聶蓉梅, 周瀟雅, 肖 進(jìn), 趙 博

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

近年來，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為了國內(nèi)外學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的研究熱點(diǎn)，全球最具權(quán)威的研究與顧問咨詢公司高德納(Gartner)自2016年起連續(xù)4年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。自2010年美國國家航空航天局(NASA)在太空技術(shù)路線圖中引入數(shù)字孿生概念以來，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室、洛克希德·馬丁、波音、諾期洛普·格魯門、通用汽車公司等國外科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)在航空航天領(lǐng)域積極研究和探索數(shù)字孿生技術(shù)。國內(nèi)研究學(xué)者也針對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)開展了大量研究，學(xué)術(shù)界自2017年開始每年舉辦有關(guān)數(shù)字孿生的學(xué)術(shù)會(huì)議，中國工信部下屬中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟分別發(fā)布了《數(shù)字孿生白皮書》《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》和《工業(yè)數(shù)字孿生白皮書》，為凝聚和深化數(shù)字孿生技術(shù)共識(shí)，加速數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生技術(shù)作為解決數(shù)字模型與物理實(shí)體交互難題，踐行數(shù)字化轉(zhuǎn)型理念與目標(biāo)的關(guān)鍵使能技術(shù)，在支撐產(chǎn)品研制業(yè)務(wù)全流程、助力科研生產(chǎn)和管理的融合創(chuàng)新方面將發(fā)揮重要作用。因此，深入研究數(shù)字孿生概念，重點(diǎn)突破數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展和打造適用于航天領(lǐng)域的工具平臺(tái)和應(yīng)用模式迫在眉睫，也是我國工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步改革發(fā)展的大勢所趨。本文對(duì)數(shù)字孿生的概念和技術(shù)體系進(jìn)行了深入調(diào)研，分析并提出了其關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)，展望了其在航天領(lǐng)域的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域。

1 數(shù)字孿生概念

數(shù)字孿生的雛形“鏡像空間模型”(如圖1所示)最早由美國密歇根大學(xué)Michael Grieves于2003年在產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)課程提出，隨后在與NASA和美國空軍的合作過程中對(duì)該概念進(jìn)行了豐富，強(qiáng)化了基于模型的產(chǎn)品性能預(yù)測與優(yōu)化等要素，并將其定義為“數(shù)字孿生”。

圖1 數(shù)字孿生概念模型Fig.1 Digital twin concept model

隨后，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生概念進(jìn)行了廣泛的研究討論。2011年，NASA和美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室將數(shù)字孿生概念定義為一個(gè)集成了多物理場、多尺度、概率性的仿真模型，可以用于預(yù)測飛行器健康狀態(tài)及剩余使用壽命等，進(jìn)而激活自修復(fù)機(jī)制或任務(wù)重規(guī)劃，以減緩系統(tǒng)損傷和退化；2012年，Glaessgen等認(rèn)為數(shù)字孿生是一個(gè)綜合多物理、多尺度、多概率模擬的復(fù)雜系統(tǒng)，基于物理模型、歷史數(shù)據(jù)以及傳感器實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，鏡像其相應(yīng)飛行器數(shù)字孿生體的生命；Grieves等于2017年進(jìn)一步將數(shù)字孿生闡述為從微觀原子級(jí)到宏觀幾何級(jí)描述產(chǎn)品的虛擬信息結(jié)構(gòu)，構(gòu)建數(shù)字孿生能獲得實(shí)際檢測產(chǎn)品時(shí)的所有信息；2018年，Tao等將數(shù)字孿生定義為是PLM的一個(gè)組成部分，利用產(chǎn)品生命周期中的物理數(shù)據(jù)、虛擬數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)映射；Haag等定義數(shù)字孿生為產(chǎn)品的全面數(shù)字化描述，能模擬現(xiàn)實(shí)模型的行為特征。

軟件工業(yè)界也推出了各自的數(shù)字孿生理念。美國參數(shù)技術(shù)公司PTC主張智能互聯(lián)理念，將數(shù)字孿生打造為實(shí)體產(chǎn)品的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)字模型，真正實(shí)現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的融合；西門子公司運(yùn)用價(jià)值鏈整合理念，提出數(shù)字孿生包括產(chǎn)品數(shù)字孿生、生產(chǎn)工藝流程數(shù)字孿生及設(shè)備數(shù)字孿生；達(dá)索公司則主張?zhí)摂M互動(dòng)理念，提出數(shù)字孿生創(chuàng)新協(xié)作和驗(yàn)證的流程。

結(jié)合國內(nèi)外對(duì)數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)和理解，可將數(shù)字孿生定義為對(duì)產(chǎn)品實(shí)體的精細(xì)化數(shù)字描述，能基于數(shù)字模型的仿真實(shí)驗(yàn)更真實(shí)地反映出物理產(chǎn)品的特征、行為、形成過程和性能等，能對(duì)產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并具備虛實(shí)交互能力，實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)映射至數(shù)字孿生體，從而對(duì)產(chǎn)品識(shí)別、跟蹤和監(jiān)控，同時(shí)通過數(shù)字孿生體對(duì)模擬對(duì)象行為進(jìn)行預(yù)測及分析、故障診斷及預(yù)警、問題定位及記錄，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。

2 數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)分析

數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)可以按技術(shù)特性分解為專業(yè)分析層、虛實(shí)交互層和基礎(chǔ)支撐層(如圖2所示)，以安全互聯(lián)技術(shù)、高性能并行計(jì)算技術(shù)為數(shù)字孿生基礎(chǔ)，利用基于PLM的數(shù)據(jù)管理技術(shù)支撐產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)管理，通過精細(xì)化建模與仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的精細(xì)化數(shù)字表達(dá)，基于信息物理系統(tǒng)CPS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，結(jié)合數(shù)據(jù)模型融合技術(shù)和交互與協(xié)同技術(shù)進(jìn)行虛實(shí)交互，從而實(shí)現(xiàn)智能決策、診斷預(yù)測、可視監(jiān)控、優(yōu)化控制等。

圖2 數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Digital twin technology framework

2.1 精細(xì)化建模與仿真技術(shù)

精細(xì)化建模與仿真指從幾何、功能和性能等方面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精細(xì)化建模與跨領(lǐng)域多學(xué)科耦合仿真，連接不同時(shí)間尺度的物理過程構(gòu)建模型，從而精確地表達(dá)物理實(shí)體的形狀、行為和性能等。目前，精細(xì)化建模與仿真技術(shù)的研究主要包括精細(xì)化幾何建模、邏輯建模、有限元建模、多物理場建模、多學(xué)科耦合建模與仿真實(shí)驗(yàn)等方面，通過這些技術(shù)的突破實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的高保真模擬和實(shí)時(shí)預(yù)測，主要方法包括基于特征的三維建模技術(shù)，基于SysML的邏輯建模技術(shù)，基于有限元的多物理場耦合仿真技術(shù)，多學(xué)科耦合性能仿真技術(shù)，基于數(shù)據(jù)庫的微內(nèi)核數(shù)字孿生平臺(tái)架構(gòu)、自動(dòng)模型生成和在線仿真的數(shù)字孿生建模方法等。

2.2 數(shù)據(jù)模型融合技術(shù)

數(shù)據(jù)模型融合指基于數(shù)據(jù)對(duì)多領(lǐng)域模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新、修正和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)估。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者將結(jié)構(gòu)、流程、多物理場等模型，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型融合。

2.3 基于CPS的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集技術(shù)

基于信息物理系統(tǒng)CPS的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集指基于CPS通過可靠傳感器及分布式傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地感知和獲取物理設(shè)備數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者主要提出了傳感技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并在拓?fù)淇刂?、路由協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位方面取得突破。

2.4 基于PLM的數(shù)據(jù)管理技術(shù)

基于PLM的數(shù)據(jù)管理指以平臺(tái)架構(gòu)為基礎(chǔ)，形成集成產(chǎn)品信息的框架，使所有與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)高度集成、協(xié)調(diào)、共享。目前基于PLM的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要包括與應(yīng)用軟件集成的面向?qū)ο蟮那度肱c連接技術(shù)，支持產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)建模與管理的對(duì)象建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和決策的數(shù)據(jù)倉儲(chǔ)管理技術(shù)和成組技術(shù)等。

2.5 交互與協(xié)同技術(shù)

交互與協(xié)同指利用虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR) 、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR) 、混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality, MR)等沉浸式體驗(yàn)人機(jī)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的交互與協(xié)同。目前，仿真協(xié)同分析技術(shù)主要用于作為視覺、聲覺等呈現(xiàn)的接口針對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行智能監(jiān)測、評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)和優(yōu)化復(fù)雜裝備的生產(chǎn)、試驗(yàn)及運(yùn)維。

2.6 安全互聯(lián)技術(shù)

安全互聯(lián)技術(shù)指對(duì)數(shù)字孿生模型和數(shù)據(jù)的完整性、有效性和保密性進(jìn)行安全防護(hù)、防篡改的技術(shù)。當(dāng)前的研究包括對(duì)于數(shù)字孿生模型和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可能遭受的攻擊進(jìn)行預(yù)測并獲得最優(yōu)防御策略，基于區(qū)塊鏈技術(shù)組織和確保孿生數(shù)據(jù)不可篡改、可追蹤、可追溯等。

2.7 高性能并行計(jì)算技術(shù)

高性能并行計(jì)算指通過優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法結(jié)構(gòu)等提升數(shù)字孿生系統(tǒng)搭載的計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算性能、傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、數(shù)字計(jì)算能力等。目前，基于云計(jì)算技術(shù)的平臺(tái)通過按需使用與分布式共享的計(jì)算模式，能為數(shù)字孿生系統(tǒng)提供滿足數(shù)字孿生計(jì)算、存儲(chǔ)和運(yùn)行需求的云計(jì)算資源和大數(shù)據(jù)中心。

3 航天領(lǐng)域發(fā)展展望

由專業(yè)化隊(duì)伍支持的航天數(shù)字化轉(zhuǎn)型經(jīng)過十余年的發(fā)展，在諸多方面取得了顯著成就，廣大設(shè)計(jì)人員對(duì)數(shù)字化仿真技術(shù)的認(rèn)識(shí)和自覺應(yīng)用能力有了極大的提高，航天研制模式正加快從傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程向基于模型的航天系統(tǒng)工程(MBASE)發(fā)展(如圖3所示)，數(shù)字孿生將成為下一個(gè)努力的方向。

圖3 傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程與基于模型的航天系統(tǒng)工程Fig.3 Traditional systems engineering and model-based systems engineering

通過構(gòu)建與實(shí)物產(chǎn)品完全對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，在安全互聯(lián)技術(shù)、高性能并行計(jì)算技術(shù)提供支撐的基礎(chǔ)上，利用基于PLM的數(shù)據(jù)管理技術(shù)對(duì)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，可以從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、培訓(xùn)、運(yùn)維5個(gè)方面推進(jìn)面向產(chǎn)品全生命周期開展數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用,如圖4所示。

圖4 面向產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字孿生體體系架構(gòu)設(shè)想Fig.4 Digital twin technology research and application prospect in aerospace area

3.1 設(shè)計(jì)過程

基于多領(lǐng)域精細(xì)化建模與仿真技術(shù)構(gòu)建需求模型、功能模型、三維結(jié)構(gòu)模型、電路仿真分析模型、強(qiáng)度仿真分析模型、氣動(dòng)力熱仿真分析模型、飛行性能仿真模型等，來綜合描述該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮的所有特征及相關(guān)信息，同時(shí)結(jié)合同類型歷史產(chǎn)品數(shù)據(jù)、關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)、設(shè)計(jì)約束條件等參考信息，采用多物理場耦合仿真、多學(xué)科聯(lián)合仿真、數(shù)據(jù)挖掘等關(guān)鍵技術(shù)，開展基于模型的協(xié)同設(shè)計(jì)與虛擬閉環(huán)驗(yàn)證，在這個(gè)過程中形成的各類精細(xì)化數(shù)字仿真模型是構(gòu)建后續(xù)生產(chǎn)、試驗(yàn)、培訓(xùn)和運(yùn)維數(shù)字孿生體的核心。

3.2 生產(chǎn)過程

在以三維結(jié)構(gòu)模型為主的精細(xì)化設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建工藝模型、生產(chǎn)線模型、裝配模型、物資模型、數(shù)控模型等面向生產(chǎn)過程的模型，結(jié)合生產(chǎn)過程中基于CPS采集的數(shù)據(jù)，形成生產(chǎn)數(shù)字孿生體，并采用三維掃描、多網(wǎng)融合、工藝仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)模型融合關(guān)鍵技術(shù)，開展智能化加工檢測及虛實(shí)映射的裝配對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)字孿生技術(shù)的示范應(yīng)用。

3.3 試驗(yàn)過程

在CAD、CAE模型和多學(xué)科耦合模型基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建試驗(yàn)件產(chǎn)品模型、試驗(yàn)設(shè)備模型、試驗(yàn)工裝夾具模型、試驗(yàn)場景模型、試驗(yàn)環(huán)境模型等面向試驗(yàn)過程的模型，結(jié)合試驗(yàn)過程中基于CPS采集的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)等，采用分布式控制、流程建模仿真等數(shù)據(jù)模型融合關(guān)鍵技術(shù)，形成地面試驗(yàn)數(shù)字孿生體和飛行試驗(yàn)數(shù)字孿生體。在地面試驗(yàn)方面，開展地面試驗(yàn)流程優(yōu)化、故障預(yù)警、過程監(jiān)控及智能評(píng)估；在飛行試驗(yàn)方面，開展飛行過程狀態(tài)跟蹤識(shí)別、監(jiān)控和預(yù)示，輔助開展推理決策和預(yù)測驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程數(shù)字孿生技術(shù)的示范應(yīng)用。

3.4 培訓(xùn)過程

在經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證和修正的精細(xì)化設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建培訓(xùn)場景模型、任務(wù)流程模型、產(chǎn)品工況模型等，采用VR/AR等交互與協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)，形成虛擬訓(xùn)練機(jī)制，提升培訓(xùn)計(jì)劃制定、培訓(xùn)效果跟蹤、培訓(xùn)提醒、培訓(xùn)綜合評(píng)價(jià)等功能，開展流程規(guī)劃仿真、應(yīng)急處理演練仿真和數(shù)字合練仿真等，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品使用性能和操作流程預(yù)示，為提升產(chǎn)品使用效率提供輔助優(yōu)化手段。

3.5 運(yùn)維過程

在經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證和修正的精細(xì)化設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建產(chǎn)品故障診斷模型和壽命預(yù)測模型等面向運(yùn)維過程的模型，結(jié)合運(yùn)維過程中基于CPS采集的產(chǎn)品運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)等，形成運(yùn)維數(shù)字孿生體，采用機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)模型融合技術(shù)、VR/AR等交互與協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)，開展虛實(shí)結(jié)合維修保障，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)維過程數(shù)字孿生技術(shù)的示范應(yīng)用。

4 結(jié)論

數(shù)字孿生概念對(duì)推動(dòng)智能制造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要的啟示作用，從其概念內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)分析可以看出其在航天領(lǐng)域具有良好的前景和發(fā)展?jié)摿?。然而，國?nèi)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的研究和工具平臺(tái)研發(fā)起步較晚，目前能夠支持?jǐn)?shù)字孿生概念落地的工具平臺(tái)大部分為國外的商業(yè)軟件，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)與航天科研生產(chǎn)業(yè)務(wù)深度融合方面還需要開展大量的研究和實(shí)踐。在共性基礎(chǔ)方面還需要深度研究已有商業(yè)軟件的技術(shù)本質(zhì)和特點(diǎn)，開展面向航天復(fù)雜場景的探索研究和實(shí)踐，在實(shí)踐中考核其適用性，發(fā)現(xiàn)潛在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，通過二次開發(fā)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)與航天需求的匹配；大力推進(jìn)數(shù)字孿生相關(guān)工具平臺(tái)軟件自主化，數(shù)字孿生的核心是各類數(shù)字模型和仿真模型的建立，只有構(gòu)建出具有航天特色的工具平臺(tái)體系，才能真正發(fā)揮其應(yīng)有的作用；產(chǎn)品全生命周期的深度協(xié)同是建立各類數(shù)字孿生體的根本保證，頂層設(shè)計(jì)是牽引和帶動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)研究和應(yīng)用實(shí)踐的核心力量。