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多年來，工程模擬仿真技術在幫助企業(yè)產品研發(fā)團隊加速產品創(chuàng)新、提高產品上市進程，以及降低成本方面發(fā)揮了重要作用。隨著數(shù)字孿生體時代的到來，工程仿真技術應用的深度和廣度又邁上了新的臺階。最為服務于中國企業(yè)仿真技術應用的企業(yè)，安世亞太提出了“數(shù)字孿生體是仿真應用新巔峰”這一論斷，提出了數(shù)字孿生體成熟度進化的每個過程中，仿真都扮演著不可或缺的角色。

數(shù)字孿生體是一個開放的架構，自誕生之日起，其內涵和外延都在不斷演變進化中。安世亞太咨詢總工程師海波博士總結了數(shù)字孿生體的發(fā)展歷程，將其分為四個階段：

(1) 1960-世紀之交，是數(shù)字孿生體的技術準備期

主要是指CAD/CAE建模仿真、傳統(tǒng)系統(tǒng)工程等預先技術的準備。結構、流體等仿真軟件都誕生于這一時期，仿真技術的發(fā)展和普及為數(shù)字孿生體概念誕生孕育了堅實的基礎。

(2) 2002-2010，是數(shù)字孿生體的概念產生期

指數(shù)字孿生體模型的出現(xiàn)和英文術語名稱的確定。這段時間，預先技術繼續(xù)成熟，出現(xiàn)了仿真驅動的設計、基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）等先進設計范式。

(3) 2010-2020是數(shù)字孿生體的預先應用期

主要指NASA、美軍方和GE等航空航天國防軍工機構的領先應用，其中NASA發(fā)布了包含數(shù)字孿生體的建模仿真、材料結構兩份技術路線圖。

(4) 2020-未來，數(shù)字孿生體技術的深度開發(fā)和大規(guī)模擴展應用期

數(shù)字孿生體的發(fā)展的四個階段

數(shù)字孿生體的核心是由模型驅動的，而常用的建模方法有兩大類，一類是第一性原理或稱為基于物理的方法（仿真即屬于這一類），另一類是基于數(shù)據(jù)的方法（例如深度學習和人工智能）。在應用上，這兩種方法都能夠預測物理世界的未來狀態(tài)，起到“先知”的作用。區(qū)別是仿真是基于機理的，不受外在條件限制，而基于數(shù)據(jù)的方法則受到歷史數(shù)據(jù)多寡的限制，同時，如果要考慮的影響因素太多的話，現(xiàn)有的深度學習技術還難以實現(xiàn)對未來的預測。

數(shù)字孿生的建模方法第一性原理和數(shù)據(jù)驅動（圖片來源于Mathworks）

因此，基于第一性原理對未來的預測，讓仿真天然就具有“先知”能力，這種能力則使得數(shù)字孿生體智能化。缺少“先知”能力的數(shù)字孿生體，僅能感知現(xiàn)在，成為現(xiàn)實世界的可視化虛體。

安世亞太仿真專家楊振亞用兩個例子來說明仿真在數(shù)字孿生體中的“先知”作用。

第一個例子：一臺運行中的泵的數(shù)字孿生體

該案例利用ANSYS仿真平臺模擬泵的運行過程，利用PTC ThingWorx®物聯(lián)網平臺將設傳感器和制動器連接到數(shù)字孿生體。

在泵的入口和出口處配備壓力傳感器，泵和軸承箱上配備測量振動的加速計，排出側配備流量計。致動器控制排出閥，進口側的閥門通過手動控制。傳感器和致動器與數(shù)據(jù)采集設備連接，該設備能以20KHz的頻率對數(shù)據(jù)進行采樣，ThingWorx可作為傳感器與數(shù)字數(shù)據(jù)（包括泵的仿真模型）之間的網關，負責監(jiān)控傳感器和其他設備，能自動學習泵運行時的正常狀態(tài)模式，鑒別異常運行狀態(tài)，并生成洞察力信息和預測結果。

在測試中，操作人員如果把泵入口的電磁閥門關小，會監(jiān)測到振動加速計數(shù)據(jù)超標。通過ANSYS平臺的仿真結果，查看到泵的局部壓力過低，三維流場中發(fā)生汽蝕。如果不排除這一現(xiàn)象，泵的葉輪將在汽蝕條件下?lián)p壞。通過數(shù)字孿生體的仿真，模擬出增加上游閥門的合理開度值就可解決該問題。操作人員按此調節(jié)閥門，故障得到解除。

ANSYS、PTC實施的泵的數(shù)字孿生體

第二個例子：1986年烏克蘭的切爾諾貝利核電站事故

當時造成了6-8萬人死亡（圖4）。事故原因目前還有兩種觀點，一種觀點認為是操作失誤（操作人員在定期維修和測試時，遇到功率下降太快的情況，而工程師選擇拆除反應堆的部分控制桿來提升功率。這個決策，沒有歷史數(shù)據(jù)可以參考，工程師是憑借個人經驗做出的決定。）另一種觀點認為是設計缺陷。不管是哪一種原因，如果當時有核電站的數(shù)字孿生體，完全可以先在數(shù)字孿生體里“試操作”，看看會發(fā)生什么，當反應堆的數(shù)字孿生體顯示危險的后果時，可以調整控制策略以確保安全。利用數(shù)字孿生體的“先知”，很可能就避免了這場世紀大災難的發(fā)生。

切爾諾貝利核事故的影響范圍

未來，更多具有“先知”的數(shù)字孿生體會一定出現(xiàn)在我們身邊。安世亞太將致力于利用工程仿真技術，推動數(shù)字孿生體技術的應用，與您一起共同推動人類文明的可持續(xù)發(fā)展。