把目光转向新质生产力：高端装备的数字样机技术

在全球化与数字化的大背景下，科技创新已成为重塑生产力结构的核心要素。2023年12月召开的中央经济工作会议上指出：“要以科技创新推动产业创新，特别是以颠覆性技术和前沿技术催生新产业、新模式、新动能，发展新质生产力。”
新质生产力，指创新起主导作用，摆脱传统经济增长方式、生产力发展路径，具有高科技、高效能、高质量特征，符合新发展理念的先进生产力质态。“新”意为“实现关键性颠覆性技术突破而产生的生产力”，“质”意为以科技创新促进生产力三要素的质变，即更高素质的劳动者、更高科技含量的劳动资料、更广范围和更丰富形态的劳动对象。可以说，发展新质生产力对于促进中国生产力的解放和发展具有重大理论和实践意蕴。
“科技创新，就像撬动地球的杠杆，总能创造令人意想不到的奇迹。当代科技发展历程充分证明了这个过程。”确切来说，近年来的物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的飞速发展，正是当代科技发展的写照。随着工业化向着智能制造的方向发展，数字样机（Digital Prototype，DP）这一概念越来越多地被提及，成为高端装备制造业的新质生产力。

▲数字样机概念图
 
01.数字样机

数字样机也称数字化模型（Digital Mock-Up, DMU），源自早期国外学者提出的虚拟样机概念，是虚拟产品开发流程中的核心技术之一。数字样机主要面向产品的设计、性能评估，在航空航天、船舶、轨交等先进制造业中真正实现了“设计数字化”这一目标，是近几年国内外研究的重点。
为了深入了解数字样机的概念，可以从回溯其起源入手。数字样机用于工业领域，也起源于工业领域：自20世纪80年代起，欧美国家率先开展了数字化的产业落地应用研究，为数字样机的发展奠定了基础。

• 20世纪90年代，波音公司设计出世界上第一架“数字化客机”波音777，在产品生命周期的设计、装配、性能评估阶段均使用了数字化技术。
  
• 1999年，在对车辆系统级NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动与粗糙度）的讨论中就有学者提出过使用仿真工具的同时结合数字化建模，将数字样机技术应用于车辆仿真中的设计与模拟预测环节，用以满足子系统设计目标以及车辆级NVH目标。
  
• 2012年，Angelo O. Andrisano等人利用数字模型和虚拟工具，提出了一种设计和优化混合可重构系统的工程方法，为制造与装配系统中人机协同相关的技术提供了解决方案。
  
• 2019年，Miriam O'Connor Esteban等人通过研究数字模型和操作者经验对牙种植体规划位置的影响，发现使用数字化技术可以实现更准确的牙种植体规划，并且对于没有牙科手术过往经验的操作者更加有效，这表明脱离传统的工业场景，数字样机与数字模型也已具备教育指导的意义。
  

 
与国外相比，我国对数字样机技术的研究起步较晚：

• 2002年，西安飞机设计研究所率先宣布将数字化技术引入了国内飞机研制当中，并在项目周期缩短了60%的前提下首飞成功，数字化设计过程中的工程修改、优化作业量较普通设计过程减少了超过80%。
  
• 针对产品设计以外的应用场景，王松山等人讨论了将数字样机应用于虚拟维修中的系统结构，并建立了相关方法与技术，杨云斌、方强等人在此基础上引入了人机工效理论，弥补了框架中虚拟建模与仿真条件的不足，扩展并完善了相关功能模块，在实际应用中得到了初步验证。
  
• 北京理工大学、太原理工大学、北京航空航天大学等高校近年来开展了有关数字样机仿真平台的研究，在分布式仿真、参数化建模、人机协同等领域均取得了一定的成就。
  
• 近3年，国内仿真厂商针对日益增长的数字样机构建需求，开始进行相关仿真软件产品的转型升级，配合数字样机要求进行集成适配。
  

 
02.数字样机发展现状、建议及展望

在高端装备制造安全关键领域，数字样机已初步应用于设计、测试和仿真等环节，数字样机在提升设计质量和缩短产品开发周期方面的优势已充分显现。通过构建虚拟模型来进行早期研发阶段的验证，可有效减少物理样机制作的硬件成本、提升研制效率。然而，当前阶段，除了在航空航天与汽车领域的少量应用外，中国的数字样机技术仍处于从0到1的起步阶段：目前国内大部分厂商对于数字样机的认知仍处于初级阶段，多数仅停留在“概念知晓”或“了解存在但不知如何应用”的层面。
数字样机主要应用于嵌入式软硬件的研发阶段，包括系统设计、开发、测试、验证等环节，用户在加速物理实体及其系统软件的研发过程中，需通过构建目标系统的虚拟硬件环境，搭建完整的数字样机，从而在实物样机生产前进行前期测试验证，降低前期经费投入和缩短研发周期。尽管这一技术已在全球范围内得到广泛关注，但在实际应用中，厂商往往面临诸多挑战，包括技术实现的复杂性、数据处理和集成的高要求以及与现有生产流程的适配难题等。

▲数字样机的构建要素、技术要素与应用领域
 
数字样机的构建涉及MBSE（Model-Based Systems Engineering，基于模型的系统工程）、计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）、计算机辅助工程（CAE，Computer Aided Engineering）、虚拟机、模拟器等多个不同领域和学科的模型与工具的整合，比如全数字仿真技术、半实物仿真技术、多领域多学科（声、光、电、材料、温度、动力学等）建模仿真技术、协同仿真技术等，从底层嵌入式处理器仿真、国产操作系统适配、系统建模仿真，到应用软件模拟运行、沉浸式三维模拟，都需要国内相关工业软件仿真企业进行产品联合集成，打通数字样机构建全链路，以支持目前不同领域、不同层级的数字样机构建需求。必须依赖高效的连接和集成平台，打通各个环节的数据流通与信息共享。促进数字样机的全面推广与深度应用。
 
随着全球化竞争浪潮的日益激烈，数字样机为国内高端装备制造业提供了新的发展契机，技术革新、产业结构和生产模式的变革都需要产业链上下游企业建立以自主可控技术为核心的长效机制，在更加灵活和高效的环境中实现产品的创新与优化，推动数字样机自主可控技术的应用，真正为装备制造业的核心竞争力赋能，推动我国高端装备制造产业走向更具韧性的发展道路。

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