★蘇州同元軟控信息技術有限公司

1　背景

以中國空間站為代表的新一代裝備呈現(xiàn)系統(tǒng)組成復雜、工作模式多樣、不同學科緊密耦合等特點，屬于典型的信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）。裝備自身的復雜性一方面裝備的研制與驗證帶來挑戰(zhàn)，另一方面也對裝備長期運維提出了更高的要求。面向新一代裝備虛擬試驗與智慧運維的迫切需求，數字孿生（Digital Twin）技術應運而生。

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。蘇州同元軟控信息技術有限公司把握以數字孿生為代表的裝備數字化技術發(fā)展趨勢，以中國重大工程需求為牽引，立足多領域統(tǒng)一的系統(tǒng)建模仿真技術，進一步突破機理-數據融合建模技術、數字孿生模型與實物虛實精準映射技術等關鍵技術，提出了有中國特色、完整支撐數字孿生“建-評-管-用”等各個環(huán)節(jié)的復雜系統(tǒng)數字孿生解決方案，并形成航天領域的空間站全系統(tǒng)數字伴飛與核電領域的電廠數字化運維等一系列典型應用。

圖1 蘇州同元數字孿生解決方案技術框架

2　解決方案介紹

模型與數據驅動的系統(tǒng)數字孿生解決方案通過系統(tǒng)建模仿真軟件MWORKS.Sysplorer和科學計算軟件MWORKS.Syslab分別構建高保真的機理模型與數據模型，并利用強大的虛實融合運行引擎實現(xiàn)模型協(xié)同求解。最終，在統(tǒng)一的虛擬模型數據管理環(huán)境下，向上層應用提供監(jiān)測、評估、預測、優(yōu)化、控制五大核心服務功能，實現(xiàn)物理實體與數字虛體的深度互動與閉環(huán)應用。

圖2 模型與數據驅動的系統(tǒng)數字孿生解決方案框架

2.1　高保真機理建模

面向數字孿生體的模型主要包括機理、數據以及幾何三個維度特征，分別以系統(tǒng)功能樣機、機理-數據融合樣機以及三維幾何樣機進行表達。基于Modelica技術建立多層次、多物理、多尺度系統(tǒng)模型，基于有限元建立多場性能模型，通過“1D系統(tǒng)+3D有限元”模型融合構建高保真機理模型，通過機理模型、實物數據、機器學習算法實現(xiàn)機理-數據融合的高精度混合模型。

圖3 高保真機理建模

2.2　一三維融合建模

數字孿生體行為仿真要求實現(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結合，支持數字孿生體虛-實同步實時仿真。通過數據代理、模型降價、接口工具集成等方法將實現(xiàn)1D與3D模型的融合與聯(lián)合仿真，實現(xiàn)高效與高精度仿真平衡。

圖4 一三維融合建模

2.3　機理-數據融合建模

基于理論原理構建的裝備機理模型僅能反映其標稱特性，無法實現(xiàn)模型參數隨實體運行狀態(tài)的同步進化。為此，裝備數字孿生模型的構建需要機理模型與數據的深度融合。以實驗數據為輸入，一方面通過驅動裝備模型參數的自動化動態(tài)標定，實現(xiàn)模型參數隨實體的同步進化，另一方面利用機器學習算法、數據擬合算法等生成高精度的數據代理模型，彌補機理不清晰、無法顯性表達的問題。

圖5 機理-數據融合建模

2.4　虛實映射交互

數字孿生體以物理實體為對象，以數字模型為驅動，通過數字-物理動態(tài)實時交互映射實現(xiàn)虛-實互動互控。基于設備接口模型實現(xiàn)數字模型與物理設備信號關聯(lián)，采用通訊模型封裝分布式聯(lián)合仿真協(xié)議實現(xiàn)虛實之間高實時與高準確性數據傳輸。

圖6 虛實映射交互

2.5　虛實融合計算

基于Modelica模型的統(tǒng)一表達與異構集成特性，采取統(tǒng)一仿真和聯(lián)合仿真求解機制，結合數字孿生體典型場景運行環(huán)境，提供集中式、分布式協(xié)同仿真運行策略。

圖7 虛實融合計算

2.6　虛實孿生管理

基于單一數據源的虛實全集模型數據管控技術和機制，對數字孿生體全生命周期的模型、算法以及設計、仿真、試驗、運維數據進行譜系化存儲和管理，并維護和保障數據的一致性、安全性和保密性。

圖8 虛實孿生管理

3　應用案例介紹

3.1　空間站全系統(tǒng)數字伴飛

中國空間站系統(tǒng)規(guī)模龐大、在軌構型種類多、任務模式復雜，對長期在軌運維提出了更高的要求，亟需利用以數字孿生為代表的先進數字技術支持中國空間站長期在軌運行。蘇州同元軟控信息技術有限公司與中國空間站系統(tǒng)研制單位一起，利用MWORKS.Sysplorer軟件構建包含四大專業(yè)八大系統(tǒng)在內的空間站全系統(tǒng)多學科機理模型，建成“數字空間站”，并進一步打通實現(xiàn)在軌空間站實測數據與“數字空間站”仿真參數，實現(xiàn)天地同步的空間站全系統(tǒng)數字伴飛，支撐任務前地面仿真模擬、在軌實時全面監(jiān)測、運行狀態(tài)快速預示，為保障中國空間站長期在軌智慧運維提供了有效支撐。

空間站全系統(tǒng)數字伴飛應用案例為用戶實現(xiàn)了以下價值與效益：

（1）首次實現(xiàn)了基于模型的空間站全系統(tǒng)數字伴飛，大幅增強空間站在軌態(tài)勢感知能力，保證了在軌狀態(tài)監(jiān)控的全面性、及時性與準確性，彌補了傳統(tǒng)基于遙測數據的在軌運維模式的不足，提升空間站在軌運維數字化水平；

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

（3）空間站全系統(tǒng)多學科機理模型作為高質量數字模型資產，可在不同航天器型號中移植、復制，成為基于模型的航天器全生命周期研發(fā)的模型基礎。

圖9 中國空間站全系統(tǒng)數字伴飛應用

3.2　燒結余熱發(fā)電機組數字化運維

某燒結余熱發(fā)電機組是國內首套超臨界二氧化碳熱電轉換工程化示范應用，系統(tǒng)高溫煙氣流動與換熱過程機理復雜，傳統(tǒng)運維模式難以滿足其高效、安全運行的需求。蘇州同元軟控信息技術有限公司與燒結余熱發(fā)電機組研制單位一起，基于MWORKS構建了燒結余熱發(fā)電機組伴生系統(tǒng)，支持實時讀取實測運行數據，通過數據預處理、數據與模型精準映射、系統(tǒng)狀態(tài)參數場重構等操作，使數字伴生模型的初始狀態(tài)、控制指令、邊界條件與機組實際工況完全一致，實現(xiàn)虛實狀態(tài)同步。通過高保真實時模擬機組全壽期運行特性，為機組運行狀態(tài)監(jiān)測評估和決策分析提供支撐手段，并進一步拓展至操縱人員培訓考試以及異常工況應急處置演練等應用場景。

燒結余熱發(fā)電機組數字化運維應用案例為用戶實現(xiàn)了以下價值與效益：

（1）設計階段，利用多層級、多專業(yè)的高精度機理模型，加快設計閉環(huán)迭代，優(yōu)化裕量設計，提升機組性能；

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

（3）運維階段，提供DCS增量的伴生運行和告警、設備性能監(jiān)測、系統(tǒng)性能預測等功能，利用數智化技術輔助運維人員感知系統(tǒng)和設備狀態(tài)或異常，提高智能化水平，支持科學決策。

圖10 燒結余熱發(fā)電機組虛擬操控演練

4　解決方案意義

模型與數據驅動的系統(tǒng)數字孿生解決方案助力實現(xiàn)我國航天領域與核能領域重大裝備數字孿生工程應用“零”的突破，實現(xiàn)了方法創(chuàng)新、技術創(chuàng)新、平臺創(chuàng)新、應用創(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字孿生模型構建方法以及數字孿生模型與數據融合驅動的數字化運維方法；

（2）技術創(chuàng)新：突破了機理-數據融合建模技術、數字孿生模型與實物虛實精準映射技術等數字孿生關鍵技術；

（3）平臺創(chuàng)新：基于MWORKS基礎平臺定制開發(fā)了空間站全系統(tǒng)數字伴飛平臺、燒結余熱發(fā)電機組伴生系統(tǒng)，完整覆蓋包含空間站、核能在內的復雜裝備數字孿生模型“建-評管-用”等各個環(huán)節(jié)；

（4）應用創(chuàng)新：蘇州同元數字孿生解決方案助力實現(xiàn)我國航天領域首個航天器型號全系統(tǒng)數字伴飛，實現(xiàn)核能領域國內首套燒結余熱發(fā)電機組數字化運維，改變了航天、核能行業(yè)傳統(tǒng)的運維模式。

蘇州同元模型與數據驅動的系統(tǒng)數字孿生解決方案構建了一套完整的基于數字孿生體的“模型-技術-工具”能力體系，并在航天、核能重大型號中實現(xiàn)應用落地，標志著數字孿生技術從理論研究走到了了工程實踐。以數字空間站為代表的數字孿生應用示范受到了相關行業(yè)主管單位各級領導的高度肯定，已成為我國裝備數字化的示范工程。同元與研制單位一道探索出了一條有中國特色、完全自主可控、切實可行的裝備數字化道路，也為國際裝備數字化技術發(fā)展提供了中國范式。

摘自《自動化博覽》2025年5月刊