6月7日，以“壯大工業(yè)軟件 深化數(shù)字轉型”為主題的2021中國工業(yè)軟件大會在渝盛大召開。中國工程院院士李培根出席本次大會并發(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)字孿生的實現(xiàn)關鍵在于軟件，工業(yè)軟件是智能制造的“核芯”，是不能受制于人的關鍵核心技術，也是數(shù)字孿生應用創(chuàng)新的動力引擎，壯大國產工業(yè)軟件需要各方協(xié)同攻關核心問題和技術難點。

    當前，按照產業(yè)共識，我國正處于工業(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，實現(xiàn)CPS需要5G、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網、VR/AR、人工智能等新興技術支撐，而數(shù)字孿生也恰好在5G、人工智能等技術的應用中得以發(fā)展。可以說，數(shù)字孿生更大程度上是一種技術理念，與CPS理念高度契合。“因此，新一代制造的最大特點是數(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”（即實體的設計開發(fā)過程）和服役過程（運行、使用）中伴隨其數(shù)字模型的物理實體（如產品或裝備）；數(shù)字孿生體是對服役或孕育過程中的“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)及智能賦予物理實體以“生命”，而數(shù)字孿生是智能裝備的“靈魂”。

    實際上，數(shù)字孿生涉及的單元技術很早之前就已經出現(xiàn)了，反映物理實體的很多數(shù)字模型似乎都可以視為數(shù)字孿生模型的組成部分。李培根認為，數(shù)字孿生的關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體應聯(lián)系在一起。例如虛擬樣機與物理機器并無“共生”現(xiàn)象，因為以前的各種單元數(shù)字技術不是整體的全生命周期，也不屬于“共生”的意義。

    李培根強調，在機器裝備運行過程中，需要關注它的下一刻狀態(tài)，他認為數(shù)字孿生是被時間規(guī)定的，能夠看到未來的存在。“下一刻的狀態(tài)和未來的演化非常重要。”李培根用自動駕駛舉例對場景孿生加以說明。在未來交通數(shù)字孿生云平臺的構想中，有高帶寬、低延時的5G通信鏈路，可以將感知到的信息實時傳到路側或云端，云智能系統(tǒng)也會將調度信號高效推送給客戶或路側單元。“對周圍的場景沒有感知，就很難做出實時的判斷。”李培根坦言，由國外主導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聯(lián)駕駛是中國智能網聯(lián)汽車的發(fā)展方向，也更有利于場景孿生。

    當然，李培根同時指出，過程孿生也很重要。孿生不僅僅要針對產品，也要針對使用者。同樣以自動駕駛為例。對于常規(guī)的非自動駕駛模式，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，能使駕車效果進一步微調。該過程是與使用者即駕駛者的行為聯(lián)系在一起的。汽車新產品開發(fā)中，應通過其正在運行的具有千千萬萬里程的汽車數(shù)據(jù)去模擬汽車性能和駕駛者反應，以評估設計改變的效果。據(jù)介紹，特斯拉對每一個售出的車都會建立數(shù)字孿生體，未來特斯拉還將與其他汽車公司繼續(xù)發(fā)展自動駕駛汽車。

    數(shù)字孿生實現(xiàn)的關鍵——工業(yè)軟件

    數(shù)字孿生的實現(xiàn)關鍵在于工業(yè)軟件。不同類型的數(shù)字孿生模型，有基于經驗公式、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建立數(shù)字孿生模型，稱為“基于仿真的數(shù)字孿生”。基于仿真的數(shù)字孿生，具有數(shù)據(jù)依賴性低、可深入洞察機理、模型成長性好、可以實現(xiàn)高保真等優(yōu)點。基于數(shù)字孿生技術的建模與仿真不再是離線的、獨立的、特定階段存在的，而是可以與真實世界建立永久、實時、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。在產品開發(fā)的過程中，需要用到很多仿真軟件，這是當前中國工業(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，實現(xiàn)施工過程數(shù)據(jù)實時高速采集處理；實時采集整個施工過程的關鍵數(shù)據(jù)；施工裝備智能控制，如智能定位、智能鉆孔、自動圍巖判識、智能盾構換刀、自動錨桿/鋼拱架拼接、自動養(yǎng)護等；施工作業(yè)命令云端下載、施工進度云端展示等，均需要基于云平臺的施工管理類APP大規(guī)模使用，為施工大數(shù)據(jù)庫積累奠定基礎。

    就目前而言，數(shù)字孿生更多的還停留在初期階段，之后該如何構建數(shù)字孿生？李培根提到了數(shù)字孿生構建軟件——Ansys Twin Builder。據(jù)了解，Ansys Twin Builder是系統(tǒng)級建模工具支持構建數(shù)字孿生模型，能夠準確地描述組件、子裝配體與子系統(tǒng)間錯綜復雜的相互作用。內置庫中提供豐富的組件集合，包括相似產品和電源電子組件、控制模塊和傳感器、機械組件、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的數(shù)字孿生模型，減少工程時間。

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