提到“孿生”，人們會不約而同地想到雙胞胎，但加上“數(shù)字”，該如何理解？實際上，數(shù)字孿生不僅出現(xiàn)在科幻作品《三體》和《鋼鐵俠》中，在神舟十六號載人飛船任務(wù)、天宮一號任務(wù)中也發(fā)揮了重要作用。未來，數(shù)字孿生還將在航天、船舶、飛機、醫(yī)療、智慧城市等領(lǐng)域得到更多應(yīng)用，大幅度減少人類的腦力和體力勞動強度，顯著提高生產(chǎn)安全性和效率。

從科幻作品中理解數(shù)字孿生

什么是數(shù)字孿生呢？或許，我們能從科幻作品中通俗地理解這個概念。

科幻著作《三體》就很好地解釋了數(shù)字孿生。這部小說中存在著一個“三體游戲”，該游戲利用數(shù)字空間重現(xiàn)了三體星球的實際環(huán)境，也復刻了真實三體星球的物理屬性。這樣一個虛擬的游戲世界即可看作三體星球的數(shù)字孿生模型。

主角汪淼可以通過穿戴人機交互設(shè)備連接并進入虛擬的三體星球空間，在游戲世界中創(chuàng)建自己的數(shù)字鏡像。該數(shù)字鏡像擁有與汪淼完全相同的外形、行為和感知能力，而且兩者的狀態(tài)是實時互通的。也就是說，游戲中數(shù)字鏡像所遭受的寒冷、疼痛和勞累等感覺，也會實時傳遞到汪淼本人身上。這樣，汪淼可以通過游戲中的數(shù)字鏡像，感同身受地行走在三體星球，“親臨”亂紀元的混沌、壓迫和危險。他也可以“親自”與游戲中的知名人物的數(shù)字鏡像互動，例如隨同周文王覲見紂王，奉上一本“萬年歷”，或是與墨子、哥白尼、伽利略當面交流關(guān)于恒紀元、亂紀元的太陽運行模型等。

此外，在三體世界的數(shù)字孿生模型中所做的選擇，都可能觸發(fā)這個世界的未來走向。在游戲世界中所發(fā)生的一切，都遵循于現(xiàn)實世界，可在其中對未來進行推演。

科幻電影《鋼鐵俠》中也有數(shù)字孿生的身影。主人公托尼·斯塔克利用先進技術(shù)為自己量身打造了一個鋼鐵戰(zhàn)甲，搭載了微型核電站和各種先進武器，以及智能系統(tǒng)“賈維斯”。“賈維斯”內(nèi)置了鋼鐵戰(zhàn)甲的數(shù)字化虛擬模型，能追蹤鋼鐵戰(zhàn)甲的狀態(tài)，并進行可視化，供托尼了解鋼鐵戰(zhàn)甲的情況，作出作戰(zhàn)決策。“賈維斯”還能提供目標瞄準、信息追蹤、能源預警等戰(zhàn)斗輔助功能。

《鋼鐵俠》中的鋼鐵戰(zhàn)甲和“賈維斯”具備了一個數(shù)字孿生系統(tǒng)的五大核心要素。鋼鐵戰(zhàn)甲是物理實體，“賈維斯”內(nèi)置的戰(zhàn)甲模型則是對應(yīng)的虛擬實體，通常稱之為“數(shù)字孿生模型”或“數(shù)字孿生體”。鋼鐵戰(zhàn)甲的損壞程度、飛行速度、能源剩余量等數(shù)據(jù)，統(tǒng)稱為孿生數(shù)據(jù)。“賈維斯”對數(shù)據(jù)進行分析、處理和挖掘，提供戰(zhàn)斗建議、飛行軌跡規(guī)劃、能源預警等戰(zhàn)斗輔助服務(wù)，這些服務(wù)功能以決策數(shù)據(jù)、圖表、分析曲線等形式呈現(xiàn)，可以稱之為“服務(wù)”或“應(yīng)用”。

載人航天讓數(shù)字孿生走進公眾視野

2023年5月30日，搭載神舟十六號載人飛船的長征二號F遙十六運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。隨后，神舟十六號載人飛船與火箭成功分離，經(jīng)過五次變軌后，按照預定程序與空間站組合體進行自主快速交會對接。

此前，我國在太空進行的航天器交會對接，大多是在水平方向。本次任務(wù)是空間站三艙“T”字構(gòu)型下實施的首次徑向交會對接，存在較大的偏心，是一個全新的挑戰(zhàn)。為了確保神舟十六號載人飛船與空間組合體的精確對接，需要準確掌握飛船的實時狀態(tài)信息，以支持突發(fā)情況的快速決策。在此過程中，基于數(shù)字孿生的三維實時可視化技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

通過飛船上的傳感器數(shù)據(jù)，構(gòu)建飛船的虛擬數(shù)字模型，實時精準呈現(xiàn)飛船運行軌道、位置、姿態(tài)以及載荷等信息。此外，該項技術(shù)還能夠提供覆蓋地面、太空、觀測站、飛行器的逼真空間環(huán)境和實時任務(wù)狀態(tài)，為地面測控人員的精準控制和決策提供高效直觀的數(shù)據(jù)支撐，為任務(wù)的圓滿成功起到關(guān)鍵作用。

在神舟十六號載人飛行任務(wù)中，航天器的物理實體、可視化模型和相關(guān)的計算機系統(tǒng)，以及持續(xù)通暢的通信數(shù)據(jù)流構(gòu)成了一套完整的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

實際上，數(shù)字孿生的概念就是在航空航天任務(wù)中誕生的。1970年4月13日，在美國阿波羅13號登月飛船起飛56小時后，處于尾部的服務(wù)艙氧氣罐發(fā)生爆炸。此時，必須讓服務(wù)艙中的發(fā)動機開機，飛船才有機會返回地球。然而，在這種情況下，誰也不知道發(fā)動機開機會不會引發(fā)更大的災難。那么，地面指揮中心該如何摸清一個遠在30萬公里外并且已經(jīng)損壞的飛船的狀況呢？又怎樣遠程指導航天員們一步步排除故障呢？

好在美國航空航天局擁有飛船的地面仿真模擬模型。地面人員依據(jù)通信信息調(diào)整地面模擬器環(huán)境參數(shù)以匹配阿波羅13號的實際受損情況，在地面模型上嘗試解決方案并發(fā)送安全操作指令，最終引導航天員們安全返回地球。

在阿波羅計劃中，這些高保真的模擬器和相關(guān)的計算機系統(tǒng)，以及持續(xù)通暢的通信數(shù)據(jù)流構(gòu)成了一套初步的阿波羅13號地面孿生模型。在此基礎(chǔ)上，美國航空航天局不斷完善并于20世紀末正式提出“數(shù)字孿生”的概念，將其定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”。

軟件平臺是數(shù)字孿生“落地”的關(guān)鍵

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，數(shù)字孿生已深入滲透到全球數(shù)字經(jīng)濟各個領(lǐng)域，成為人類構(gòu)筑數(shù)字空間，并借以改造現(xiàn)實世界的變革性模式。

在我國，數(shù)字孿生也得到了快速發(fā)展。2017年，筆者團隊在國際上發(fā)表了首篇數(shù)字孿生車間文章，聯(lián)合多個高校和科研機構(gòu)提出了數(shù)字孿生五維模型、數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論、數(shù)字孿生標準體系、數(shù)字孿生成熟度等一系列研究成果，結(jié)合工業(yè)應(yīng)用需求，探索了數(shù)字孿生五維模型在衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、飛機、能源、制造車間、復雜裝備、醫(yī)療、智慧城市等十多個領(lǐng)域的應(yīng)用。這些成果形成了一定國際影響，并增加了我國在該領(lǐng)域的話語權(quán)——2021年我國創(chuàng)辦了DigitalTwin國際學術(shù)期刊。

然而，數(shù)字孿生技術(shù)的落地離不開數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺。隨著持續(xù)不斷增長的數(shù)字孿生技術(shù)的研究、應(yīng)用、開發(fā)和管理需求，數(shù)字孿生工業(yè)軟件的研發(fā)和推廣勢在必行?？上У氖牵斍败浖y(tǒng)一參考架構(gòu)的缺位阻礙了數(shù)字孿生理論在研究和工業(yè)應(yīng)用的進一步發(fā)展。

為此，“十三五”期間，我國在國家重點研發(fā)計劃“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造與智能工廠”重點專項中，部署了重點科研任務(wù)——基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)過程精確建模理論與方法，旨在探索數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論體系、數(shù)字孿生生產(chǎn)線狀態(tài)感知工具、數(shù)字孿生模型無損降階方法、數(shù)字孿生工業(yè)軟件研發(fā)等問題。

筆者團隊聯(lián)合山東大學、東南大學、西安交通大學、東華大學、北京工業(yè)大學、武漢科技大學等國內(nèi)知名高校教授團隊，共同提出并設(shè)計了一個數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺的參考架構(gòu)——makeTwin，嘗試給出數(shù)字孿生工業(yè)軟件發(fā)展的中國思路和參考架構(gòu)。

在整體架構(gòu)設(shè)計上，makeTwin參考架構(gòu)綜合考慮了軟件平臺的開放性、兼容性、互操作性、可用性和可擴展性，以全方位地服務(wù)學術(shù)研究人員、開發(fā)人員和企業(yè)等。在核心功能設(shè)計上，makeTwin基于數(shù)字孿生工業(yè)軟件的七大需求定義了十大功能、基本工作流程和核心功能交互等機制。它可以實現(xiàn)包括數(shù)字孿生模型創(chuàng)建與集成、孿生數(shù)據(jù)處理器、算法生成適配器、數(shù)實loT連接器、虛實交互配置器、孿生仿真求解器、多維可視化工具、孿生基礎(chǔ)庫、場景應(yīng)用模板集、孿生應(yīng)用部署器等十大功能。

目前makeTwin的參考架構(gòu)尚需進一步豐富和完善。研發(fā)團隊計劃在今年下半年推出《數(shù)字孿生工業(yè)軟件白皮書》，嘗試為全球提供來自中國的數(shù)字孿生工業(yè)軟件參考架構(gòu)，以更好地引導數(shù)字孿生工業(yè)軟件可持續(xù)優(yōu)質(zhì)發(fā)展。

未來可期的數(shù)字孿生

現(xiàn)在，數(shù)字孿生可是“香餑餑”，它不僅是理論研究的熱點，也具備深刻長遠的應(yīng)用前景，其在智慧城市和智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用已與生產(chǎn)生活息息相關(guān)。解決了數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺問題后，數(shù)字孿生將在現(xiàn)實生活中有更多應(yīng)用。

比如，數(shù)字孿生城市是數(shù)字孿生的重要應(yīng)用之一。數(shù)字化將會徹底落實到城市的交通、醫(yī)療、教育等方方面面，使人們的生活更加方便、智能。

以道路交通為例，交通擁堵和交通事故都是人們在出行時不希望發(fā)生的事。如果將數(shù)字孿生應(yīng)用于所有的交通工具，建立對應(yīng)的數(shù)字孿生模型，讓駕駛員能夠?qū)崟r掌握車輛的狀態(tài)和位置信息，再基于大量行駛數(shù)據(jù)和檢修數(shù)據(jù)，便可以預測車輛在何時何處可能發(fā)生故障，通過提前保養(yǎng)來避免半路拋錨等問題。同時，道路交通管理的信息中心還能分析相鄰區(qū)域內(nèi)的車輛數(shù)據(jù)，為每輛汽車提供自動駕駛服務(wù)，進而可以基于多車同步啟停服務(wù)避免擁堵，基于避讓行人和避讓車輛服務(wù)避免交通事故。

再比如，數(shù)字孿生車間是一種未來車間運行新模式，對實現(xiàn)工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”、面向服務(wù)的制造等先進制造模式具有重大的潛在推動作用。

在數(shù)字孿生車間中，實際生產(chǎn)車間與其數(shù)字孿生模型利用工業(yè)數(shù)據(jù)總線進行連接，車間的管理者可以在全世界任何一個地方，通過電腦里的車間數(shù)字孿生模型掌握實體車間當前的加工任務(wù)、加工設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)、產(chǎn)品的合格率等信息，巡檢工人可以頭戴虛擬現(xiàn)實頭盔，在辦公室里身臨其境地排查設(shè)備故障。此外，伴隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，通過分析車間數(shù)字孿生模型所具備的制造數(shù)據(jù)，可以推算出最優(yōu)的生產(chǎn)調(diào)度方案，并對實際車間內(nèi)的設(shè)備進行控制。這不僅能大幅減少人類的腦力和體力勞動強度，還能顯著提高生產(chǎn)安全性和效率。

數(shù)字孿生，未來可期！

（作者：陶 飛，系北京航空航天大學國際交叉科學研究院常務(wù)副院長、國家智能制造專家委員會委員；劉庭煜，系東南大學機械工程學院副教授；胡天亮，系山東大學機械工程學院教授）