數字化技術高速發展的當下，計算機輔助技術已成為產品設計研發中不可或缺的一環，數字樣機（Digital Prototype, DP）與數字孿生技術便是產品研發數字化的典型方法。本文將主要介紹數字樣機與數字孿生在國內外的發展，並針對其技術痛點提出一種基於國產自研模擬工具進行虛擬模型搭建的方案。
01.數字樣機
數字樣機，也稱數字化模型（Digital Mock-Up, DMU），源自早期國外學者提出的虛擬樣機概念，是虛擬產品開發流程中的核心技術之一，主要面向產品的設計、效能評估，在航空航天、船舶、軌交等先進製造業中真正實現了“設計數字化”這一目標，成為國內外研究的重點
自20世紀80年代起，歐美國家便率先啟動了數字化產業落地的應用研究。
- 波音公司於上世紀90年代設計出世界上第一架“數字化客機”波音777，在產品生命週期中，設計階段、 裝配階段、效能評估階段均使用了數字化技術。
- 1999年對車輛系統級NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動與粗糙度）的討論中就有學者提出過使用模擬工具的同時結合數字化建模，將數字樣機技術應用於車輛模擬中的設計與模擬預測環節，用以滿足子系統設計目標以及車輛級NVH目標。
- 2012年，Angelo O. Andrisano等人利用數字模型和虛擬工具，提出了一種設計和最佳化混合可重構系統 的工程方法，為製造與裝配系統中人機協同方面相關的技術提供瞭解決方案。
- 2015年，Arnaldo Gomes Leal Junior等人針對工業機器人在非結構化環境中應具備的高衝擊負載耐受性、低機械輸出阻抗、被動機械能量儲存和峰值功率輸出增加等特性，提出一種線性串聯彈性液壓致動器的完整數字樣機設計方案，設計出了具有緊湊性和高效設計性的串聯彈性響應執行器。
- 2019年，Miriam O’Connor Esteban等人透過研究數字模型和操作者經驗對牙種植體規劃位置的影響，發現使用數字化技術可以實現更準確的牙種植體規劃，並且對於沒有牙科手術過往經驗的操作者更加有效，這表明脫離傳統的工業場景，數字模型也具備教育指導的意義。
與國外相比，我國對數字樣機技術的研究起步較晚，主要在近五年獲得了較大突破：
- 2002年，西安飛機設計研究所率先宣佈將數字化技術引入了國內飛機研製當中，並在專案週期縮短了60%的前提下首飛成功，數字化設計過程中的工程修改、最佳化作業量較普通設計過程減少了超過80%。
- 針對產品設計以外的應用場景，王松山等人討論了將數字樣機應用於虛擬維修中的 統結構，並建立了相關方法與技術，楊雲斌、方強等人在此基礎上引入了人機工效理論，彌補了框架中虛擬建模與模擬條件的不足，擴充套件並完善了相關功能模組，在實際應用中得到了初步驗證。
- 東北大學利用數字樣機技術對隧道環境下的掘進機刀盤進行模型構建，利用有限元的方法對盤形滾刀進行模擬模擬實驗，最佳化了實際應用中滾刀的佈局設計，給出了在不同條件下盤形滾刀的選擇思路。
- 北京理工大學、太原理工大學、北京航空航天大學等高校近年來也開展了有關數字樣機模擬平臺的研究，在分散式模擬、引數化建模、人機協同等領域均取得了一定的成就。
02.數字孿生
“數字孿生是產品生命週期中的用於行為預測的模擬模型”，這一概念最早由密歇根大學的Michael Grieves教授提出，在2010年被NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）和美國空軍正式引入太空技術戰略框架之中，並進一步定義為“物理實體在數字空間中具備演練與預測功能的虛擬映象”，引發了世界範圍內的新一輪裝備競賽。
相較於數字樣機技術，數字孿生的應用更加廣泛，現已逐步應用於智慧城市、工業製造、航空航天等領域，但仍存在研發週期較長、成本較高等痛點。由於很大一部分應用場景中，數字孿生技術已經包含了數字樣機，並且數字孿生技術更為新穎，所以眾多國家在完善數字樣機技術的同時也著眼於數字孿生技術的研究，可以預計在不久的將來，數字孿生技術將會與數字樣機技術一起，成為“數字化產品主力軍”。
以美國為首的西方國家一直處在數字孿生研究的技術前沿：
- NASA早在2012年的阿波羅專案中便採用了“孿生”這一概念，受限於當時的科技水平，NASA採用的方案是使用兩個完全相同的飛行器，一個作為執行任務的“實體”，另一個作為同步“實體”狀態的“孿生體”，便於精確反映和預測“實體”在執行任務時可能遇到的各種問題，提前規避問題的出現。
- AFRL（Air Force Research Laboratory, 美國空軍研究實驗室）在2021年提出了數字孿生技術的進一步研究方案，即建立虛擬的、涉及不同技術領域的線上模擬平臺，供應商能夠依據該環境建立用於測試的飛機、衛星或其他物體的虛擬模型，無需花費時間和費用來構建實際原型進行驗證。
隨著高新技術產業的飛速發展，我國對於數字孿生在軍事、航天航空領域的研究愈加重視，相關應用的研究也日趨成熟。
- 北京航天航空大學陶飛教授帶領的團隊是國內最早一批研究數字孿生技術的“領航者”，在2017年提出一種數字孿生車間理念，從四個緯度對車間資訊進行融合，歸納了在車間生產中應用該理念的理論與技術。
- 同年，北京理工大學莊存波團隊透過對數字孿生技術的具體內涵與內部關係構成進行研究，提出了該技術未來的三大發展趨勢。
- 2018年陶飛團隊根據全球數字孿生技術的發展現狀探索出該項技術在國內的應用前景，並於2019年從五個角度以及十大應用場景對其做出了系統性的總結，奠定了國內數字孿生相關應用的研究基礎。
- 2021年，浙江大學、西北工業大學對飛機產線與維修進行數字化研究，透過對視覺化平臺的構建與現場資料的採集、融合，針對目前飛機總裝車間中存 在的問題，設計並實現了基於數字孿生技術的產線視覺化平臺和運維知識框架，為航天企業的車間搭建提供了依據。
- 基於以上理論，東華大學、北京衛星製造廠與北京理工大學均開展了面向航天部件的數字孿生技術研究，透過對生產車間以及在軌裝配的數字化模擬，對工作全流程進行模擬、預測，有效提高了生產效率，並提出了一種用於修理航天器的新型模式。
- 中國航天科技集團在2019年提出一種利用數字孿生技術設計火箭起飛的方法，採用多源資料融合、大資料預測等技術進行分析並保障火箭在起飛過程中的安全性，有效增加了系統執行中的可靠性。
- 同年，中國航發研究院也提出了利用數字化技術對航空飛行器的發動機構建孿生保障體，實現對發動機狀態的實時監控與精確預測。
- 2022年，中國艦船研究中心聯合海軍研究院對船舶運維技術進行研究，針對動力系統的特殊性，提出融合數字孿生技術以提高運維可靠性、降低成本，為未來智慧艦艙的設計方案提供了思路。
由此可見，數字孿生概念已從阿波羅專案中的孿生概念擴充到了虛擬空間，採用數字化手段建立了一個與產品物理實體的虛擬產品，建立了虛擬空間和物理空間的關聯，使兩者之間可以進行資料和資訊的互動，形象直觀地體現了以虛代實、虛實互動及以虛控實的理念。這種理念從小到一個產品、大到一個車間，直到一個工廠、一個複雜系統都可以建立一個對應的數字孿生體，從而構建起一個“活的”虛擬空間。
03.解決方案
針對數字樣機與數字孿生技術存在的研發週期較長、成本較高等痛點，可使用天目全數字實時模擬軟體SkyEye進行改善。
SkyEye是一款是基於視覺化建模的硬體行為級模擬平臺，支援使用者透過拖拽的方式對硬體進行行為級別的模擬和建模，是數字樣機與數字孿生應用“降本增效”的有效解決方案。
▲利用數字樣機、數字孿生技術降低產品的週期和成本
SkyEye具備以下特點：
- 採用基於LLVM的二進位制加速技術，加上各種編譯器的輕量級的最佳化技術，從而生成更高效率的主機程式碼，模擬執行效率大大提升，具有極致的穩定性，適用於高效能的異構指令模擬模擬。
- SkyEye可以輕鬆地透過圖形化拖拽的方式搭建出多種嵌入式目標系統，嘗試不同的硬體設定、軟體應用程式和平臺配置，如修改記憶體大小、改變處理器執行速度等來測試軟體的行為，以驗證程式的可靠性。
- 開發人員在模擬系統上執行軟體和在物理系統上執行完全一致，無需受到物理系統的限制，還可以不加修改，直接在模擬系統上執行與真實目標中完全相同的二進位制檔案。
- SkyEye可以無限的重複執行目標程式，方便地復現問題，直至完成問題定位。一旦在模擬的目標系統上發現問題，開發人員可以在任何時間、任何地點復現問題。
- SkyEye使問題除錯和分析變得更加簡單：開發人員可以從一開始就使用真正的目標系統，即使用相同的工具鏈、庫、作業系統，避免跨平臺編譯產生的錯誤。
- SkyEye可除錯所有軟體（包括BIOS、驅動程式、低階軟體和作業系統級程式碼），無需訪問硬體就能完全控制虛擬目標，並且可以透過單步、斷點、堆疊資訊檢視等方式，快速找出問題的確切位置和原因，大大減少了開發的時間成本。
▲SkyEye產品介面：基於視覺化圖形的硬體建模
從現實到虛擬，數字樣機與數字孿生技術使得工業設計與發展的目光轉向數字化，卻遇到了研發週期長、成本高等痛點；SkyEye等國產自研的模擬平臺，又使數字樣機、數字孿生技術，從虛擬概念落實到切實可行的方案，實現了“從虛擬到現實”的轉變。