數字孿生解決方案
一、背景需求
隨著與云計算、大數據、物聯網、人工智能等新技術新理念的融合，建模仿真正在進入一個新的發展階段，向著數字化、網絡化、服務化、智能化方向發展。
圖1 建模與仿真
數字孿生是建模仿真技術與物聯網LOT、虛擬現實VR等技術相結合的產物，在工業互聯網浪潮的推動下，在各行各業得到廣泛應用。在智能制造領域，通過建立物理系統的數字模型、實時監測系統狀態并驅動模型動態更新實現系統行為更準確的描述與預報，從而在線優化決策與反饋控制，數字孿生可應用于復雜裝備的設計研發、制造裝配和運行維護。
圖2 數字孿生
a) 在設計與驗證階段：通過數字孿生技術，可實現設計數據、模型的復用，為下一代裝備的設計和改良提供參考價值，縮短裝備設計驗證周期，滿足裝備多樣性和快速響應研發需求；
b) 在制造與測試階段：通過數字孿生技術，可以實現生產的數字化規劃，實現排產和調度方案動態尋優；制造的數字化監測，實現制造過程異常與潛在問題的及時發現與解決；
c) 在交付與培訓階段：通過數字孿生技術，提供精準的裝備數字化模型和數據，實現物理與數字雙交付和人員虛擬仿真實訓。
d) 在運維與保障階段：通過數字孿生技術，可以實現運行狀態數據精準感知和運行狀態及趨勢動態預知，從而更早地發現、解決和預防未來可能發生的異常和問題。
e) 在報廢與回收階段：通過數字孿生技術，可以根據固定時限或固定使用次數進行裝備報廢決策，避免裝備因過早報廢而浪費資源。
二、 數字孿生關鍵技術
數字孿生通過用實時監測數據消除模型不確定性，用精確模擬代替真實場景，從而優化實際系統的操作和運維，其實現需要的關鍵技術包括：
1）數字孿生集成平臺
數字孿生的實現需要發展新的工具平臺，集成多物理場仿真、數據管理、大數據分析、動態數據驅動決策等多個功能模塊，同時借助虛擬現實VR或增強現實AR等可視化技術，使決策者能夠快速準確地了解系統實際狀態，從而指導對系統的操作，實現效能更高的控制與優化。
圖3 統一的數字底座
2）復雜系統建模與仿真
數字孿生體是真實物理實體的數字化鏡像，需要在虛擬空間中實現真實物理實體的形態與性能。既要反映真實物理體客觀的外在行為，也要呈現內在的，無法觀測到的客觀行為與特征。因此需要多學科、多物理場、多尺度的高精度建模技術與工具。
圖4 多物理場建模仿真
3）數據采集與實時監測
數字孿生體需要實時感知物理系統性能狀態并收集系統周圍環境信息，因此需要傳感與監測技術。通過安裝在系統結構表面或嵌入結構內部的分布式傳感器網絡，獲取結構狀態與載荷變化、操作以及服役環境等信息，實時監測系統在生產、制造、服役以及維護過程。
圖5 數據采集監測
4）數據驅動分析與決策
實時交互性與動態演化性是數字孿生體的兩個重要特性，而動態數據驅動應用系統這種全新的仿真應用模式，能夠將模型與物理系統有機的結合起來，在實際服役過程中，利用實時監測的數據動態更新模型，更新后的模型可以得到許多測量無法直接輸出的數據，從而驅動更準確地分析系統特性。
圖 6 動態數據驅動
5）三維實時動態渲染
數字孿生系統涉及孿生數據與云端的交互以及孿生數據在云平臺下的可視化，現階段主要通過APP或Web作為交互手段實現數字孿生系統的云化。其中基于Web的方式使得一套系統可在不同的平臺下運行，具有天然的跨平臺性優勢，同時在用戶便利性方面也具備一定優勢，用戶無需安裝其他軟件應用，只需要通過瀏覽器就能訪問系統，可以隨時隨地開展工作。采用基于Unity的WebGL完成系統的可視化任務。WebGL作為一種3D繪圖標準，通過JavaScript的API呈現3D電腦圖形，這種一致性使API可以利用用戶設備提供的硬件圖形加速，借助系統顯卡在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型。將Unity工程發布為WebGL版本可以實現在Web瀏覽器中嵌入Unity內容，使得瀏覽器有能力成為部署交互式圖形應用程序的平臺，用于本地或在線數據創建各種交互式可視化，并允許在用戶之間共享可視化結果。
圖 7 三維實時渲染
三、行業案例實踐
應用案例一：發動機預測與健康管理系統在發動機運行過程中對關鍵部件狀態進行實時監測，通過機載傳感器實時監測信息，借助數字孿生，利用超高保真模型和綜合數據相結合的綜合分析方法來轉換為機載診斷信息和壽命管理信息，通過地面站系統處理后形成故障隔離任務，根據部件壽命消耗的情況和故障隔離處置結果產生備件需求信息、發動機修理更換件信息，并發送至供應保障系統、維修工作人員和基地級大修機構，實現航空發動機的數字化保障。
圖8 航空發動機故障診斷與健康管理
應用案例二：針對某客戶廠房環境的實時監測、告警與預測需求，通過傳感器對廠房的溫度、濕度等環境指標進行監測，并利用曲線走勢圖、預警列表等可視化報表直觀呈現，輔助企業數智化決策。
圖9 廠房環境溫度實時監測系統
