(xí)泵運(yùn)行時(shí)的正常狀態(tài)模式，鑒別異常運(yùn)行狀態(tài)，并生成洞察力信息和預(yù)測結(jié)果。

在測試中，操作人員如果把泵入口的電磁閥門關(guān)小，會(huì)監(jiān)測到振動(dòng)加速計(jì)數(shù)據(jù)超標(biāo)。通過ANSYS平臺(tái)的仿真結(jié)果，查看到泵的局部壓力過低，三維流場中發(fā)生汽蝕。如果不排除這一現(xiàn)象，泵的葉輪將在汽蝕條件下?lián)p壞。通過數(shù)字孿生體的仿真，模擬出增加上游閥門的合理開度值就可解決該問題。操作人員按此調(diào)節(jié)閥門，故障得到解除。

?圖3 ANSYS、PTC實(shí)施的泵的數(shù)字孿生體

第二個(gè)例子

1986年烏克蘭的切爾諾貝利核電站事故

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當(dāng)時(shí)造成了6-8萬人死亡（圖4）。事故原因目前還有兩種觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為是操作失誤（操作人員在定期維修和測試時(shí)，遇到功率下降太快的情況，而工程師選擇拆除反應(yīng)堆的部分控制桿來提升功率。這個(gè)決策，沒有歷史數(shù)據(jù)可以參考，工程師是憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)做出的決定。）另一種觀點(diǎn)認(rèn)為是設(shè)計(jì)缺陷。不管是哪一種原因，如果當(dāng)時(shí)有核電站的數(shù)字孿生體，完全可以先在數(shù)字孿生體里“試操作”，看看會(huì)發(fā)生什么，當(dāng)反應(yīng)堆的數(shù)字孿生體顯示危險(xiǎn)的后果時(shí)，可以調(diào)整控制策略以確保安全。利用數(shù)字孿生體的“先知”，很可能就避免了這場世紀(jì)大災(zāi)難的發(fā)生。

?圖4切爾諾貝利核事故的影響范圍

未來，更多具有“先知”的數(shù)字孿生體會(huì)一定出現(xiàn)在我們身邊，會(huì)護(hù)佑我們，實(shí)現(xiàn)人類文明的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)于安世亞太

安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)、6年的工業(yè)品先進(jìn)設(shè)計(jì)和增材制造經(jīng)驗(yàn)，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進(jìn)行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。