装备数字孪生大规模落地应用的一个关键瓶颈问题是缺乏系统有效的可信评估方法。本文 分析了装备数字孪生的动态演化性、虚实交互性等关键特征,提出了装备数字孪生可信评估框架, 包括数字孪生的可信内涵、多维多层次可信评估指标体系和可信评估方法论,并以机械臂数字孪 生为例说明了整个评估过程,可以为数字孪生的评估、构建提供方向性指导。

本文中装备是指关系国家实力和国家安全的 一类复杂产品。加快装备全生命周期的数字化、 智能化,提升装备研制的自主创新能力,是实现 我国“制造强国”战略的关键。融合建模仿真、 智能制造和新一代信息技术的数字孪生(digital twin, DT)技术,已成为支持装备全生命周期活动 的重要使能技术。数字孪生是物理对象的一种数字化模型,该 模型可以通过接收来自物理对象的数据而实时演 化,从而与物理对象在全生命周期保持一致[1] 。在 装备全生命周期利用数字孪生[2-7] ,可以显著提高 装备创新设计水平、缩短研发周期、降低研制成本以及增强装备自主运维能力等。值得一提的是, 在装备的研发设计阶段,围绕装备的数字孪生模 型,开展基于建模仿真的体系工程[8-9] ,可以在数 字空间预先对设计方案进行试验论证,大幅减少 物理实验的投入。但在实践中,装备数字孪生仍难以大规模投 入使用以真正发挥作用,其中最重要的一个瓶颈 问题便是装备数字孪生的可信问题。模型的可信 指的是使用者对模型能够充分反映客观实体的真 实特性并且能够满足使用者既定需求的信心[7] 。只 有可信的数字孪生才能精准及时地反映装备的特 性和状态,进而辅助人们作出正确决策。而由于 数字孪生与物理对象保持着数据的实时交互,因 此采用不可信的数字孪生不仅无法完成预定的任 务,还可能带来灾难性的后果。

当前国内外关于装备数字孪生可信评估的研 究严重滞后,在很大程度上阻碍了数字孪生的进 一步推广和深层次应用。已有对于数字孪生的验 证和评价,大多从外形逼真程度或仿真输出结果 的接近程度考虑,这对于一个复杂的装备数字孪 生而言,是不够全面和科学的。由于数字化模型 与物理对象绝对地相等是不可能的,过度追求逼 真或高精度反而会带来不必要的复杂性,这些复 杂性往往又会引入不确定性,进而导致模型难以 计算和使用,反而会降低可信度。通过收集并比 较装备数字孪生模型与物理实体在某一段时间的 输出数据的一致性来判定孪生的可信性同样存在 不足,输出数据在序列模式上存在一致性固然可 以说明孪生模型与物理实体在外在表现上存在相 似性,但是并不代表孪生模型与物理实体在内部 机理结构上保持一致,同时,一段时间上的数据 样本并不能代表全局输出的一致。因此,对于一 个装备的数字孪生而言,外形的逼真、输出结果 的相近并不能等同于可信。装备数字孪生的可信 评估现实和合理的途径是以满足需求为原则,从 装备数字孪生的全生命周期考察,在每一个环节 都保持可信,才能使得最终的孪生模型可信。 综上所述,装备数字孪生的可信评估是复杂 的系统工程,亟须一套系统全面的可信评估理论 及方法,一方面,为装备数字孪生的可信评估提 供完整的解决方案;另一方面,也可为如何构建 可信的装备数字孪生提供指导,从而为装备数字 孪生的落地应用提供可信保障。

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数字孪生是一个虚拟模型,用于准确地反映物理对象。 所研究的对象(例如风力涡轮)会配备各种与重要功能领域相关的传感器。 这些传感器产生与物理对象不同方面的性能相关的数据,如能量输出、温度、天气条件等等。 然后,这些数据将转发到处理系统并应用于数字副本。
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