中國(guó)工程院院士李培根：工業(yè)軟件是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵

    6月7日，以“壯大工業(yè)軟件 深化數(shù)字轉(zhuǎn)型”為主題的2021中國(guó)工業(yè)軟件大會(huì)在渝盛大召開。中國(guó)工程院院士李培根出席本次大會(huì)并發(fā)表“工業(yè)軟件支撐數(shù)字孿生”主題演講。

    李培根表示，數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于軟件，工業(yè)軟件是智能制造的“核芯”，是不能受制于人的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是數(shù)字孿生應(yīng)用創(chuàng)新的動(dòng)力引擎，壯大國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件需要各方協(xié)同攻關(guān)核心問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)。

    當(dāng)前，按照產(chǎn)業(yè)共識(shí)，我國(guó)正處于工業(yè)4.0的起步階段。李培根指出，工業(yè)4.0的核心是CPS（即信息物理系統(tǒng)），其中最能反映CPS核心的就是數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)CPS需要5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、VR/AR、人工智能等新興技術(shù)支撐，而數(shù)字孿生也恰好在5G、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用中得以發(fā)展。可以說(shuō)，數(shù)字孿生更大程度上是一種技術(shù)理念，與CPS理念高度契合�！耙虼�，新一代制造的最大特點(diǎn)是數(shù)字孿生。”

    數(shù)字孿生是智能裝備的“靈魂”

    何為物理生命體和數(shù)字孿生體？李培根解釋道，物理生命體是在“孕育”（即實(shí)體的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程）和服役過(guò)程（運(yùn)行、使用）中伴隨其數(shù)字模型的物理實(shí)體（如產(chǎn)品或裝備）；數(shù)字孿生體是對(duì)服役或孕育過(guò)程中的“物理生命體”的數(shù)字化描述。李培根將數(shù)據(jù)比喻成物理生命體的“血液”，數(shù)據(jù)及智能賦予物理實(shí)體以“生命”，而數(shù)字孿生是智能裝備的“靈魂”。

    實(shí)際上，數(shù)字孿生涉及的單元技術(shù)很早之前就已經(jīng)出現(xiàn)了，反映物理實(shí)體的很多數(shù)字模型似乎都可以視為數(shù)字孿生模型的組成部分。李培根認(rèn)為，數(shù)字孿生的關(guān)鍵在于和物理生命體的共生，所謂共生就是全生命周期，數(shù)字孿生體是和物理實(shí)體應(yīng)聯(lián)系在一起。例如虛擬樣機(jī)與物理機(jī)器并無(wú)“共生”現(xiàn)象，因?yàn)橐郧暗母鞣N單元數(shù)字技術(shù)不是整體的全生命周期，也不屬于“共生”的意義。

    李培根強(qiáng)調(diào)，在機(jī)器裝備運(yùn)行過(guò)程中，需要關(guān)注它的下一刻狀態(tài)，他認(rèn)為數(shù)字孿生是被時(shí)間規(guī)定的，能夠看到未來(lái)的存在�！跋乱豢痰臓顟B(tài)和未來(lái)的演化非常重要�！崩钆喔�用自動(dòng)駕駛舉例對(duì)場(chǎng)景孿生加以說(shuō)明。在未來(lái)交通數(shù)字孿生云平臺(tái)的構(gòu)想中，有高帶寬、低延時(shí)的5G通信鏈路，可以將感知到的信息實(shí)時(shí)傳到路側(cè)或云端，云智能系統(tǒng)也會(huì)將調(diào)度信號(hào)高效推送給客戶或路側(cè)單元。“對(duì)周圍的場(chǎng)景沒有感知，就很難做出實(shí)時(shí)的判斷�！崩钆喔�坦言，由國(guó)外主導(dǎo)的單車智能存在感知、決策控制等性能局限，車路云融合的智能網(wǎng)聯(lián)駕駛是中國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展方向，也更有利于場(chǎng)景孿生。

    當(dāng)然，李培根同時(shí)指出，過(guò)程孿生也很重要。孿生不僅僅要針對(duì)產(chǎn)品，也要針對(duì)使用者。同樣以自動(dòng)駕駛為例。對(duì)于常規(guī)的非自動(dòng)駕駛模式，除了車的數(shù)字孿生模型，還需建立駕駛者數(shù)字孿生模型，以便在困難情況下基于特定的駕駛者行為反應(yīng)，能使駕車效果進(jìn)一步微調(diào)。該過(guò)程是與使用者即駕駛者的行為聯(lián)系在一起的。汽車新產(chǎn)品開發(fā)中，應(yīng)通過(guò)其正在運(yùn)行的具有千千萬(wàn)萬(wàn)里程的汽車數(shù)據(jù)去模擬汽車性能和駕駛者反應(yīng)，以評(píng)估設(shè)計(jì)改變的效果。據(jù)介紹，特斯拉對(duì)每一個(gè)售出的車都會(huì)建立數(shù)字孿生體，未來(lái)特斯拉還將與其他汽車公司繼續(xù)發(fā)展自動(dòng)駕駛汽車。

    數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵——工業(yè)軟件

    數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于工業(yè)軟件。不同類型的數(shù)字孿生模型，有基于經(jīng)驗(yàn)公式、大數(shù)據(jù)、CAD 模型，以及基于虛擬仿真的數(shù)字孿生模型。李培根將采用虛擬仿真技術(shù)建立數(shù)字孿生模型，稱為“基于仿真的數(shù)字孿生”�；�于仿真的數(shù)字孿生，具有數(shù)據(jù)依賴性低、可深入洞察機(jī)理、模型成長(zhǎng)性好、可以實(shí)現(xiàn)高保真等優(yōu)點(diǎn)�；�于數(shù)字孿生技術(shù)的建模與仿真不再是離線的、獨(dú)立的、特定階段存在的，而是可以與真實(shí)世界建立永久、實(shí)時(shí)、交互的鏈接。

    但在很多情況下，數(shù)字孿生模型是混合型的，需根據(jù)客觀條件，選擇合適模型的表征方式。在產(chǎn)品開發(fā)的過(guò)程中，需要用到很多仿真軟件，這是當(dāng)前中國(guó)工業(yè)軟件很薄弱的環(huán)節(jié)之一。

    此外，數(shù)字孿生還需要APP，例如隧道智能裝備中，施工裝備上云，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速采集處理；實(shí)時(shí)采集整個(gè)施工過(guò)程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；施工裝備智能控制，如智能定位、智能鉆孔、自動(dòng)圍巖判識(shí)、智能盾構(gòu)換刀、自動(dòng)錨桿/鋼拱架拼接、自動(dòng)養(yǎng)護(hù)等；施工作業(yè)命令云端下載、施工進(jìn)度云端展示等，均需要基于云平臺(tái)的施工管理類APP大規(guī)模使用，為施工大數(shù)據(jù)庫(kù)積累奠定基礎(chǔ)。

    就目前而言，數(shù)字孿生更多的還停留在初期階段，之后該如何構(gòu)建數(shù)字孿生？李培根提到了數(shù)字孿生構(gòu)建軟件——Ansys Twin Builder。據(jù)了解，Ansys Twin Builder是系統(tǒng)級(jí)建模工具支持構(gòu)建數(shù)字孿生模型，能夠準(zhǔn)確地描述組件、子裝配體與子系統(tǒng)間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用。內(nèi)置庫(kù)中提供豐富的組件集合，包括相似產(chǎn)品和電源電子組件、控制模塊和傳感器、機(jī)械組件、液壓組件、數(shù)字和邏輯模塊等，能夠幫助工程師將各種來(lái)源的模型組合成全面的系統(tǒng)描述。也有利于生成精確的基于物理學(xué)的數(shù)字孿生模型，減少工程時(shí)間。

    “總而言之，我國(guó)也需要形成健全的生態(tài)系統(tǒng)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同合作，才能達(dá)到數(shù)字孿生與物理實(shí)體的‘共生’。”李培根最后如是說(shuō)。