提到“孿生”，人們會(huì)不約而同地想到雙胞胎，但加上“數(shù)字”，該如何理解？實(shí)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(hào)載人飛船任務(wù)、天宮一號(hào)任務(wù)中也發(fā)揮了重要作用。未來(lái)，數(shù)字孿生還將在航天、船舶、飛機(jī)、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(dòng)強(qiáng)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(gè)概念。

科幻著作《三體》就很好地解釋了數(shù)字孿生。這部小說(shuō)中存在著一個(gè)“三體游戲”，該游戲利用數(shù)字空間重現(xiàn)了三體星球的實(shí)際環(huán)境，也復(fù)刻了真實(shí)三體星球的物理屬性。這樣一個(gè)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(guò)穿戴人機(jī)交互設(shè)備連接并進(jìn)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(shí)時(shí)互通的。也就是說(shuō)，游戲中數(shù)字鏡像所遭受的寒冷、疼痛和勞累等感覺(jué)，也會(huì)實(shí)時(shí)傳遞到汪淼本人身上。這樣，汪淼可以通過(guò)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(jì)元的混沌、壓迫和危險(xiǎn)。他也可以“親自”與游戲中的知名人物的數(shù)字鏡像互動(dòng)，例如隨同周文王覲見(jiàn)紂王，奉上一本“萬(wàn)年歷”，或是與墨子、哥白尼、伽利略當(dāng)面交流關(guān)于恒紀(jì)元、亂紀(jì)元的太陽(yáng)運(yùn)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(gè)世界的未來(lái)走向。在游戲世界中所發(fā)生的一切，都遵循于現(xiàn)實(shí)世界，可在其中對(duì)未來(lái)進(jìn)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(jìn)技術(shù)為自己量身打造了一個(gè)鋼鐵戰(zhàn)甲，搭載了微型核電站和各種先進(jìn)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(jìn)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(biāo)瞄準(zhǔn)、信息追蹤、能源預(yù)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(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的五大核心要素。鋼鐵戰(zhàn)甲是物理實(shí)體，“賈維斯”內(nèi)置的戰(zhàn)甲模型則是對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)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(jìn)公眾視野

2023年5月30日，搭載神舟十六號(hào)載人飛船的長(zhǎng)征二號(hào)F遙十六運(yùn)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(hào)載人飛船與火箭成功分離，經(jīng)過(guò)五次變軌后，按照預(yù)定程序與空間站組合體進(jìn)行自主快速交會(huì)對(duì)接。

此前，我國(guó)在太空進(jìn)行的航天器交會(huì)對(duì)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(shí)施的首次徑向交會(huì)對(duì)接，存在較大的偏心，是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。為了確保神舟十六號(hào)載人飛船與空間組合體的精確對(duì)接，需要準(zhǔn)確掌握飛船的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，以支持突發(fā)情況的快速?zèng)Q策。在此過(guò)程中，基于數(shù)字孿生的三維實(shí)時(shí)可視化技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

通過(guò)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(shí)時(shí)精準(zhǔn)呈現(xiàn)飛船運(yùn)行軌道、位置、姿態(tài)以及載荷等信息。此外，該項(xiàng)技術(shù)還能夠提供覆蓋地面、太空、觀測(cè)站、飛行器的逼真空間環(huán)境和實(shí)時(shí)任務(wù)狀態(tài)，為地面測(cè)控人員的精準(zhǔn)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(hào)載人飛行任務(wù)中，航天器的物理實(shí)體、可視化模型和相關(guān)的計(jì)算機(jī)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(shí)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(guó)阿波羅13號(hào)登月飛船起飛56小時(shí)后，處于尾部的服務(wù)艙氧氣罐發(fā)生爆炸。此時(shí)，必須讓服務(wù)艙中的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)機(jī)，飛船才有機(jī)會(huì)返回地球。然而，在這種情況下，誰(shuí)也不知道發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)機(jī)會(huì)不會(huì)引發(fā)更大的災(zāi)難。那么，地面指揮中心該如何摸清一個(gè)遠(yuǎn)在30萬(wàn)公里外并且已經(jīng)損壞的飛船的狀況呢？又怎樣遠(yuǎn)程指導(dǎo)航天員們一步步排除故障呢？

好在美國(guó)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(hào)的實(shí)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(dǎo)航天員們安全返回地球。

在阿波羅計(jì)劃中，這些高保真的模擬器和相關(guān)的計(jì)算機(jī)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(hào)地面孿生模型。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)航空航天局不斷完善并于20世紀(jì)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(guò)程”。

軟件平臺(tái)是數(shù)字孿生“落地”的關(guān)鍵

經(jīng)過(guò)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(jì)各個(gè)領(lǐng)域，成為人類構(gòu)筑數(shù)字空間，并借以改造現(xiàn)實(shí)世界的變革性模式。

在我國(guó)，數(shù)字孿生也得到了快速發(fā)展。2017年，筆者團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上發(fā)表了首篇數(shù)字孿生車(chē)間文章，聯(lián)合多個(gè)高校和科研機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(chē)輛、飛機(jī)、能源、制造車(chē)間、復(fù)雜裝備、醫(yī)療、智慧城市等十多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。這些成果形成了一定國(guó)際影響，并增加了我國(guó)在該領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)——2021年我國(guó)創(chuàng)辦了DigitalTwin國(guó)際學(xué)術(shù)期刊。

然而，數(shù)字孿生技術(shù)的落地離不開(kāi)數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺(tái)。隨著持續(xù)不斷增長(zhǎng)的數(shù)字孿生技術(shù)的研究、應(yīng)用、開(kāi)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(shì)在必行?？上У氖?，當(dāng)前軟件統(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(jìn)一步發(fā)展。

為此，“十三五”期間，我國(guó)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造與智能工廠”重點(diǎn)專項(xiàng)中，部署了重點(diǎn)科研任務(wù)——基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)過(guò)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(wú)損降階方法、數(shù)字孿生工業(yè)軟件研發(fā)等問(wèn)題。

筆者團(tuán)隊(duì)聯(lián)合山東大學(xué)、東南大學(xué)、西安交通大學(xué)、東華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、武漢科技大學(xué)等國(guó)內(nèi)知名高校教授團(tuán)隊(duì)，共同提出并設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺(tái)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(guó)思路和參考架構(gòu)。

在整體架構(gòu)設(shè)計(jì)上，makeTwin參考架構(gòu)綜合考慮了軟件平臺(tái)的開(kāi)放性、兼容性、互操作性、可用性和可擴(kuò)展性，以全方位地服務(wù)學(xué)術(shù)研究人員、開(kāi)發(fā)人員和企業(yè)等。在核心功能設(shè)計(jì)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(jī)制。它可以實(shí)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(shí)loT連接器、虛實(shí)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(kù)、場(chǎng)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(jìn)一步豐富和完善。研發(fā)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在今年下半年推出《數(shù)字孿生工業(yè)軟件白皮書(shū)》，嘗試為全球提供來(lái)自中國(guó)的數(shù)字孿生工業(yè)軟件參考架構(gòu)，以更好地引導(dǎo)數(shù)字孿生工業(yè)軟件可持續(xù)優(yōu)質(zhì)發(fā)展。

未來(lái)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(diǎn)，也具備深刻長(zhǎng)遠(yuǎn)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(tái)問(wèn)題后，數(shù)字孿生將在現(xiàn)實(shí)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(huì)徹底落實(shí)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?cè)诔鲂袝r(shí)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(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型，讓駕駛員能夠?qū)崟r(shí)掌握車(chē)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(yù)測(cè)車(chē)輛在何時(shí)何處可能發(fā)生故障，通過(guò)提前保養(yǎng)來(lái)避免半路拋錨等問(wèn)題。同時(shí)，道路交通管理的信息中心還能分析相鄰區(qū)域內(nèi)的車(chē)輛數(shù)據(jù)，為每輛汽車(chē)提供自動(dòng)駕駛服務(wù)，進(jìn)而可以基于多車(chē)同步啟停服務(wù)避免擁堵，基于避讓行人和避讓車(chē)輛服務(wù)避免交通事故。

再比如，數(shù)字孿生車(chē)間是一種未來(lái)車(chē)間運(yùn)行新模式，對(duì)實(shí)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(jìn)制造模式具有重大的潛在推動(dòng)作用。

在數(shù)字孿生車(chē)間中，實(shí)際生產(chǎn)車(chē)間與其數(shù)字孿生模型利用工業(yè)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，車(chē)間的管理者可以在全世界任何一個(gè)地方，通過(guò)電腦里的車(chē)間數(shù)字孿生模型掌握實(shí)體車(chē)間當(dāng)前的加工任務(wù)、加工設(shè)備的運(yùn)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(shí)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(guò)分析車(chē)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(duì)實(shí)際車(chē)間內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制。這不僅能大幅減少人類的腦力和體力勞動(dòng)強(qiáng)度，還能顯著提高生產(chǎn)安全性和效率。

數(shù)字孿生，未來(lái)可期！

（作者：陶 飛，系北京航空航天大學(xué)國(guó)際交叉科學(xué)研究院常務(wù)副院長(zhǎng)、國(guó)家智能制造專家委員會(huì)委員；劉庭煜，系東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授；胡天亮，系山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授）