李培根:数字双胞胎是智能设备的“灵魂”，工业软件是智能制造的“核心”

6月7日，主题为“强化工业软件，深化数字化转型”的2021中国工业软件大会在重庆隆重召开。中国工程院院士李培根出席会议并发表了题为“工业软件支持数字结对”的主旨演讲。他说，实现数字结对的关键在于软件。工业软件是智能制造的“核心”，是不可人为控制的关键核心技术，也是数字孪生应用创新的驱动引擎。

目前，根据行业共识，中国正处于工业4.0的起步阶段。李培根指出，工业4.0的核心是计算机物理系统，其中数字结对最能体现计算机物理系统的核心。CPS的实现需要5G、物联网、大数据、工业互联网、VR/AR、人工智能等新兴技术的支撑，而数字结对恰好在5G、人工智能等技术的应用中发展。可以说，数字孪生更大程度上是一个技术概念，与CPS概念高度兼容。"因此，新一代制造业的最大特点是数字结对."

数字结对是智能设备的“灵魂”

什么是物理生活和数字双胞胎？李培根解释说，物质生活是伴随其数字模型的“孕育”(即实体的设计和开发)和服务(运营和使用)过程中的一种物理实体(如产品或设备)；数字双胞胎是对服务或孕育过程中的“物质生活”的数字描述。李培根将数据比作物质生活的“血液”。数据和智能赋予物理实体“生命”，而数字双胞胎是智能设备的“灵魂”。

事实上，数字孪生所涉及的单位技术早就出现了，很多反映物理实体的数字模型似乎都被视为数字孪生模型的组成部分。李培根认为，数字结对的关键在于与物质生活的共生。共生是整个生命周期，数字结对要和物理实体挂钩。比如虚拟样机和物理机之间不存在“共生”现象，因为之前的单元数字技术并不是整个生命周期，也不属于“共生”的含义。

李培根强调，在运行机械设备的过程中，有必要关注它的下一个状态。他认为数字双胞胎是由时间定义的，可以看到未来的存在。“下一刻的状态和未来的进化很重要。”李培根用一个自动驾驶的例子来说明这个场景。在未来交通数字双云平台的构想中，有一条高带宽、低延迟的5G通信链路，可以将感知到的信息实时传输到路边或云端，云智能系统还会高效地将调度信号推送给客户或路边单位。“如果不感知周围的场景，很难做出实时判断。”李培根承认，由外国领导的自行车智能具有感知和决策控制等性能限制。车路云一体化的智能联网驾驶是我国智能联网汽车的发展方向，也更有利于场景的结对。

当然，李培根也指出，结对过程也很重要。结对不仅是为了产品，也是为了用户。以自动驾驶为例。对于常规的非自动驾驶模式，除了汽车的数字双生模型之外，还需要建立驾驶员的数字双生模型，这样就可以根据具体驾驶员在困难情况下的行为反应进一步微调驾驶效果。这个过程与用户，也就是司机的行为有关。在汽车新产品的开发中，应通过在千千行驶一万英里的汽车数据来模拟汽车性能和驾驶员的反应，以评估设计变更的效果。据报道，特斯拉将为每一辆售出的汽车建立一个数字孪晶，未来特斯拉将继续与其他汽车公司一起开发自动驾驶汽车。

数字结对的关键——工业软件

实现数字结对的关键在于工业软件。不同类型的数字双胞胎模型包括经验公式、大数据、CAD模型、基于虚拟仿真的数字双胞胎模型。李培根将利用虚拟仿真技术建立数字双胞胎模型，称之为“基于仿真的数字双胞胎”。基于模拟的数字孪生具有数据依赖性低、机理洞察深刻、模型生长良好、保真度高等优点。基于数字孪生技术的建模与仿真不再是离线的、独立的、存在于特定阶段的，而是可以与现实世界建立永久的、实时的、互动的联系。

但在很多情况下，数字孪生模型是一种混合模型，需要根据客观条件选择合适的表示方式。在产品开发过程中，需要大量的仿真软件，这是目前我国工业软件的薄弱环节之一。

此外，数字结对还需要APP，如隧道智能设备、云上施工设备等，实现施工过程数据的实时高速采集和处理；实时收集整个施工过程的关键数据；施工设备智能控制，如智能定位、智能钻孔、自动围岩识别、智能盾构换刀、自动锚杆/钢拱拼接、自动维护等。施工工单的云下载和施工进度的云展示都需要大规模使用基于云平台的施工管理应用，为大型施工数据库的积累奠定基础。

目前，数字双胞胎还处于起步阶段。以后如何打造数字双胞胎？李培根提到了数字双胞胎建筑软件——Ansys Twin Builder。据了解，Ansys Twin Builder是一个支持数字Twin模型构建的系统级建模工具，能够准确描述组件、子组件和子系统之间的复杂交互。内置库提供了丰富的组件集，包括类似产品和电力电子组件、控制模块和传感器、机械组件、液压组件、数字和逻辑模块等。它可以帮助工程师将各种来源的模型组合成一个全面的系统描述。也有利于基于物理生成精确的数字孪生模型，减少工程时间。

在演讲的最后，李培根指出

出了构建数字孪生应用的生态系统的重要性。他指出，与其他发达国家相比，我国数字孪生的生态建设较为欠缺，应多向国外学习，打造一个良好的生态系统。构建数字孪生涉及到多个领域的技术问题，如构建模型、数据传递、服务接口、连接识别、部署机制等，因此，要想释放数字孪生的全部价值，整合整个数字孪生生态系统中的所有数据和模型就非常必要。

“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。