中国工程院院士李培根：工业软件是实现数字孪生的关键

    6月7日，以“壮大工业软件 深化数字转型”为主题的2021中国工业软件大会在渝盛大召开。中国工程院院士李培根出席本次大会并发表“工业软件支撑数字孪生”主题演讲。

    李培根表示，数字孪生的实现关键在于软件，工业软件是智能制造的“核芯”，是不能受制于人的关键核心技术，也是数字孪生应用创新的动力引擎，壮大国产工业软件需要各方协同攻关核心问题和技术难点。

    当前，按照产业共识，我国正处于工业4.0的起步阶段。李培根指出，工业4.0的核心是CPS（即信息物理系统），其中最能反映CPS核心的就是数字孪生，实现CPS需要5G、物联网、大数据、工业互联网、VR/AR、人工智能等新兴技术支撑，而数字孪生也恰好在5G、人工智能等技术的应用中得以发展。可以说，数字孪生更大程度上是一种技术理念，与CPS理念高度契合。“因此，新一代制造的最大特点是数字孪生。”

    数字孪生是智能装备的“灵魂”

    何为物理生命体和数字孪生体？李培根解释道，物理生命体是在“孕育”（即实体的设计开发过程）和服役过程（运行、使用）中伴随其数字模型的物理实体（如产品或装备）；数字孪生体是对服役或孕育过程中的“物理生命体”的数字化描述。李培根将数据比喻成物理生命体的“血液”，数据及智能赋予物理实体以“生命”，而数字孪生是智能装备的“灵魂”。

    实际上，数字孪生涉及的单元技术很早之前就已经出现了，反映物理实体的很多数字模型似乎都可以视为数字孪生模型的组成部分。李培根认为，数字孪生的关键在于和物理生命体的共生，所谓共生就是全生命周期，数字孪生体是和物理实体应联系在一起。例如虚拟样机与物理机器并无“共生”现象，因为以前的各种单元数字技术不是整体的全生命周期，也不属于“共生”的意义。

    李培根强调，在机器装备运行过程中，需要关注它的下一刻状态，他认为数字孪生是被时间规定的，能够看到未来的存在。“下一刻的状态和未来的演化非常重要。”李培根用自动驾驶举例对场景孪生加以说明。在未来交通数字孪生云平台的构想中，有高带宽、低延时的5G通信链路，可以将感知到的信息实时传到路侧或云端，云智能系统也会将调度信号高效推送给客户或路侧单元。“对周围的场景没有感知，就很难做出实时的判断。”李培根坦言，由国外主导的单车智能存在感知、决策控制等性能局限，车路云融合的智能网联驾驶是中国智能网联汽车的发展方向，也更有利于场景孪生。

    当然，李培根同时指出，过程孪生也很重要。孪生不仅仅要针对产品，也要针对使用者。同样以自动驾驶为例。对于常规的非自动驾驶模式，除了车的数字孪生模型，还需建立驾驶者数字孪生模型，以便在困难情况下基于特定的驾驶者行为反应，能使驾车效果进一步微调。该过程是与使用者即驾驶者的行为联系在一起的。汽车新产品开发中，应通过其正在运行的具有千千万万里程的汽车数据去模拟汽车性能和驾驶者反应，以评估设计改变的效果。据介绍，特斯拉对每一个售出的车都会建立数字孪生体，未来特斯拉还将与其他汽车公司继续发展自动驾驶汽车。

    数字孪生实现的关键——工业软件

    数字孪生的实现关键在于工业软件。不同类型的数字孪生模型，有基于经验公式、大数据、CAD 模型，以及基于虚拟仿真的数字孪生模型。李培根将采用虚拟仿真技术建立数字孪生模型，称为“基于仿真的数字孪生”。基于仿真的数字孪生，具有数据依赖性低、可深入洞察机理、模型成长性好、可以实现高保真等优点。基于数字孪生技术的建模与仿真不再是离线的、独立的、特定阶段存在的，而是可以与真实世界建立永久、实时、交互的链接。

    但在很多情况下，数字孪生模型是混合型的，需根据客观条件，选择合适模型的表征方式。在产品开发的过程中，需要用到很多仿真软件，这是当前中国工业软件很薄弱的环节之一。

    此外，数字孪生还需要APP，例如隧道智能装备中，施工装备上云，实现施工过程数据实时高速采集处理；实时采集整个施工过程的关键数据；施工装备智能控制，如智能定位、智能钻孔、自动围岩判识、智能盾构换刀、自动锚杆/钢拱架拼接、自动养护等；施工作业命令云端下载、施工进度云端展示等，均需要基于云平台的施工管理类APP大规模使用，为施工大数据库积累奠定基础。

    就目前而言，数字孪生更多的还停留在初期阶段，之后该如何构建数字孪生？李培根提到了数字孪生构建软件——Ansys Twin Builder。据了解，Ansys Twin Builder是系统级建模工具支持构建数字孪生模型，能够准确地描述组件、子装配体与子系统间错综复杂的相互作用。内置库中提供丰富的组件集合，包括相似产品和电源电子组件、控制模块和传感器、机械组件、液压组件、数字和逻辑模块等，能够帮助工程师将各种来源的模型组合成全面的系统描述。也有利于生成精确的基于物理学的数字孪生模型，减少工程时间。

    “总而言之，我国也需要形成健全的生态系统，产业链上下游协同合作，才能达到数字孪生与物理实体的‘共生’。”李培根最后如是说。