1.引 言
伴隨著以網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化為特征的數(shù)字新時代的加速到來，建模與仿真技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)入了數(shù)字時代。數(shù)字孿生是數(shù)字時代建模與仿真應(yīng)用的重要形式，近年來受到越來越高的關(guān)注和重視。數(shù)字孿生的概念日臻成熟，應(yīng)用日益廣泛，其效力更加凸顯，成為有可能“改變游戲規(guī)則”的顛覆性技術(shù)機遇之一。
數(shù)字孿生的成功使美國國防部(DoD)深刻認(rèn)識到，數(shù)字化戰(zhàn)爭時代更加全面、系統(tǒng)、深入地運用建模與仿真、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等關(guān)鍵賦能技術(shù)，對提升應(yīng)對全球復(fù)雜安全挑戰(zhàn)能力，保持絕對領(lǐng)先軍事優(yōu)勢的重要意義。實施數(shù)字工程將成為美軍迎接數(shù)字時代、完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。
在長期探索的基礎(chǔ)上，DoD于2018年6月公布了《數(shù)字工程戰(zhàn)略》。通過戰(zhàn)略實施，實現(xiàn)將數(shù)字計算、分析能力和新技術(shù)結(jié)合起來，在更集中的虛擬環(huán)境中，在用戶和供應(yīng)商的更深度參與下，進(jìn)行工程設(shè)計，提升應(yīng)對威脅速度，加速技術(shù)融合，降低文檔成本，并影響維持戰(zhàn)斗力可承受性。這些綜合的工程環(huán)境將使國防部及其工業(yè)合作伙伴從概念階段起就共同進(jìn)行設(shè)計，并減少對昂貴的實體模型、不成熟的設(shè)計定型和物理測試的需求。
數(shù)字孿生
1.1 數(shù)字孿生概念產(chǎn)生和發(fā)展
數(shù)字孿生(Digital Twin，簡稱DT)的概念可以追溯到格里夫斯(Grieves)博士2002年在美國密歇根大學(xué)產(chǎn)品生命周期管理(PLM)中心向工業(yè)界所演示的幻燈片如圖1所示，當(dāng)時標(biāo)題為“PLM的概念暢想”[1]。其中已經(jīng)包括了數(shù)字孿生的所有元素：真實空間、虛擬空間和從真實空間到虛擬空間數(shù)據(jù)流的連接，從虛擬空間流向真實空間和虛擬子空間信息連接。
圖1 PLM的概念暢想
Fig. 1 Conceptual outlook of PLM
格里夫斯(Grieves)博士后來在其教授的課程和著作中先后使用“鏡像空間模型”(Mirrored Spaces Model)、“信息鏡像模型”等描述數(shù)字孿生的概念。“信息鏡像模型”的概念在《虛擬完美：通過產(chǎn)品生命周期管理推動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》一書中獲得到極大的擴展。在書中，“數(shù)字孿生”這一術(shù)語被以引述共同作者描述該模型的方式與這一概念建立了關(guān)系。由于“數(shù)字孿生”這一提法概括性更強，從此就被用于描述這一概念。
數(shù)字孿生目前尚無被普遍接受的統(tǒng)一定義，其概念仍處于發(fā)展與演變中。美國空軍將數(shù)字孿生定義為一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，它能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應(yīng)的實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢等。近年來，數(shù)字孿生已成為航天和航空航天領(lǐng)域的基礎(chǔ)概念，美國宇航局(NASA)在其技術(shù)路線圖[1]和可持續(xù)太空探索提案[2]中均使用了這一概念。該概念已經(jīng)被提出用于下一代戰(zhàn)斗機和NASA車輛[3-4]。
工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對數(shù)字孿生也有著多種不同的理解。高德納(Gartner)公司將數(shù)字孿生定義為實體對象的虛擬副本，意味著它可以是產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)、設(shè)施或系統(tǒng)[5]。德勤公司認(rèn)為，從根本上講，數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進(jìn)行動態(tài)呈現(xiàn)，其真正功能在于能夠在物理世界和數(shù)字世界之間全面建立準(zhǔn)實時聯(lián)系[6]。時培昕認(rèn)為，數(shù)字孿生是指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段來構(gòu)建一個與數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化[7]。王鴻慶認(rèn)為，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成對物理實體的映射，從而反映物理實體的全生命周期過程[8]。
雖然數(shù)字孿生術(shù)語隨著時間的推移發(fā)生了變化，但基本概念從2002年被提出以來就保持的非常穩(wěn)定。它是基于這樣一種觀點，即：關(guān)于物理系統(tǒng)的數(shù)字信息構(gòu)造可以作為一個獨立的實體創(chuàng)建，這種數(shù)字信息是嵌入在物理系統(tǒng)內(nèi)的信息的“孿生”，并在整個系統(tǒng)生命周期內(nèi)與該物理系統(tǒng)相連接。
1.2 數(shù)字孿生的廣泛應(yīng)用
格里夫斯博士雖然早在2002年就提出了數(shù)字孿生的概念，但由于當(dāng)時技術(shù)和認(rèn)知上的局限，該概念并沒有得到重視。數(shù)字孿生在美國航天和航空領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用后，才真正引起關(guān)注[9]，并逐步擴展到了虛擬仿真、虛擬裝配和3D打印等領(lǐng)域。2014年以后，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)不斷發(fā)展，更多工業(yè)產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備具備了智能特征，數(shù)字孿生也逐步擴展到包括制造和服務(wù)在內(nèi)的完整的產(chǎn)品周期階段。
2016年以來，隨著西門子、通用電氣等知名企業(yè)的頻繁使用帶來的示范效應(yīng)以及一些專家的介紹，數(shù)字孿生受到越來越多的關(guān)注。世界最大的武器生產(chǎn)商洛克希德馬丁公司于2017年11月將數(shù)字孿生列為未來國防和航天工業(yè)六大頂尖技術(shù)之首。Gartner更是連續(xù)4年(2016-2019)將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。
數(shù)字孿生盡管尚未成為主流，卻已是每一個企業(yè)都不能回避的命題。未來，隨著傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級需求的加速，數(shù)字孿生勢必將會在更多領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用，特別是隨著建模仿真技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的進(jìn)一步融合，數(shù)字孿生的價值和作用將會得到更大的體現(xiàn)。
據(jù)Gartner預(yù)測，到2020年，預(yù)計將有超過200億個連接的傳感器和終端，而數(shù)字孿生將存在于潛在的數(shù)十億的設(shè)備中。這將有益于資產(chǎn)優(yōu)化、競爭差異化，且?guī)缀跛行袠I(yè)的用戶體驗改善。到2021年，一半的大型工業(yè)公司將使用數(shù)字孿生，從而使這些組織的效率提高10%。物聯(lián)網(wǎng)項目提升了人們對數(shù)字孿生的興趣。精心設(shè)計的數(shù)字孿生資產(chǎn)可以顯著改善企業(yè)決策。它們與現(xiàn)實世界的對應(yīng)物相關(guān)聯(lián)，用于理解設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài)、響應(yīng)變化、改進(jìn)操作和增加價值如圖2所示。
圖2 數(shù)字孿生的應(yīng)用模型
Fig. 2 Application model of Digital Twin
數(shù)字孿生正被用來優(yōu)化有形資產(chǎn)、系統(tǒng)和制造流程的操作和維護[10]，其中，物理對象可以虛擬地與其他機器和人互動[11]。數(shù)字孿生已用于如發(fā)電渦輪機、噴氣發(fā)動機和機車的設(shè)備維護。其他的案例包括使用3D建模為物理對象創(chuàng)建“數(shù)字伙伴”[12]，可以用來查看真實物理對象的狀態(tài)，為將物理對象投射至數(shù)字世界提供方法[13]。例如，當(dāng)傳感器從連接的設(shè)備收集數(shù)據(jù)時，傳感器數(shù)據(jù)可用于實時更新設(shè)備狀態(tài)的“數(shù)字孿生”副本。
“設(shè)備影子”(Device Shadow)一詞也用于描述數(shù)字孿生的概念。數(shù)字孿生還可以用于監(jiān)測、診斷和預(yù)測，以優(yōu)化資產(chǎn)性能和利用率。在該領(lǐng)域，傳感器數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)、人類專業(yè)知識、敏捷和深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，提高改善預(yù)測結(jié)果。因此，復(fù)雜的預(yù)測和智能維護系統(tǒng)平臺可使用數(shù)字映射發(fā)現(xiàn)問題根源并提高生產(chǎn)率[14]。數(shù)字孿生還有更多的行業(yè)應(yīng)用：飛機發(fā)動機[15]，風(fēng)力發(fā)電機[16]，大型結(jié)構(gòu)設(shè)備，如海上平臺、海上船舶等[17]，暖通空調(diào)控制系統(tǒng)[18]，機車制造[19]，建筑物[20]，公用事業(yè)(電力、煤氣、水、廢水網(wǎng)絡(luò))。
數(shù)字孿生的典型應(yīng)用場景：
1) 數(shù)字孿生應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)
大部分的產(chǎn)品研發(fā)成本都鎖定在概念設(shè)計階段，使得早期快速迭代變得非常關(guān)鍵。借助數(shù)字孿生，能幫助用戶以更少的成本和更快的速度將創(chuàng)新技術(shù)推向市場。運用數(shù)字孿生，用戶能夠利用結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、電磁、流體和控制等仿真軟件進(jìn)行單獨的物理場和耦合的多物理場研究，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化、驗證和確認(rèn)，以滿足相關(guān)的需求，如圖3所示。同時，用戶可以構(gòu)建精確的綜合仿真模型來了解實際產(chǎn)品性能并持續(xù)創(chuàng)新，這些功能是傳統(tǒng)設(shè)計方法所無法企及的。
圖3 數(shù)字孿生應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計
Fig. 3 Digital Twin's application in product design
2) 數(shù)字孿生應(yīng)用于工藝規(guī)劃
隨著產(chǎn)品制造過程越來越復(fù)雜，制造中所發(fā)生的一切需要進(jìn)行完善的規(guī)劃。應(yīng)用數(shù)字孿生，對所需制造的產(chǎn)品及其制造方式、資源以及地點等都可進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，并將各方面關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)設(shè)計人員和制造人員的協(xié)同。一旦發(fā)生設(shè)計變更，可以在數(shù)字孿生模型中方便地更新制造過程。除了過程規(guī)劃之外，生產(chǎn)布局也是智能制造系統(tǒng)需要解決的重要問題。借助數(shù)字孿生模型可以設(shè)計出包含所有細(xì)節(jié)信息的生產(chǎn)布局，包括機械、自動化設(shè)備、工具、資源甚至是操作人員等各種詳細(xì)信息，并將之與產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行無縫關(guān)聯(lián)。
3) 數(shù)字孿生應(yīng)用于精益制造
產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)的流程越來越復(fù)雜，難免出現(xiàn)各種問題并影響到產(chǎn)出，有時很難迅速找出問題所在。應(yīng)用數(shù)字孿生，可以對不同的制造策略進(jìn)行仿真和評估，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)和統(tǒng)計學(xué)分析，快速找出有空檔時間的工序。調(diào)整策略后再仿真整個制造系統(tǒng)的績效，進(jìn)一步優(yōu)化實現(xiàn)所有資源利用率的最大化，確保所有工序上的所有人都盡其所能，實現(xiàn)盈利能力的最大化。此外還可利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，直接從制造設(shè)備中收集實時的質(zhì)量數(shù)據(jù)，將其輸入數(shù)字孿生模型，對設(shè)計和實際制造結(jié)果進(jìn)行比對，檢查二者是否存在差異，找出存在差異的原因和解決方法，確保制造能完全按照規(guī)劃來執(zhí)行。
4) 數(shù)字孿生應(yīng)用于設(shè)備維護
數(shù)字孿生是實際運行設(shè)備的實時虛擬版本，可以用來提供產(chǎn)品的性能與維護信息。通過設(shè)備上的各種傳感器將溫度、振動、碰撞、載荷等數(shù)據(jù)實時輸入數(shù)字孿生模型，并使數(shù)字孿生的環(huán)境模型與實際設(shè)備工作環(huán)境的變化保持一致，通過數(shù)字孿生在設(shè)備出現(xiàn)狀況前提早進(jìn)行預(yù)測，以便在預(yù)定停機時間內(nèi)更換磨損部件，避免意外停機，如圖4所示。另外，用戶還可利用收集到的數(shù)據(jù)改進(jìn)新一代機器的設(shè)計。
圖4 數(shù)字孿生應(yīng)用于設(shè)備運行維護
Fig. 4 Digital Twin's application in operation and maintenance
5) 數(shù)字孿生應(yīng)用于智慧城市建設(shè)
2008年11月，在美國紐約召開的外國關(guān)系理事會上，IBM提出了“智慧地球”這一理念，引發(fā)了智慧城市建設(shè)的熱潮[21]。近年來，一些國家將數(shù)字孿生應(yīng)用于智慧城市建設(shè)，如2016年新加坡與美國麻省理工學(xué)院合作的CityScope為新加坡城市規(guī)劃量身定制城市運行仿真系統(tǒng)；
在歐盟800萬歐元資助下，西班牙智慧桑坦德在城市中廣泛部署傳感器，感知城市環(huán)境、交通、水利等運行情況，并將數(shù)據(jù)匯聚到智慧城市平臺中的城市儀表盤，初步形成了數(shù)字孿生城市的雛形，成為歐洲可推廣的模板之一。
當(dāng)前，數(shù)字孿生主要應(yīng)用于城市規(guī)劃和管理方面，未來將向城市服務(wù)方面擴展，通過服務(wù)場景、服務(wù)對象、服務(wù)內(nèi)容等方面的數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建，引發(fā)服務(wù)模式向虛實結(jié)合、情景交融、個性化、主動化方向加速轉(zhuǎn)變[22]，如圖5所示。
圖5 數(shù)字孿生城市應(yīng)用場景數(shù)字孿生城市應(yīng)用場景
Fig. 5 Digital Twin city application scenario
2.數(shù)字工程戰(zhàn)略
2.1 美軍數(shù)字工程的轉(zhuǎn)型背景
數(shù)字孿生近年已經(jīng)在美國航空航天項目中得到實際應(yīng)用，但更多是面向裝備的全壽命周期，對武器系統(tǒng)交付前的采辦階段力有不逮。同時，分散于各個部門的系統(tǒng)、流程、工具等也對美軍應(yīng)對挑戰(zhàn)時快速響應(yīng)、協(xié)作構(gòu)成威脅。因此，美國國防部決心從2015年起實施數(shù)字工程轉(zhuǎn)型。國防部將數(shù)字工程定義為一種綜合(集成)的數(shù)字方法，它使用權(quán)威的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和模型作為跨學(xué)科的連續(xù)體，以支持從概念到處理的生命周期活動[23]。
美軍推進(jìn)數(shù)字工程旨在將以往線性的以文檔為中心的采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)的以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，使美軍完成向以模型為中心謀事做事的范式轉(zhuǎn)型。美軍推進(jìn)數(shù)字工程，打造數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，將使現(xiàn)有的工程學(xué)科提升為一個基于模型的綜合化方法，充分利用數(shù)字化的進(jìn)展和技術(shù)創(chuàng)新，使美軍整體受益[24]。
2.2 數(shù)字工程戰(zhàn)略
美國國防部研究與工程副部長邁克爾·格里芬于2018-06-25簽發(fā)《國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略》(以下簡稱《戰(zhàn)略》)。《戰(zhàn)略》旨在指導(dǎo)整個國防部數(shù)字工程轉(zhuǎn)型的規(guī)劃、發(fā)展和實施。
《戰(zhàn)略》指出，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)徹底改變了多數(shù)主要行業(yè)的業(yè)務(wù)以及我們的個人生活活動。通過提高計算速度、存儲能力和處理能力，數(shù)字工程賦予了從傳統(tǒng)的“設(shè)計-構(gòu)建-測試”方法到“模型-分析-構(gòu)建”方法的范式轉(zhuǎn)變。這種方法可以使國防部的項目在交付給作戰(zhàn)人員之前，能夠在虛擬環(huán)境中構(gòu)建原型，進(jìn)行實驗和測試，支撐決策和確定解決方案。數(shù)字工程將需要新的方法、過程和工具，這將改變工程社區(qū)的運作方式；然而，這種轉(zhuǎn)變對研究、需求、采集、測試、成本、維持和情報社區(qū)產(chǎn)生了影響。數(shù)字工程轉(zhuǎn)型為業(yè)務(wù)運作提供了類似的積極變化，包括采辦實踐、法律要求和合同活動。
國防部數(shù)字化工程的愿景是：使國防部設(shè)計、開發(fā)、交付、運作和維護系統(tǒng)全面現(xiàn)代化。國防部的方法是穩(wěn)妥安全地連接端到端的數(shù)字企業(yè)中的人員、流程、數(shù)據(jù)和功能。這將允許在整個生命周期中使用模型以數(shù)字方式代表虛擬世界中感興趣的系統(tǒng)(即系統(tǒng)的系統(tǒng)、系統(tǒng)、過程、設(shè)備、產(chǎn)品、零件)。國防部將整合先進(jìn)計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、自主系統(tǒng)和機器人技術(shù)等來改進(jìn)工程實踐。
《戰(zhàn)略》列出了國防部數(shù)字工程倡議的五大戰(zhàn)略目標(biāo)：
1) 規(guī)范模型的開發(fā)、集成與使用。實現(xiàn)設(shè)計模型、制造模型、審核與驗證模型、系統(tǒng)模型、生產(chǎn)支撐模型、特種工程模型、管理模型之間標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的無縫流通，服務(wù)于企業(yè)和項目決策。
2) 提供持久、權(quán)威的可信源(即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與模型)。這使得訪問、管理、分析、使用和分發(fā)來自一組通用數(shù)字模型和數(shù)據(jù)的信息成為可能。因此，授權(quán)的利益相關(guān)者能在生命周期內(nèi)使用當(dāng)前的、權(quán)威和一致的信息。
3) 將技術(shù)創(chuàng)新融入工程實踐的改進(jìn)。利用大數(shù)據(jù)與分析、認(rèn)知技術(shù)、先進(jìn)計算技術(shù)、數(shù)字與物理融合技術(shù)，以及新方法和人機協(xié)作，推動向端到端的數(shù)字企業(yè)轉(zhuǎn)型。
4) 構(gòu)建數(shù)字工程的支撐架構(gòu)和環(huán)境。包括工具、流程、方法、軟硬件、網(wǎng)絡(luò)、安全等，實現(xiàn)各利益相關(guān)者之間的互動、協(xié)作與溝通。
5) 完成文化與團隊的數(shù)字轉(zhuǎn)型。面向?qū)θ芷跀?shù)字工程的適應(yīng)與支撐，通過溝通與接觸、領(lǐng)導(dǎo)方式、戰(zhàn)略與實施、訓(xùn)練與教育的持續(xù)性改進(jìn)，實現(xiàn)整個采辦部門數(shù)字工程的制度化。
3.數(shù)字時代建模仿真機遇與挑戰(zhàn)
數(shù)字孿生的發(fā)展和數(shù)字工程戰(zhàn)略的提出，預(yù)示以第四次工業(yè)革命為代表的數(shù)字時代正加速到來。作為一項已經(jīng)走過七十多年歷程的科學(xué)技術(shù)，建模與仿真技術(shù)在數(shù)字時代將迎來全新的發(fā)展機遇，同時也面臨很多挑戰(zhàn)。數(shù)字時代，建模與仿真的應(yīng)用將更加普及，從實驗室進(jìn)一步走進(jìn)工廠、辦公室、校園、社區(qū)，成為生產(chǎn)生活越來越不可缺少的工具。
3.1 重大機遇
物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)使數(shù)字時代建模與仿真在線化、泛在化、常態(tài)化成為可能。數(shù)字時代的典型特征是通過無所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)廣泛地搜集現(xiàn)實世界的海量數(shù)據(jù)，運用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)一步提升人類決策與控制能力。以數(shù)字孿生為代表，數(shù)字時代的建模與仿真可以與真實世界建立永久、實時、交互的鏈接，建模與仿真不再是離線的、獨立的、特定階段的存在，而是向在線化、泛在化、常態(tài)化的服務(wù)發(fā)展。建模與仿真將是數(shù)字時代各種應(yīng)用不可或缺的工具應(yīng)用，其形式將更加多樣化，集成應(yīng)用也更加便捷。
數(shù)字工程戰(zhàn)略的提出有助于建模與仿真朝著科學(xué)化、規(guī)范化、智能化發(fā)展。數(shù)字時代的建模與仿真將更加科學(xué)化，體現(xiàn)在建模與仿真的科學(xué)基礎(chǔ)更加穩(wěn)健深入；更加規(guī)范化，體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，流程更加科學(xué)；更加智能化，體現(xiàn)在新一代人工智能和機器學(xué)習(xí)在建模與仿真中廣泛應(yīng)用。數(shù)字時代建模與仿真朝著科學(xué)化、規(guī)范化、智能化方向發(fā)展，將促進(jìn)數(shù)字工程戰(zhàn)略的全面落實，實現(xiàn)其愿景目標(biāo)。數(shù)字工程戰(zhàn)略是對傳統(tǒng)的工程思想的一次變革，建模與仿真作為數(shù)字工程戰(zhàn)略的核心支撐技術(shù)也面臨進(jìn)一步變革自身的需要，只有如此才能有力支撐數(shù)字工程全面實施。
云計算、超級計算、量子計算的發(fā)展使數(shù)字時代建模與仿真不再受到計算能力的局限，從而為數(shù)字孿生與數(shù)字工程發(fā)展提供無限可能。近年來，芯片技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，使超級計算機的能力不斷提升。云計算的發(fā)展使計算、存儲、通信能力變成一種可以按需獲取并可海量增長的資源。量子計算日益受到廣泛關(guān)注并逐步顯示威力，為徹底解決建模與仿真計算能力需求提供的巨大希望。計算能力局限的打破將進(jìn)一步提升模型的精細(xì)化程度，更全面滿足仿真應(yīng)用目標(biāo)的需要，推動數(shù)字孿生與數(shù)字工程等創(chuàng)新應(yīng)用的更快發(fā)展。
數(shù)字時代的仿真產(chǎn)業(yè)發(fā)展將邁上新臺階。近年來，仿真需求的不斷涌現(xiàn)已推動各國仿真產(chǎn)業(yè)從無到有并開始規(guī)模化發(fā)展。數(shù)字孿生的成功應(yīng)用和數(shù)字工程戰(zhàn)略的提出將促進(jìn)建模與仿真需求的井噴式增長，帶動投資和人力資源的不斷進(jìn)入仿真產(chǎn)業(yè)。建模與仿真將迎來難得的發(fā)展機遇期，抓住機遇，乘勢而上，建模與仿真將在數(shù)字時代產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中奠定更加堅實的應(yīng)用基礎(chǔ)，創(chuàng)造更大的市場空間。
3.2 主要挑戰(zhàn)
在把握數(shù)字時代建模與仿真重大機遇的同時，也必須認(rèn)清目前面臨的挑戰(zhàn)。
理論挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)和復(fù)雜系統(tǒng)仿真結(jié)合的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)可以兼顧“過程”與“結(jié)果”，對“過去和未來”的全面情況進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，實現(xiàn)更加智能的建模與仿真。數(shù)據(jù)時代的來臨給傳統(tǒng)建模與仿真理論方法提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)仿真與大數(shù)據(jù)仿真相比，仿真理論重心從模型轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，仿真方法從抽樣和發(fā)現(xiàn)因果關(guān)系轉(zhuǎn)到全局的和發(fā)現(xiàn)相關(guān)關(guān)系。以仿真計算為代表的科學(xué)研究第三范式和以大數(shù)據(jù)分析為代表的第四范式需要研究融合發(fā)展之道，從而建立更加堅實的數(shù)字時代建模與仿真理論基礎(chǔ)。
信任挑戰(zhàn)。可信性是建模與仿真生命力之源，建模與仿真可信性驗證一直是仿真技術(shù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一。數(shù)字孿生與數(shù)字工程等都更加強調(diào)將建模與仿真結(jié)果作為權(quán)威可信數(shù)據(jù)源，這對模型可信度和精度都提出了更高的要求。數(shù)字孿生與數(shù)據(jù)工程是復(fù)雜性、實時性、交互性、多樣性極強的仿真應(yīng)用，對其進(jìn)行可信性評估往往超出了當(dāng)前方法所能滿足的需求極限，必須深入分析數(shù)字時代建模與仿真可信性評估的需求特征，研究更加有效地評估理論與方法。
管理挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生與數(shù)字工程均需要進(jìn)一步集中管理和積極利用模型、數(shù)據(jù)、支撐環(huán)境等仿真資源，這給數(shù)字時代建模與仿真管理帶來新的挑戰(zhàn)。需要在全生命周期中為模型創(chuàng)建、管理、集成以及相關(guān)的項目和企業(yè)工程活動制定正式計劃，描述在執(zhí)行工作活動時如何以連貫有效的方式實現(xiàn)模型，以及支持分析和決策。建立一個規(guī)范的體系，確定模型開發(fā)應(yīng)遵循的基本質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則(如，語法、語義、詞匯、標(biāo)準(zhǔn)等)。獲取和維護模型來源和譜系，以建立可信度、準(zhǔn)確性和判斷模型重用的基礎(chǔ)。制定政策和程序，以確保正確使用權(quán)威的可信源。
安全挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生和數(shù)字工程使建模與仿真資源和基礎(chǔ)設(shè)施越來越開放，其受到攻擊的可能性越來越高。建模與仿真工具存在的漏洞將更多暴露于開放互聯(lián)環(huán)境，使其安全性面臨巨大挑戰(zhàn)。《戰(zhàn)略》明確要求加強數(shù)字工程平臺的安全性，以確保其戰(zhàn)略的順利實施。
文化挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生與數(shù)字工程實施面臨的更根本性挑戰(zhàn)是變革已有的組織文化。需要采用深思熟慮的系統(tǒng)方法來規(guī)劃，實施和支持組織的數(shù)字化工程轉(zhuǎn)型。這種轉(zhuǎn)型必須超越技術(shù)，以解決人員和文化等勞動力挑戰(zhàn)，其中包括組織的共同價值觀、信仰和行為。這些規(guī)范和信念從根本上可以影響人們的行為方式。為了成功實施數(shù)字工程，需要變革勞動力，以促進(jìn)文化變革，手段包括培訓(xùn)、教育、戰(zhàn)略溝通、領(lǐng)導(dǎo)和持續(xù)改進(jìn)。但培訓(xùn)和教育不是組織文化變革的唯一動力，必須鼓勵通過形成新的習(xí)慣和行為來應(yīng)用這些知識，并通過讓利益相關(guān)者(無論是組織內(nèi)部還是外部)參與作出積極決定，從而在整個生命周期中更好地實現(xiàn)數(shù)字功能和功效。
4.結(jié) 論
數(shù)字孿生的快速發(fā)展和美國國防部《數(shù)字工程戰(zhàn)略》的發(fā)布標(biāo)示著數(shù)字時代已開始進(jìn)入快速發(fā)展階段，隨著技術(shù)方案和支撐環(huán)境的不斷成熟，數(shù)字孿生和數(shù)字工程將快速普及，成為數(shù)字時代經(jīng)濟發(fā)展、社會進(jìn)步和國家安全的重要支撐平臺。作為數(shù)字孿生和數(shù)字工程中的核心關(guān)鍵技術(shù)，建模與仿真將迎來重要的發(fā)展機遇期，面臨更多更復(fù)雜更迫切的應(yīng)用需求。
與此同時，云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等支撐技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為數(shù)字時代建模與仿真發(fā)展提供了新的源動力。未來，我們可積極學(xué)習(xí)借鑒國際數(shù)字孿生和數(shù)字工程發(fā)展經(jīng)驗，結(jié)合我國各行各業(yè)的現(xiàn)實需求，積極推進(jìn)我國數(shù)字孿生和數(shù)字工程的發(fā)展進(jìn)步，使其成為我國自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級重要支撐平臺。
