★苏州同元软控信息技术有限公司

1　背景

以中国空间站为代表的新一代装备呈现系统组成复杂、工作模式多样、不同学科紧密耦合等特点，属于典型的信息物理融合系统（Cyber Physical System，CPS）。装备自身的复杂性一方面装备的研制与验证带来挑战，另一方面也对装备长期运维提出了更高的要求。面向新一代装备虚拟试验与智慧运维的迫切需求，数字孪生（Digital Twin）技术应运而生。

数字孪生是充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。苏州同元软控信息技术有限公司把握以数字孪生为代表的装备数字化技术发展趋势，以中国重大工程需求为牵引，立足多领域统一的系统建模仿真技术，进一步突破机理-数据融合建模技术、数字孪生模型与实物虚实精准映射技术等关键技术，提出了有中国特色、完整支撑数字孪生“建-评-管-用”等各个环节的复杂系统数字孪生解决方案，并形成航天领域的空间站全系统数字伴飞与核电领域的电厂数字化运维等一系列典型应用。

图1 苏州同元数字孪生解决方案技术框架

2　解决方案介绍

模型与数据驱动的系统数字孪生解决方案通过系统建模仿真软件MWORKS.Sysplorer和科学计算软件MWORKS.Syslab分别构建高保真的机理模型与数据模型，并利用强大的虚实融合运行引擎实现模型协同求解。最终，在统一的虚拟模型数据管理环境下，向上层应用提供监测、评估、预测、优化、控制五大核心服务功能，实现物理实体与数字虚体的深度互动与闭环应用。

图2 模型与数据驱动的系统数字孪生解决方案框架

2.1　高保真机理建模

面向数字孪生体的模型主要包括机理、数据以及几何三个维度特征，分别以系统功能样机、机理-数据融合样机以及三维几何样机进行表达。基于Modelica技术建立多层次、多物理、多尺度系统模型，基于有限元建立多场性能模型，通过“1D系统+3D有限元”模型融合构建高保真机理模型，通过机理模型、实物数据、机器学习算法实现机理-数据融合的高精度混合模型。

图3 高保真机理建模

2.2　一三维融合建模

数字孪生体行为仿真要求实现系统功能模型高效仿真与三维性能模型高精度仿真的有机结合，支持数字孪生体虚-实同步实时仿真。通过数据代理、模型降价、接口工具集成等方法将实现1D与3D模型的融合与联合仿真，实现高效与高精度仿真平衡。

图4 一三维融合建模

2.3　机理-数据融合建模

基于理论原理构建的装备机理模型仅能反映其标称特性，无法实现模型参数随实体运行状态的同步进化。为此，装备数字孪生模型的构建需要机理模型与数据的深度融合。以实验数据为输入，一方面通过驱动装备模型参数的自动化动态标定，实现模型参数随实体的同步进化，另一方面利用机器学习算法、数据拟合算法等生成高精度的数据代理模型，弥补机理不清晰、无法显性表达的问题。

图5 机理-数据融合建模

2.4　虚实映射交互

数字孪生体以物理实体为对象，以数字模型为驱动，通过数字-物理动态实时交互映射实现虚-实互动互控。基于设备接口模型实现数字模型与物理设备信号关联，采用通讯模型封装分布式联合仿真协议实现虚实之间高实时与高准确性数据传输。

图6 虚实映射交互

2.5　虚实融合计算

基于Modelica模型的统一表达与异构集成特性，采取统一仿真和联合仿真求解机制，结合数字孪生体典型场景运行环境，提供集中式、分布式协同仿真运行策略。

图7 虚实融合计算

2.6　虚实孪生管理

基于单一数据源的虚实全集模型数据管控技术和机制，对数字孪生体全生命周期的模型、算法以及设计、仿真、试验、运维数据进行谱系化存储和管理，并维护和保障数据的一致性、安全性和保密性。

图8 虚实孪生管理

3　应用案例介绍

3.1　空间站全系统数字伴飞

中国空间站系统规模庞大、在轨构型种类多、任务模式复杂，对长期在轨运维提出了更高的要求，亟需利用以数字孪生为代表的先进数字技术支持中国空间站长期在轨运行。苏州同元软控信息技术有限公司与中国空间站系统研制单位一起，利用MWORKS.Sysplorer软件构建包含四大专业八大系统在内的空间站全系统多学科机理模型，建成“数字空间站”，并进一步打通实现在轨空间站实测数据与“数字空间站”仿真参数，实现天地同步的空间站全系统数字伴飞，支撑任务前地面仿真模拟、在轨实时全面监测、运行状态快速预示，为保障中国空间站长期在轨智慧运维提供了有效支撑。

空间站全系统数字伴飞应用案例为用户实现了以下价值与效益：

（1）首次实现了基于模型的空间站全系统数字伴飞，大幅增强空间站在轨态势感知能力，保证了在轨状态监控的全面性、及时性与准确性，弥补了传统基于遥测数据的在轨运维模式的不足，提升空间站在轨运维数字化水平；

（2）打通了基于模型的空间站数字伴飞流程，依托一整套面向空间站模型构建-管理-应用的软件工具体系，形成了可复制、可移植的航天器数字伴飞乃至数字运维解决方案；

（3）空间站全系统多学科机理模型作为高质量数字模型资产，可在不同航天器型号中移植、复制，成为基于模型的航天器全生命周期研发的模型基础。

图9 中国空间站全系统数字伴飞应用

3.2　烧结余热发电机组数字化运维

某烧结余热发电机组是国内首套超临界二氧化碳热电转换工程化示范应用，系统高温烟气流动与换热过程机理复杂，传统运维模式难以满足其高效、安全运行的需求。苏州同元软控信息技术有限公司与烧结余热发电机组研制单位一起，基于MWORKS构建了烧结余热发电机组伴生系统，支持实时读取实测运行数据，通过数据预处理、数据与模型精准映射、系统状态参数场重构等操作，使数字伴生模型的初始状态、控制指令、边界条件与机组实际工况完全一致，实现虚实状态同步。通过高保真实时模拟机组全寿期运行特性，为机组运行状态监测评估和决策分析提供支撑手段，并进一步拓展至操纵人员培训考试以及异常工况应急处置演练等应用场景。

烧结余热发电机组数字化运维应用案例为用户实现了以下价值与效益：

（1）设计阶段，利用多层级、多专业的高精度机理模型，加快设计闭环迭代，优化裕量设计，提升机组性能；

（2）调试阶段，提供基于模型的虚拟操控演练环境，辅助运维人员操控训练，加速人员上岗和能力提升；

（3）运维阶段，提供DCS增量的伴生运行和告警、设备性能监测、系统性能预测等功能，利用数智化技术辅助运维人员感知系统和设备状态或异常，提高智能化水平，支持科学决策。

图10 烧结余热发电机组虚拟操控演练

4　解决方案意义

模型与数据驱动的系统数字孪生解决方案助力实现我国航天领域与核能领域重大装备数字孪生工程应用“零”的突破，实现了方法创新、技术创新、平台创新、应用创新等四大创新。

（1）方法创新：提出了以系统模型为主线、融合各类模型要素的数字孪生模型构建方法以及数字孪生模型与数据融合驱动的数字化运维方法；

（2）技术创新：突破了机理-数据融合建模技术、数字孪生模型与实物虚实精准映射技术等数字孪生关键技术；

（3）平台创新：基于MWORKS基础平台定制开发了空间站全系统数字伴飞平台、烧结余热发电机组伴生系统，完整覆盖包含空间站、核能在内的复杂装备数字孪生模型“建-评管-用”等各个环节；

（4）应用创新：苏州同元数字孪生解决方案助力实现我国航天领域首个航天器型号全系统数字伴飞，实现核能领域国内首套烧结余热发电机组数字化运维，改变了航天、核能行业传统的运维模式。

苏州同元模型与数据驱动的系统数字孪生解决方案构建了一套完整的基于数字孪生体的“模型-技术-工具”能力体系，并在航天、核能重大型号中实现应用落地，标志着数字孪生技术从理论研究走到了了工程实践。以数字空间站为代表的数字孪生应用示范受到了相关行业主管单位各级领导的高度肯定，已成为我国装备数字化的示范工程。同元与研制单位一道探索出了一条有中国特色、完全自主可控、切实可行的装备数字化道路，也为国际装备数字化技术发展提供了中国范式。

摘自《自动化博览》2025年5月刊