胡权 2019-12-10发布 阅读:2302次 ⋅ 数字孪生体  NSF  NASA  USAF  工程科学   ⋅

2010年11月,美国NASA发布了《建模、仿真、信息技术和处理路线图》(Modeling, Simulation, Information Technology & Processing Roadmap)的报告,其中,指出了大概在2027年实现数字孪生体(Digital Twin),工业4.0研究院称之为“数字孪生体2027计划”。

值得数字孪生体联盟(DTC,Digital Twin Consortium)成员关注的是,NASA为什么2010年提出“数字孪生体”,并且确定到2027年来实现呢?

一、又是NSF,它提出了“基于仿真的工程科学”

必须承认,美国国家科学基金会(NSF,National Science Foundation)在引领全球科学研究方面,具有绝对的优势,它提出了信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)等概念。在数字孪生体的基础研究方面,NSF也扮演了启蒙和奠基作用,它提出了“基于仿真的工程科学”(SBES,Simulation-Based Engineering Science)。

2003年1月,NSF组织了来自密歇根大学、加州理工学院、伯克利、斯坦福大学、IBM等机构,撰写了题为《通过信息基础设施变革科学和工程》(Revolutionizing Science and Engineering Through Cyberinfrastructure)的报告,阐释了加强设信息基础设施建设的想法,以期引领全球科学和工程发展。

NSF的《基于仿真的工程科学》演讲稿封面

NSF随后在2003年、2004年组织了进一步的探讨,最终在2006年5月,发布了《基于仿真的工程科学:通过仿真变革工程科学》(Simulation-Based Engineering Science- Revolutionizing Engineering Science through Simulation)。

2012年NASA的E.H. Glaessgen和USAF的D.S. Stargel在参加“第53届结构、结构动力学和材料大会”(53rd Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference),做了“数字孪生体范式”的发言,并指出数字孪生体深受NSF提出SBES的影响。

佛罗里达理工大学的仿真案例(来自NSF)

围绕SBES学科建设,NSF组织了美国顶级大学和科技企业专家参与,对已有的仿真技术进行了梳理,特别是一些航空航天及军工企业(特别是空军)的实际应用,为SBES提供了研发的动力,直接促成了前面提及的报告发布。

可以认为,正是因为NSF在SBES方面的基础工作,给数字孪生体的产生提供了内容。

二、2010年NASA提出主攻数字孪生体的计划

2006年12月20日,美国总统布什发布了Executive Order 13419,要求建立国家级的先进技术路线图。2007年12月,《航空技术研发和基础设施国家计划》(National Plan for Aeronautics Research and Development and Related Infrastructure)获批,2008年12月与之相关的技术附录也编制完成。

在这样的背景下,2010年,已经进入奥巴马时代的NASA和国家研究委员会(NRC,National Research Council)开始筹备为航空领域设计一个技术路线图。

NASA组织了相关专家撰写了《NASA空间技术路线图》(NASA Space Technology Roadmaps),共涉及14个主题。据统计,该报告包含140个挑战、320种技术,时间跨度为20年,该技术路线图一直延续到2030年。

除了NASA潜心编写技术路线图,NRC还组织了一个18人的工作委员会,按照6个研究小组的方式来对NASA工作成果进行评估,以保证满足美国未来的竞争优势需要。据相关备忘显示,除了工作委员会的成员,NRC还邀请了56位不同领域专家参加技术路线图工作。

NASA空间技术路线图(红色为数字孪生体)

正是在这次报告14个技术主题(Technology Area)中,TA 11(即Modeling,Simulation,Information Technology & Processing Roadmap)提出了大致在2027年实现NASA数字孪生体(NASA Digital Twin)的规划目标。

这是目前可以查询到明确提出数字孪生体的最早文档之一。

虽然行业人士较为熟悉的Michael Grieves称自己最早提出数字孪生体的概念(Concept),但一直没有看到书面证据,工业4.0研究院认为,真正完整的数字孪生体概念提出,应该归于美国NASA和国防部(前述NASA的Glaessgen和USAF的Stargel认为DARPA的国防科学办公室提出了该概念)。

NASA在报告中,多处对数字孪生体进行了解释。在TA11-1,报告指出,“简单的讲,一个模型代表物体的特征,然而仿真代表了其行为。”在TA11-5,报告进一步指出,基于仿真的系统工程(Simulation-Based Systems Engineering)就是“NASA Digital Twin”。

三、NASA指出了数字孪生体的四大应用场景

对于数字孪生体,NASA显然寄予厚望,它指出,“基于模型的系统工程将构成NASA数字孪生体的基础。”(They will form the foundation of a NASA digital twin.)

NASA对数字孪生体的应用进行了展望,一共提出了四大应用场景:

(1)在飞行器发射前试飞,通过数字孪生体来实现。

即便没有持续的传感器更新,数字孪生体也能提供大量的参数供研究。例如,对一些缺陷进行确定,一些异常现象的处理办法可以事先拟定。简单的讲,数字孪生体的应用,可以成为飞行器孪生体的验证基础。

佛罗里达理工大学的NASA实验室

(2)对飞行器孪生体的镜像应用。

一旦飞行器开始飞行,负载、温度及其他环境指标将不断更新。除此之外,设备的损坏和健康状况的实时更新,将进入飞行器的全生命周期管理中去。

(3)提供诊断潜在灾难和损坏的平台服务。

因为数字孪生体很好的反映了飞行器健康状态,这在灾难和损坏的情况下可以深入分析。

(4)数字孪生体可以作为修订参数的应用平台。

通过数字孪生体平台,关键任务管理者可以模拟某些失效部件后的运行情况,从而决定是否要做设计上的改动,这将大大避免不必要的修改和调整,从而降低设计和制造成本。

按照计划,NASA在2012年固化了《NASA空间技术路线图》之后,2015年做了一次修订,其名称改为《NASA技术路线图》(NASA Technology Roadmaps),补充了不少数字孪生体的内容。

在2017年NASA按照新的方法撰写了《2020年NASA技术体系》(2020 NASA Technology Taxonomy),其中多处涉及数字孪生体:

  • TX06.5.1 辐射运输和风险建模(Radiation Transport and Risk Modeling)

  • TX11.2.3 人类系统绩效模型(Human-System Performance Modeling),专门提到“人类数字孪生体”(Human Digital Twin)

  • TX11.3.3 基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering)

  • TX12.2.3 可靠性和保障(Reliability and Sustainment),专门提到“虚拟数字车队领导/数字孪生体保障”(Virtual Digital fleet leader/Digital Twin sustainment)

总结

在NASA首次提出数字孪生体概念的报告前言中,它指出了“推动”(Push)和“拉动”(Pull)两个技术策略,毫无疑问,两个技术策略需要在实际应用中平衡。从技术规划引导创新发展过程中,NASA持续在远期规划(Far Term)中完善数字孪生体的应用,值得数字孪生体联盟的成员注意。

事实上,NASA还在报告中指出,降级(degraded)使用数字孪生体,将给技术回报带来新的视角。


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