6月7日，以“壯大工業(yè)軟件 深化數字轉型”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)軟件支撐數字孿生”主題演講。

李培根表示，數字孿生的實現關鍵在于軟件，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核心的就是數字孿生，實現CPS需要5G、物聯(lián)網、大數據、工業(yè)互聯(lián)網、VR/AR、人工智能等新興技術支撐，而數字孿生也恰好在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字孿生。”

數字孿生是智能裝備的“靈魂”

何為物理生命體和數字孿生體？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）中伴隨其數字模型的物理實體（如產品或裝備）；數字孿生體是對服役或孕育過程中的“物理生命體”的數字化描述。李培根將數據比喻成物理生命體的“血液”，數據及智能賦予物理實體以“生命”，而數字孿生是智能裝備的“靈魂”。

實際上，數字孿生涉及的單元技術很早之前就已經出現了，反映物理實體的很多數字模型似乎都可以視為數字孿生模型的組成部分。李培根認為，數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”現象，因為以前的各種單元數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，除了車的數字孿生模型，還需建立駕駛者數字孿生模型，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據去模擬汽車性能和駕駛者反應，以評估設計改變的效果。據介紹，特斯拉對每一個售出的車都會建立數字孿生體，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。

數字孿生實現的關鍵——工業(yè)軟件

數字孿生的實現關鍵在于工業(yè)軟件。不同類型的數字孿生模型，有基于經驗公式、大數據、CAD 模型，以及基于虛擬仿真的數字孿生模型。李培根將采用虛擬仿真技術建立數字孿生模型，稱為“基于仿真的數字孿生”。基于仿真的數字孿生，具有數據依賴性低、可深入洞察機理、模型成長性好、可以實現高保真等優(yōu)點。基于數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，數字孿生模型是混合型的，需根據客觀條件，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，數字孿生還需要APP，例如隧道智能裝備中，施工裝備上云，實現施工過程數據實時高速采集處理；實時采集整個施工過程的關鍵數據；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，為施工大數據庫積累奠定基礎。

就目前而言，數字孿生更多的還停留在初期階段，之后該如何構建數字孿生？李培根提到了數字孿生構建軟件——Ansys Twin Builder。據了解，Ansys Twin Builder是系統(tǒng)級建模工具支持構建數字孿生模型，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字孿生模型，減少工程時間。

演講最后，李培根指出了構建數字孿生應用的生態(tài)系統(tǒng)的重要性。他指出，與其他發(fā)達國家相比，我國數字孿生的生態(tài)建設較為欠缺，應多向國外學習，打造一個良好的生態(tài)系統(tǒng)。構建數字孿生涉及到多個領域的技術問題，如構建模型、數據傳遞、服務接口、連接識別、部署機制等，因此，要想釋放數字孿生的全部價值，整合整個數字孿生生態(tài)系統(tǒng)中的所有數據和模型就非常必要。

“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，才能達到數字孿生與物理實體的‘共生’。”李培根最后如是說。

原文標題：中國工程院院士李培根：工業(yè)軟件是實現數字孿生的關鍵

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責任編輯：haq