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数字孪生|在行业应用中的冷思考(二)

2年前 (2023-03-06)行业资讯
作为学术研究,我们需要采用一个合理的且没有歧义的概念,而不必纠结于NASA对于 DT的解释。但对于NASA所提到的NASA Digital Twin的真实目的却不能忽视。事实上很多人对于DT的热情和研究动机就来自于NASA Digital Twin为制造业的未来带来的无限憧憬。


虽然我们对NASA关于DT概念的解释并不认同,但换个角度想一想,NASA其实并没有将DT当作一个严肃的学术术语来进行定义。其真正想表达的意思,是强调仿真的价值,即NASA飞行器研制需要遵循“基于仿真的系统工程”这一理念。


仿真技术几乎是伴随着计算机技术的诞生而产生的,自上世纪五十年代至今,已经经历了六十多年的发展。由于仿真是以建立模型为基础的,所以为了突出建模的重要性,建模和仿真常常一起出现,即Modeling &Simulation,常缩写为M&S。


从下面的这段文字可以看出美国对建模和仿真的认识所达到的高度。这段文字摘录自美国国会于2007年7月16日通过的487号决议[14]。


美利坚合众国是一个伟大而繁荣的国家,而建模和仿真极大地促进了这一伟大和繁荣。


在美国,建模和仿真是计算机科学和数学的独特应用,它基于模型或仿真的有效性、正确性和可重复性,以及成千上万的美国人在建模和仿真事业中开发这些模型的能力。

政府、工业界和学术界的建模和仿真领域的成员为美国的整体福利做出了突出的贡献,下面的例子可以部分体现建模和仿真为美国做出的贡献,尽管这些贡献不胜枚举:


(1) 曼哈顿计划期间,通过最早复现核链式反应过程的仿真,拓展了对核裂变的理解,最终促成了第二次世界大战的结束;

(2) 作为“库存管理计划”的基本要素,使美国总统能够在不进行真实核试验的情况下,确保核武器库存十年以上的安全性和可靠性,并展示了国家对核不扩散的承诺。


仅从上面两项贡献,便可看出建模和仿真的巨大威力。而在这个决议中,这样的案例共罗列了11条。在该决议中还明确提出,建模和仿真是“国家核心技术(National Critical Technology)”。


下面的内容更加震撼。


1965年颁布的《高等教育法》是美国历史上第一部高等教育立法,它通过扩展联邦政府在高等教育财政领域的角色,使联邦政府介入美国高等教育的发展,为美国高等教育普及化奠定了基础。该法在美国高等教育改革中具有里程碑的意义[15]。


而2018年12月修订生效的新版高等教育法,专门将建模和仿真作为一项重要的内容(20 U.S. Code § 1161v - Modeling andsimulation)列入其中[16],并使用大量篇幅说明政府和社会应如何推动建模和仿真技术在大学教育中的普及。在整个法案中,还没有见到任何其他的一项技术能够享受如此高的待遇,即使近年来热火朝天的人工智能技术,都没有出现。

从这两个文件可以看出,建模和仿真技术的基础性和长远价值已远远超出其所在的技术领域范畴,将对国家利益和国家安全产生重大影响。


而在制造业,建模和仿真也一直发挥着不可替代的作用。2000年,由美国DARPA、商务部、能源部、NSF联合发布了一项国家级制造业发展战略研究及推广计划“集成制造技术路线图(IntegratedManufacturing Technology Roadmapping,IMTR)”。IMTR提出了未来制造业面临的6个“重大挑战”,即成为精良、高效的企业,提高响应客户的企业,成为全面互联的企业,保持环境可持续性,进行知识管理,善于应用新技术。不难看出,这六大挑战放到今天也仍然成立。IMTR进而提出了迎接这6大挑战的4类技术对策,即面向制造的信息系统,建模和仿真技术,制造工艺与装备,企业集成。由此可见建模和仿真技术对于制造业的重要性。


而在此报告发布之前的1997年,美国国防部对武器采办进行改革,最重要的改革就是提出“基于仿真的采办”(Simulation Based Acquisition, SBA),即将建模和仿真应用于武器从需求分析到最终报废的全生命周期过程。而洛克希德马丁公司的F35则是第一个全面引进SBA概念而研制的产品。2017年11月,有报道称,洛克希德马丁公司将数字孪生列为未来国防和航天工业六大顶尖技术之首。洛马的数字孪生背后其实是SBA,即基于仿真的采办,这与NASA的基于仿真的系统工程如出一辙。


建模和仿真技术六十多年前诞生于美国,而且一直都在为美国的国家利益发挥着不可估量的作用,但美国人从来不把建模和仿真拿出来炒作。其中的原因值得我们深思。


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