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★蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司

1　背景

以中國(guó)空間站為代表的新一代裝備呈現(xiàn)系統(tǒng)組成復(fù)雜、工作模式多樣、不同學(xué)科緊密耦合等特點(diǎn)，屬于典型的信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）。裝備自身的復(fù)雜性一方面裝備的研制與驗(yàn)證帶來(lái)挑戰(zhàn)，另一方面也對(duì)裝備長(zhǎng)期運(yùn)維提出了更高的要求。面向新一代裝備虛擬試驗(yàn)與智慧運(yùn)維的迫切需求，數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司把握以數(shù)字孿生為代表的裝備數(shù)字化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，以中國(guó)重大工程需求為牽引，立足多領(lǐng)域統(tǒng)一的系統(tǒng)建模仿真技術(shù)，進(jìn)一步突破機(jī)理-數(shù)據(jù)融合建模技術(shù)、數(shù)字孿生模型與實(shí)物虛實(shí)精準(zhǔn)映射技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，提出了有中國(guó)特色、完整支撐數(shù)字孿生“建-評(píng)-管-用”等各個(gè)環(huán)節(jié)的復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生解決方案，并形成航天領(lǐng)域的空間站全系統(tǒng)數(shù)字伴飛與核電領(lǐng)域的電廠數(shù)字化運(yùn)維等一系列典型應(yīng)用。

圖1 蘇州同元數(shù)字孿生解決方案技術(shù)框架

2　解決方案介紹

模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)數(shù)字孿生解決方案通過(guò)系統(tǒng)建模仿真軟件MWORKS.Sysplorer和科學(xué)計(jì)算軟件MWORKS.Syslab分別構(gòu)建高保真的機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型，并利用強(qiáng)大的虛實(shí)融合運(yùn)行引擎實(shí)現(xiàn)模型協(xié)同求解。最終，在統(tǒng)一的虛擬模型數(shù)據(jù)管理環(huán)境下，向上層應(yīng)用提供監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、控制五大核心服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與數(shù)字虛體的深度互動(dòng)與閉環(huán)應(yīng)用。

圖2 模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)數(shù)字孿生解決方案框架

2.1　高保真機(jī)理建模

面向數(shù)字孿生體的模型主要包括機(jī)理、數(shù)據(jù)以及幾何三個(gè)維度特征，分別以系統(tǒng)功能樣機(jī)、機(jī)理-數(shù)據(jù)融合樣機(jī)以及三維幾何樣機(jī)進(jìn)行表達(dá)。基于Modelica技術(shù)建立多層次、多物理、多尺度系統(tǒng)模型，基于有限元建立多場(chǎng)性能模型，通過(guò)“1D系統(tǒng)+3D有限元”模型融合構(gòu)建高保真機(jī)理模型，通過(guò)機(jī)理模型、實(shí)物數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)機(jī)理-數(shù)據(jù)融合的高精度混合模型。

圖3 高保真機(jī)理建模

2.2　一三維融合建模

數(shù)字孿生體行為仿真要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能模型高效仿真與三維性能模型高精度仿真的有機(jī)結(jié)合，支持?jǐn)?shù)字孿生體虛-實(shí)同步實(shí)時(shí)仿真。通過(guò)數(shù)據(jù)代理、模型降價(jià)、接口工具集成等方法將實(shí)現(xiàn)1D與3D模型的融合與聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)高效與高精度仿真平衡。

圖4 一三維融合建模

2.3　機(jī)理-數(shù)據(jù)融合建模

基于理論原理構(gòu)建的裝備機(jī)理模型僅能反映其標(biāo)稱特性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)隨實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的同步進(jìn)化。為此，裝備數(shù)字孿生模型的構(gòu)建需要機(jī)理模型與數(shù)據(jù)的深度融合。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為輸入，一方面通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝備模型參數(shù)的自動(dòng)化動(dòng)態(tài)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)隨實(shí)體的同步進(jìn)化，另一方面利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法、數(shù)據(jù)擬合算法等生成高精度的數(shù)據(jù)代理模型，彌補(bǔ)機(jī)理不清晰、無(wú)法顯性表達(dá)的問(wèn)題。

圖5 機(jī)理-數(shù)據(jù)融合建模

2.4　虛實(shí)映射交互

數(shù)字孿生體以物理實(shí)體為對(duì)象，以數(shù)字模型為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)數(shù)字-物理動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互映射實(shí)現(xiàn)虛-實(shí)互動(dòng)互控。基于設(shè)備接口模型實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型與物理設(shè)備信號(hào)關(guān)聯(lián)，采用通訊模型封裝分布式聯(lián)合仿真協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間高實(shí)時(shí)與高準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 虛實(shí)映射交互

2.5　虛實(shí)融合計(jì)算

基于Modelica模型的統(tǒng)一表達(dá)與異構(gòu)集成特性，采取統(tǒng)一仿真和聯(lián)合仿真求解機(jī)制，結(jié)合數(shù)字孿生體典型場(chǎng)景運(yùn)行環(huán)境，提供集中式、分布式協(xié)同仿真運(yùn)行策略。

圖7 虛實(shí)融合計(jì)算

2.6　虛實(shí)孿生管理

基于單一數(shù)據(jù)源的虛實(shí)全集模型數(shù)據(jù)管控技術(shù)和機(jī)制，對(duì)數(shù)字孿生體全生命周期的模型、算法以及設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)、運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行譜系化存儲(chǔ)和管理，并維護(hù)和保障數(shù)據(jù)的一致性、安全性和保密性。

圖8 虛實(shí)孿生管理

3　應(yīng)用案例介紹

3.1　空間站全系統(tǒng)數(shù)字伴飛

中國(guó)空間站系統(tǒng)規(guī)模龐大、在軌構(gòu)型種類多、任務(wù)模式復(fù)雜，對(duì)長(zhǎng)期在軌運(yùn)維提出了更高的要求，亟需利用以數(shù)字孿生為代表的先進(jìn)數(shù)字技術(shù)支持中國(guó)空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)行。蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司與中國(guó)空間站系統(tǒng)研制單位一起，利用MWORKS.Sysplorer軟件構(gòu)建包含四大專業(yè)八大系統(tǒng)在內(nèi)的空間站全系統(tǒng)多學(xué)科機(jī)理模型，建成“數(shù)字空間站”，并進(jìn)一步打通實(shí)現(xiàn)在軌空間站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與“數(shù)字空間站”仿真參數(shù)，實(shí)現(xiàn)天地同步的空間站全系統(tǒng)數(shù)字伴飛，支撐任務(wù)前地面仿真模擬、在軌實(shí)時(shí)全面監(jiān)測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)快速預(yù)示，為保障中國(guó)空間站長(zhǎng)期在軌智慧運(yùn)維提供了有效支撐。

空間站全系統(tǒng)數(shù)字伴飛應(yīng)用案例為用戶實(shí)現(xiàn)了以下價(jià)值與效益：

（1）首次實(shí)現(xiàn)了基于模型的空間站全系統(tǒng)數(shù)字伴飛，大幅增強(qiáng)空間站在軌態(tài)勢(shì)感知能力，保證了在軌狀態(tài)監(jiān)控的全面性、及時(shí)性與準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)基于遙測(cè)數(shù)據(jù)的在軌運(yùn)維模式的不足，提升空間站在軌運(yùn)維數(shù)字化水平；

（2）打通了基于模型的空間站數(shù)字伴飛流程，依托一整套面向空間站模型構(gòu)建-管理-應(yīng)用的軟件工具體系，形成了可復(fù)制、可移植的航天器數(shù)字伴飛乃至數(shù)字運(yùn)維解決方案；

（3）空間站全系統(tǒng)多學(xué)科機(jī)理模型作為高質(zhì)量數(shù)字模型資產(chǎn)，可在不同航天器型號(hào)中移植、復(fù)制，成為基于模型的航天器全生命周期研發(fā)的模型基礎(chǔ)。

圖9 中國(guó)空間站全系統(tǒng)數(shù)字伴飛應(yīng)用

3.2　燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組數(shù)字化運(yùn)維

某燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組是國(guó)內(nèi)首套超臨界二氧化碳熱電轉(zhuǎn)換工程化示范應(yīng)用，系統(tǒng)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)與換熱過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，傳統(tǒng)運(yùn)維模式難以滿足其高效、安全運(yùn)行的需求。蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司與燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組研制單位一起，基于MWORKS構(gòu)建了燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組伴生系統(tǒng)，支持實(shí)時(shí)讀取實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)與模型精準(zhǔn)映射、系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)場(chǎng)重構(gòu)等操作，使數(shù)字伴生模型的初始狀態(tài)、控制指令、邊界條件與機(jī)組實(shí)際工況完全一致，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)狀態(tài)同步。通過(guò)高保真實(shí)時(shí)模擬機(jī)組全壽期運(yùn)行特性，為機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估和決策分析提供支撐手段，并進(jìn)一步拓展至操縱人員培訓(xùn)考試以及異常工況應(yīng)急處置演練等應(yīng)用場(chǎng)景。

燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組數(shù)字化運(yùn)維應(yīng)用案例為用戶實(shí)現(xiàn)了以下價(jià)值與效益：

（1）設(shè)計(jì)階段，利用多層級(jí)、多專業(yè)的高精度機(jī)理模型，加快設(shè)計(jì)閉環(huán)迭代，優(yōu)化裕量設(shè)計(jì)，提升機(jī)組性能；

（2）調(diào)試階段，提供基于模型的虛擬操控演練環(huán)境，輔助運(yùn)維人員操控訓(xùn)練，加速人員上崗和能力提升；

（3）運(yùn)維階段，提供DCS增量的伴生運(yùn)行和告警、設(shè)備性能監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)等功能，利用數(shù)智化技術(shù)輔助運(yùn)維人員感知系統(tǒng)和設(shè)備狀態(tài)或異常，提高智能化水平，支持科學(xué)決策。

圖10 燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組虛擬操控演練

4　解決方案意義

模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)數(shù)字孿生解決方案助力實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天領(lǐng)域與核能領(lǐng)域重大裝備數(shù)字孿生工程應(yīng)用“零”的突破，實(shí)現(xiàn)了方法創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、平臺(tái)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新等四大創(chuàng)新。

（1）方法創(chuàng)新：提出了以系統(tǒng)模型為主線、融合各類模型要素的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法以及數(shù)字孿生模型與數(shù)據(jù)融合驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化運(yùn)維方法；

（2）技術(shù)創(chuàng)新：突破了機(jī)理-數(shù)據(jù)融合建模技術(shù)、數(shù)字孿生模型與實(shí)物虛實(shí)精準(zhǔn)映射技術(shù)等數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)；

（3）平臺(tái)創(chuàng)新：基于MWORKS基礎(chǔ)平臺(tái)定制開(kāi)發(fā)了空間站全系統(tǒng)數(shù)字伴飛平臺(tái)、燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組伴生系統(tǒng)，完整覆蓋包含空間站、核能在內(nèi)的復(fù)雜裝備數(shù)字孿生模型“建-評(píng)管-用”等各個(gè)環(huán)節(jié)；

（4）應(yīng)用創(chuàng)新：蘇州同元數(shù)字孿生解決方案助力實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天領(lǐng)域首個(gè)航天器型號(hào)全系統(tǒng)數(shù)字伴飛，實(shí)現(xiàn)核能領(lǐng)域國(guó)內(nèi)首套燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組數(shù)字化運(yùn)維，改變了航天、核能行業(yè)傳統(tǒng)的運(yùn)維模式。

蘇州同元模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)數(shù)字孿生解決方案構(gòu)建了一套完整的基于數(shù)字孿生體的“模型-技術(shù)-工具”能力體系，并在航天、核能重大型號(hào)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用落地，標(biāo)志著數(shù)字孿生技術(shù)從理論研究走到了了工程實(shí)踐。以數(shù)字空間站為代表的數(shù)字孿生應(yīng)用示范受到了相關(guān)行業(yè)主管單位各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的高度肯定，已成為我國(guó)裝備數(shù)字化的示范工程。同元與研制單位一道探索出了一條有中國(guó)特色、完全自主可控、切實(shí)可行的裝備數(shù)字化道路，也為國(guó)際裝備數(shù)字化技術(shù)發(fā)展提供了中國(guó)范式。

摘自《自動(dòng)化博覽》2025年5月刊