中國工程院院士李培根：工業軟件是實現數字孿生的關鍵

6月7日，以“壯大工業軟件 深化數字轉型”爲主題的2021中國工業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並發表“工業軟件支撐數字孿生”主題演講。

李培根表示，數字孿生的實現關鍵在於軟件，工業軟件是智能製造的“核芯”，是不能受制於人的關鍵核心技術，也是數字孿生應用創新的動力引擎，壯大國產工業軟件需要各方協同攻關核心問題和技術難點。

當前，按照產業共識，我國正處於工業4.0的起步階段。李培根指出，工業4.0的核心是CPS（即信息物理系統），其中最能反映CPS核心的就是數字孿生，實現CPS需要5G、物聯網、大數據、工業互聯網、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，新一代製造的最大特點是數字孿生。”

數字孿生是智能裝備的“靈魂”

何爲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爲數字孿生模型的組成部分。李培根認爲，數字孿生的關鍵在於和物理生命體的共生，所謂共生就是全生命週期，數字孿生體是和物理實體應聯繫在一起。例如虛擬樣機與物理機器並無“共生”現象，因爲以前的各種單元數字技術不是整體的全生命週期，也不屬於“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，他認爲數字孿生是被時間規定的，能夠看到未來的存在。“下一刻的狀態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雲平臺的構想中，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雲端，雲智能系統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、決策控制等性能侷限，車路雲融合的智能網聯駕駛是中國智能網聯汽車的發展方向，也更有利於場景孿生。

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。同樣以自動駕駛爲例。對於常規的非自動駕駛模式，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於特定的駕駛者行爲反應，能使駕車效果進一步微調。該過程是與使用者及駕駛者的行爲聯繫在一起的。汽車新產品開發中，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發展自動駕駛汽車。

數字孿生實現的關鍵——工業軟件

數字孿生的實現關鍵在於工業軟件。不同類型的數字孿生模型，有基於經驗公式、大數據、CAD 模型，以及基於虛擬仿真的數字孿生模型。李培根將採用虛擬仿真技術建立數字孿生模型，稱爲“基於仿真的數字孿生”。基於仿真的數字孿生，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點。基於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，選擇合適模型的表徵方式。在產品開發的過程中，需要用到很多仿真軟件，這是當前中國工業軟件很薄弱的環節之一。

此外，數字孿生還需要APP，例如隧道智能裝備中，施工裝備上雲，實現施工過程數據實時高速採集處理；實時採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、智能鑽孔、自動圍巖判識、智能盾構換刀、自動錨杆/鋼拱架拼接、自動養護等；施工作業命令雲端下載、施工進度雲端展示等，均需要基於雲平臺的施工管理類APP大規模使用，爲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，之後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。據瞭解，Ansys Twin Builder是系統級建模工具支持構建數字孿生模型，能夠準確地描述組件、子裝配體與子系統間錯綜複雜的相互作用。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描述。也有利於生成精確的基於物理學的數字孿生模型，減少工程時間。

演講最後，李培根指出了構建數字孿生應用的生態系統的重要性。他指出，與其他發達國家相比，我國數字孿生的生態建設較爲欠缺，應多向國外學習，打造一個良好的生態系統。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系統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系統，產業鏈上下游協同合作，才能達到數字孿生與物理實體的‘共生’。”李培根最後如是說。

作者：劉婷宜

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