刘桂镗
航天科工三院三部信息化专家，研究方向为数字孪生、MBSE、信息化总体技术等。
摘 要
2019年3月，美国海军使用“虚拟宙斯盾”系统成功进行首次实弹拦截试验，成为数字孪生应用的里程碑事件。本文阐述了数字孪生的内涵，结合“虚拟宙斯盾”系统，分析国外发展现状和趋势，为数字孪生在国内的应用提供参考和启发。
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基本内涵
“数字孪生”的概念最早可以追溯到2003年，美国密歇根大学的Michael Grieves教授提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”，后来称之为“镜像空间模型”、“信息镜像模型”，2011年Grieves教授引用了合作者John Vickers提出的概念——数字孪生（Digital Twin）[1]，并沿用至今。随着数字孪生在学术界、产业界成为研究热点，其概念不断被赋予新的内涵。2017年，Grieves教授广泛总结各界新观点，将数字孪生定义为：数字孪生是一组虚拟信息结构的集合，能够从微观原子层级到宏观几何层级上完整描述某一潜在的或实际制造的物理产品。在理想状态下，数字孪生能够包含反映其物理产品的所有信息[2]。
该定义中数字孪生特指数字孪生产品或数字孪生体。数字孪生体分为两种类型：数字孪生样机（Digital Twin Prototype，DTP）和数字孪生实例（Digital Twin Instance，DTI）。数字孪生体的仿真运行需要有产品所处的物理环境的数字化镜像——数字孪生环境（Digital Twin Environment，DTE）的支撑。数字孪生体和数字孪生环境共同构成了数字孪生空间（DigitalTwin Space），与虚体空间基本同义。
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国外研究和应用现状
数字孪生的概念在2003年提出时并没有引起太多的重视。2011年，美国空军研究实验室和NASA合作提出构建未来飞行器数字孪生体，此后数字孪生得到了广泛关注。国外学者针对数字孪生的内涵和演变过程、体系架构和参考模型、建模和交互融合等关键技术、实施途径、应用模式等开展了很多研究。包括美国军方、NASA、洛马、波音、诺格、空客在内的国际着名机构和企业均将数字孪生列为未来顶尖技术和战略发展方向，积极推进数字孪生技术的实际应用。GE、PTC、ANSYS、达索系统、西门子、SAP等工业软件巨头都提出了自己擅长领域的数字孪生解决方案。2108年，美国国家数字化制造与设计创新机构（DMDII）将数字孪生技术列为 2018 年战略投资重点，标志着数字孪生已成为美国政府和军方的关注重点。
2019年3月，美国海军托马斯?哈德纳号“阿利?伯克”级导弹驱逐舰使用“虚拟宙斯盾”系统成功进行首次实弹拦截试验[3]，成为数字孪生技术应用于复杂系统的里程碑事件。“虚拟宙斯盾”系统虚拟了部分“宙斯盾”系统的核心硬件，包含了“宙斯盾”作战系统基线9的全部代码，可执行全部的作战系统功能，并可直接随舰部署，参与演习。在不影响被测舰艇实际作战系统情况下，利用自动测试与重测试（ATRT）设备通过特殊协议从本舰获取实战数据，对作战软件进行现场测试和评估，并在作战软件通过校核、验证与确认（VV&A）流程后，实时在线更新到战舰上（图1），无需等待18至24个月来重新编码、重新测试和再次认证等，从而打破软硬件耦合的传统研制模式，大幅缩短“宙斯盾”系统新能力的升级和部署周期，降低总成本。在演习结束后，还可利用ATRT设备进行重测试，模拟许多无法在实战和演习中进行的场景，更全面地测试作战系统软件功能，提高软件研发质量；并可利用算法与程序的改进，为“宙斯盾”延寿升级，促进其战力显著提升。
图1 “虚拟宙斯盾”作战系统软件的在线升级模式
除“虚拟宙斯盾”系统外，美俄欧等军事强国大量采用数字孪生技术，驱动新型装备研制模式变革，已取得了一定实效[4,5]。如在研发设计领域，达索航空将数字孪生技术应用于新型战斗机研发，实现降低浪费25%，质量改进15%。在生产制造领域，洛马部署基于数字孪生的“智能空间平台”，每架 F-35战斗机生产周期将从22个月缩短到17个月，制造成本降低10%。在运行维护领域，NASA研究基于数字孪生的复杂系统故障预测与消除方法，并应用在飞机、飞行器、运载火箭等飞行系统的健康维护管理中。
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数字孪生发展趋势
从以上情况可以发现，当前国外数字孪生相关理论、技术、产品不断完善，落地应用日渐深入，整体呈现快速发展态势。
（1）数字孪生与新一代信息技术深入融合，不断提升解决实际问题的能力。随着传统建模仿真技术与云计算、物联网、大数据、人工智能（AI）、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）等技术的进一步融合，推动数字孪生技术不断成熟，其模拟、监控和优化实体世界的能力不断增强，将为传统业务向数字化转型提供更有利的技术支撑。
（2）数字孪生应用范围不断扩展，将覆盖制造业全产业链和更多行业。数字孪生提出初期主要面向军工制造业需求，且主要应用于运行维护领域。近年来一方面向研发设计和生产制造领域延伸，覆盖产品全生命周期、全产业链；另一方面逐步向电力、汽车、医疗等民用领域拓展，并开始向建筑、交通、城市等更复杂的行业推进，显示出广阔的应用前景。
（3）数字孪生产业生态正在加速形成，有望改变行业竞争规则。在产、学、研各方的共同努力下，以数字孪生为核心的技术、产品、组织和产业正快速成长和成熟。特别是国外知名工业软件企业联合先进制造企业，围绕数字孪生技术形成一整套的解决方案，在这项被誉为有望改变“游戏规则”的顶尖技术领域走在了前列，值得引起国内的关注和重视。
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结束语
数字孪生能够有效实现虚拟世界和实体世界的交互与共融，被誉为未来有望改变“游戏规则”的顶尖技术，为复杂系统建模和仿真发展提供了新的源动力。数字孪生最初主要应用于军工制造业，目前已逐步扩展到制造业以外的众多行业，对推动智能制造、智慧医疗、智慧城市等先进理念在我国的落地实施，加快我国实体经济转型升级，具有重要意义。
本文节选自《数字孪生技术在复杂系统中的应用与展望》。
参考文献
[1]Grieves M. Virtually perfect: drivinginnovative and lean products through product lifecycle management [M].Cocoa Beach,Fla., USA: Space Coast Press, 2011.
[2] Grieves M, VickersJ. Digital twin: mitigating unpredictable， undesirable emergent behavior incomplex systems[M] // Trans-disciplinary Perspectives on Complex Systems. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 2017.
[3]国防科技信息网. 美国海军“虚拟宙斯盾”完成实弹测试[EB/OL].[2019-4-28]. http://www.dsti.net/Information/News/115034.
[4]国防科技工业编辑部. 美欧军工领域发力数字孪生技术应用[J]. 国防科技工业，2019，(2)：36-37.
[5]陈骞. 国外数字孪生进展与实践[J]. 上海信息化，2019，(1)：78-80.
