5月26日下午，由Xverse元宇宙主辦的「元宇宙科技應(yīng)用發(fā)展研討會(huì)：數(shù)字孿生與虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用」在線上成功舉辦。西門(mén)子工業(yè)軟件中國(guó)區(qū)副總裁石銀明博士，帶來(lái)《基于數(shù)字孿生的正向研發(fā)體系建設(shè)》的主題分享。

數(shù)字孿生技術(shù)已有十幾年的發(fā)展歷史，其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也已有好些年，是工業(yè)“元宇宙”。直到近期，F(xiàn)acebook等企業(yè)才將其從工業(yè)推廣至社交網(wǎng)絡(luò)，號(hào)稱“元宇宙”。本次研討會(huì)中，石博士主要圍繞“基于數(shù)字孿生的正向研發(fā)體系建設(shè)”這一主題展開(kāi)討論。

好奇號(hào)和研發(fā)背后的挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生這一概念最早起源于航天，是為了解決天地一體化，或天地協(xié)同問(wèn)題。NASA好奇號(hào)研制就是其中的代表，好奇號(hào)研發(fā)時(shí)，面臨著“899公斤的重量”、“500000條計(jì)算機(jī)代碼”、“重力場(chǎng)不同無(wú)法充分測(cè)試”、“6大部件的協(xié)同整合”等問(wèn)題。但凡研發(fā)過(guò)程中稍有差錯(cuò)，就會(huì)前功盡棄。這也是整個(gè)的研發(fā)過(guò)程中，最擔(dān)心的問(wèn)題。即到了后期，整個(gè)設(shè)計(jì)出來(lái)問(wèn)題很多，導(dǎo)致任務(wù)失敗。

根據(jù)NAFEMS研究，70%的問(wèn)題在需求階段被導(dǎo)入，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段到驗(yàn)證階段期間，導(dǎo)入的真正導(dǎo)致的問(wèn)題分別是20%，10%。然而，我們通常很晚才會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，50%的問(wèn)題到驗(yàn)證階段，30%的問(wèn)題到了系統(tǒng)確認(rèn)階段。而且，越往后期發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，糾正的成本就越高。

具體來(lái)看，若設(shè)計(jì)一個(gè)典型復(fù)雜的系統(tǒng)，我們將會(huì)在不同流程中面臨哪些問(wèn)題？

以復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)流程為例，在概念設(shè)計(jì)階段，架構(gòu)、選型、目標(biāo)分解等問(wèn)題非常重要，它們出現(xiàn)的錯(cuò)誤往往是顛覆性的。但這個(gè)階段的信息很少，決策又很重要，挑戰(zhàn)非常大。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，盡管我們有大量的繁瑣的模型，但在這些模型里面，也會(huì)存在很多的問(wèn)題，比如繁瑣建模及計(jì)算量問(wèn)題。到了第三個(gè)階段，即系統(tǒng)集成時(shí)，機(jī)械被控系統(tǒng)、做動(dòng)器、控制器之間存在機(jī)械與控制設(shè)計(jì)脫節(jié)問(wèn)題。樣機(jī)出來(lái)之后，即設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，對(duì)于非正常工況、極端工況、危險(xiǎn)工況的實(shí)驗(yàn)壓力非常大。

數(shù)字孿生技術(shù)和方法論恰好為解決以上這些挑戰(zhàn)提供了一種途徑，通過(guò)在虛擬世界中模擬產(chǎn)品、工藝和資源及其相互作用，預(yù)測(cè)真實(shí)世界。將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值進(jìn)行比較，支持產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)。

數(shù)字孿生與虛實(shí)結(jié)合的應(yīng)用

石博士介紹，根據(jù)不同的階段，數(shù)字孿生分為產(chǎn)品數(shù)字孿生、生產(chǎn)數(shù)字孿生、生產(chǎn)性能數(shù)字孿生和產(chǎn)品性能數(shù)字?jǐn)?shù)字孿生。而整個(gè)的在研發(fā)階段，數(shù)字孿生是解決從0到1的問(wèn)題。后期制造到運(yùn)維階段，是1到100的問(wèn)題。

對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生有四大類型，第一類是非實(shí)時(shí)數(shù)字孿生，從控制的角度來(lái)講，叫模型在環(huán)；第二類是純實(shí)時(shí)的數(shù)字孿生，如SIL/HIL &控制器；第三類是混合的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生，如MBST；最后一類是可運(yùn)行的數(shù)字孿生。

在不同研發(fā)階段，數(shù)字孿生的顆粒度是不一樣的，它的實(shí)時(shí)性、復(fù)雜度、精確度也不一樣，從復(fù)雜程度排名，分別是1維功能模型 、3維多剛體模型、3維線性剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?維非線性剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?p>

而在虛實(shí)結(jié)合層面，它對(duì)應(yīng)的研發(fā)階段是仿真和測(cè)試。測(cè)試與仿真是交互促進(jìn)的，比如要使產(chǎn)品達(dá)到一定的性能，可能通過(guò)仿真便可解決一部分，但到了一定階段以后，只能通過(guò)測(cè)試去解決。

另外，虛實(shí)結(jié)合的形式在不同的研發(fā)階段是不一樣的。從零部件級(jí)別的虛實(shí)結(jié)合去驗(yàn)證，到以系統(tǒng)級(jí)的虛實(shí)結(jié)合去驗(yàn)證，再到整裝備變成整機(jī)后，以整機(jī)級(jí)別的虛實(shí)結(jié)合去驗(yàn)證。驗(yàn)證以后的孿生模型再去做大量的危險(xiǎn)工況，極端工況、重復(fù)工況等。

基于數(shù)字孿生的正向研發(fā)體系

石博士表示，如今，要提高制造業(yè)的研發(fā)水平，就必須要轉(zhuǎn)變做正向，做預(yù)測(cè)性的研發(fā)，而不是逆向，驗(yàn)證性的?；跀?shù)字孿生的正向研發(fā)體系，正是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展的。

在研討會(huì)中，石博士詳細(xì)的介紹了“基于數(shù)字孿生的正向研發(fā)”理念和兩個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。其中一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)是全生命周期管理平臺(tái)，往往針對(duì)的是非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。平臺(tái)的成熟度從最早沒(méi)有管控的數(shù)據(jù)到存檔的數(shù)據(jù)，到無(wú)縫捕捉和管理的數(shù)據(jù)，到流程化，再到流程自動(dòng)化，不同階段的成熟度是不一樣的。

另一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)是基于云和物聯(lián)網(wǎng)的資源共享平臺(tái)，云實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源的共享，物聯(lián)網(wǎng)則實(shí)現(xiàn)了設(shè)備資源的共享。在基于云和物聯(lián)網(wǎng)的資源共享平臺(tái)中，它的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集傳到云上，而后可以再回到研發(fā)設(shè)計(jì)階段，或?qū)嶒?yàn)室。

此外，石博士還表示，一個(gè)好的研發(fā)體系還需要考慮三個(gè)維度的技術(shù)支撐。其一是不同研發(fā)階段的協(xié)同，包括從需求到功能研究，從數(shù)表模型到穩(wěn)態(tài)的模型，到低頻動(dòng)態(tài)模型，到高頻動(dòng)態(tài)模型，到實(shí)時(shí)的模型。其二是不同子系統(tǒng)之間的集成，最后是不同領(lǐng)域不同學(xué)科之間的耦合。

以虛擬飛機(jī)項(xiàng)目為例，它包含有電機(jī)系統(tǒng)，電壓系統(tǒng)，燃油系統(tǒng)等，首先進(jìn)行接口交聯(lián)分析，得到各子系統(tǒng)與其他所有子系統(tǒng)的接口交聯(lián)關(guān)系圖；在此基礎(chǔ)上建立該子系統(tǒng)外部接口模型，在模型中復(fù)現(xiàn)接口交聯(lián)關(guān)系圖；對(duì)得到的外部接口模型進(jìn)行內(nèi)部建模，得到子系統(tǒng)的完整架構(gòu)級(jí)模型。將上述7個(gè)子系統(tǒng)模型 根據(jù)接口交聯(lián)關(guān)系連接，即可得到完整機(jī)電系統(tǒng)非實(shí)時(shí)架構(gòu)級(jí)模型?；诖?，我們便可以快速性能的預(yù)測(cè)，迅速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

石銀明，2001年5月獲得上海交通大學(xué)振動(dòng)沖擊噪聲國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士學(xué)位，2001年6月至2004年4月在比利時(shí)布魯塞爾大學(xué)訪問(wèn)研究，并與魯汶大學(xué)合作，參與復(fù)合材料的參數(shù)識(shí)別項(xiàng)目。2004年4月在比利時(shí)加入LMS國(guó)際公司，長(zhǎng)期擔(dān)任LMS國(guó)際公司中國(guó)區(qū)技術(shù)總監(jiān)。2013年至2021年5月任西門(mén)子工業(yè)軟件中國(guó)區(qū)仿真與測(cè)試產(chǎn)品技術(shù)總監(jiān)。2021年5月至今，任西門(mén)子工業(yè)軟件中國(guó)區(qū)副總裁。