雷神公司研發(fā)數(shù)字孿生模型，每天能跟蹤8億個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)點(diǎn)

2022 年 1 月，美國國家航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）耗資 100 億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）即將結(jié)束它的 160 萬公里旅程，但到達(dá)它的既定軌道只是這趟危險(xiǎn)旅程的一部分。

為了做好觀測準(zhǔn)備，航天器必須以復(fù)雜的方式展開。根據(jù)其工程師的計(jì)算，失敗的方式足足有 344 種。

一個(gè)網(wǎng)球場大小的遮陽板必須完美展開，最終就像望遠(yuǎn)鏡下面的一只巨大的閃亮風(fēng)箏。副鏡必須向下擺動(dòng)到完美的位置，依靠三條腿將其固定在距離主鏡約 7.6 米的地方。

最后，由 18 個(gè)六邊形部件組成的、像蜂窩一樣的主鏡必須自行組裝起來。

三個(gè)金色的鏡面部分必須從望遠(yuǎn)鏡的兩側(cè)展開，將它們的邊緣嵌入到已經(jīng)裝配在一起的 12 個(gè)鏡面上。

組裝流程必須完全按順序進(jìn)行，望遠(yuǎn)鏡才能正常工作。

雷神公司航空航天防御系統(tǒng)業(yè)務(wù)的技術(shù)總監(jiān)凱倫·凱西（Karen Casey）說：“那是一個(gè)可怕的時(shí)刻?！?/span>

據(jù)了解，雷神公司開發(fā)了控制望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)的軟件，現(xiàn)在負(fù)責(zé)它的運(yùn)行。

在長達(dá)數(shù)天的望遠(yuǎn)鏡展開過程中，雷神公司的工程師們在地球上密切關(guān)注著它的一舉一動(dòng)。

這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡位于月球軌道之外，距離遠(yuǎn)到即使用最強(qiáng)大的觀測儀器也看不到。

但望遠(yuǎn)鏡可以實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳回地球，軟件幾乎同步使用這些數(shù)據(jù)來渲染展開過程的 3D 視頻。這就像在看一部扣人心弦的電影。

3D 視頻是復(fù)雜望遠(yuǎn)鏡的“數(shù)字孿生”：通過儀器提供的信息，由計(jì)算機(jī)打造的一個(gè)儀器模型。凱西說：“這是一種大變革，我們現(xiàn)在能夠看到它了?！?/span>

在望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行的早期，團(tuán)隊(duì)緊張地觀察著模型，最終長舒一口氣，344 個(gè)潛在問題都沒出現(xiàn)。

最后，望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入了它的最終形態(tài)，在太空里和屏幕上都看起來像它應(yīng)有的樣子。自那以后，望遠(yuǎn)鏡的“數(shù)字孿生兄弟”一直在自我更新。

對雷神公司來說，建造這樣一個(gè)復(fù)雜的全尺寸復(fù)制品的概念并不新鮮，部分原因是該公司在國防和情報(bào)領(lǐng)域的工作。相比天文學(xué)，數(shù)字孿生技術(shù)在這些領(lǐng)域更受歡迎。

（來源：STEPHANIE ARNETT, VICHHIKA TEP/MIT TECHNOLOGY REVIEW | NASA）

然而，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡實(shí)際上比許多系統(tǒng)更復(fù)雜，因此在數(shù)字孿生應(yīng)用中所取得的新進(jìn)展，現(xiàn)在將反哺給雷神公司的軍事業(yè)務(wù)。

通常來說，國家安全會(huì)推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，但這個(gè)故事恰恰相反。

數(shù)字孿生聯(lián)盟的首席技術(shù)官丹·艾薩克斯（Dan Isaacs）表示，太空是非國防技術(shù)和國防技術(shù)的交匯點(diǎn)，數(shù)字孿生是“這些合作努力的核心”。

隨著這項(xiàng)技術(shù)越來越普遍，研究人員越來越多地發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生是科學(xué)社會(huì)中富有生產(chǎn)力的一員。

它幫助人類運(yùn)行世界上最復(fù)雜的儀器，同時(shí)也揭示了更多關(guān)于世界本身和宇宙之外的信息。

2002 年，專注于商業(yè)和制造業(yè)的研究人員邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）提出了“數(shù)字孿生”的概念。他建議，在實(shí)物的開發(fā)過程中，應(yīng)不斷更新實(shí)物產(chǎn)品的數(shù)字模型。

但“數(shù)字孿生”一詞實(shí)際上來自 NASA 的一位名叫約翰·維克斯（John Vickers）的員工，他于 2010 年首次使用它，作為航天局技術(shù)路線圖報(bào)告的一部分。

如今，格里夫斯是數(shù)字孿生研究所的負(fù)責(zé)人，而維克斯仍是 NASA 的技術(shù)專家。

借助附著在物體上的傳感器，物聯(lián)網(wǎng)將真實(shí)世界和互聯(lián)網(wǎng)連接到了一起。如今，這些設(shè)備的數(shù)量超過 150 億臺(tái)，而 2010 年只有數(shù)百萬臺(tái)。

當(dāng)前我們的計(jì)算能力正在不斷增強(qiáng)，云服務(wù)比前十年更受歡迎、更強(qiáng)大，它允許數(shù)字孿生的制造商在不投資大量硬件的情況下放大或縮小他們的模型，或創(chuàng)建更多的克隆體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)在，數(shù)字孿生也可以將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合起來，幫助理解每秒捕捉的大量數(shù)據(jù)點(diǎn)。

基于這些因素，雷神公司決定建造詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)字孿生，原因與它在國防領(lǐng)域研發(fā)數(shù)字孿生的原因相同：人們幾乎沒有犯錯(cuò)的余地。

凱西說：“這是一次不能失敗的任務(wù)?！?/span>

這個(gè)數(shù)字孿生模型每天跟蹤 8 億個(gè)真實(shí)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)點(diǎn)，所有這些 0 和 1 組成了一個(gè)實(shí)時(shí)視頻，比成堆的數(shù)字更容易被人類監(jiān)控。

望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)使用數(shù)字孿生來監(jiān)測天文臺(tái)，并預(yù)測軟件更新等變化的影響。

在測試這些時(shí)，工程師們使用數(shù)字孿生的離線副本，上傳假設(shè)的更改，然后觀察接下來會(huì)發(fā)生什么。

該小組還使用離線版本來培訓(xùn)操作員和解決一種名為 IRL 的問題。凱西拒絕透露其性質(zhì)。“我們稱之為異?，F(xiàn)象?！彼f。

望遠(yuǎn)鏡的數(shù)字孿生并不是第一個(gè)有“模擬兄弟”的空間科學(xué)儀器。“好奇號(hào)”火星車的數(shù)字孿生曾幫助 NASA 解決了它的散熱問題。

對于歐洲核子研究中心的粒子加速器，數(shù)字孿生幫助開發(fā)探測器和監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)等。歐洲航天局希望利用地球觀測數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)地球本身的數(shù)字孿生。

在世界上最大的單鏡望遠(yuǎn)鏡加納利大望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)團(tuán)隊(duì)大約兩年前就開始建造孿生望遠(yuǎn)鏡，那時(shí)他們甚至還沒有聽說過這個(gè)詞。

當(dāng)時(shí)，工程負(fù)責(zé)人路易斯·羅德里格斯（Luis Rodríguez）找到了天文臺(tái)主任羅曼諾·科拉迪（Romano Corradi）?？评险f：“他說我們應(yīng)該開始把事情聯(lián)系起來。”

羅德里格斯建議，他們可以從工業(yè)界中學(xué)習(xí)原理。在工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器會(huì)定期相互通信和與計(jì)算機(jī)通信，監(jiān)控自己的狀態(tài)，并自動(dòng)對這些狀態(tài)做出反應(yīng)。

該團(tuán)隊(duì)開始添加傳感器，以傳遞有關(guān)望遠(yuǎn)鏡及其環(huán)境的信息。科拉迪說，了解天文臺(tái)周圍的環(huán)境條件是“操作望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)”。這些條件包括是否會(huì)下雨，溫度如何影響示波器的焦點(diǎn)等等

在傳感器提供數(shù)據(jù)后，他們創(chuàng)建了望遠(yuǎn)鏡的 3D 模型，將這些事實(shí)可視化。

羅德里格斯說：“這對操作望遠(yuǎn)鏡的工作人員來說是非常明顯的優(yōu)勢。管理望遠(yuǎn)鏡變得更容易了。在過去，控制望遠(yuǎn)鏡非常困難，因?yàn)樗浅?fù)雜?！?/span>

現(xiàn)在，該望遠(yuǎn)鏡的數(shù)字孿生剛開始接收到數(shù)據(jù)，但該團(tuán)隊(duì)正在努力采用一種更具解釋性的方法，使用人工智能來預(yù)測儀器的行為。

科拉迪說：“有了數(shù)字孿生中的信息，你就可以在真實(shí)的望遠(yuǎn)鏡中做一些事情。”最終，他們希望擁有一臺(tái)“智能望遠(yuǎn)鏡”，能夠自動(dòng)對其情況做出反應(yīng)。

科拉迪說，直到去年他們參加了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)會(huì)議，團(tuán)隊(duì)才發(fā)現(xiàn)他們正在建造的東西有名字。

他說：“我們看到，在工業(yè)界，而不是科學(xué)界，有一個(gè)不斷發(fā)展的社區(qū)，每個(gè)人現(xiàn)在都在做這些數(shù)字孿生。”

當(dāng)然，正如粒子加速器和航天機(jī)構(gòu)所展示的那樣，這個(gè)概念正在悄悄地進(jìn)入科學(xué)領(lǐng)域，但它仍然在企業(yè)中站穩(wěn)了腳跟。

科拉迪說：“對工業(yè)的興趣總是先于對科學(xué)的興趣?！钡J(rèn)為，像他們這樣的項(xiàng)目將繼續(xù)在更廣泛的天文學(xué)界激增。

例如，正在規(guī)劃的三十米望遠(yuǎn)鏡的負(fù)責(zé)小組打電話請他們介紹這項(xiàng)技術(shù)。

該望遠(yuǎn)鏡將有一個(gè)由數(shù)百個(gè)小鏡子組成的主鏡?？评险f：“我們只是預(yù)料到了這個(gè)行業(yè)已經(jīng)發(fā)生的一些事情?！?/span>

國防工業(yè)界真的很喜歡數(shù)字孿生。例如，美國太空軍用一個(gè)數(shù)字孿生來計(jì)劃 Tetra 5 項(xiàng)目，這是一個(gè)為衛(wèi)星加燃料的實(shí)驗(yàn)。

2022 年，美國太空軍還與 Slingshot Aerospace 簽訂了一份合同，創(chuàng)建一個(gè)太空數(shù)字孿生模型，展示地球軌道上發(fā)生的事情，為碰撞等事件做好準(zhǔn)備。

艾薩克斯舉了一個(gè)例子，空軍將一架退役飛機(jī)送往一所大學(xué)，以便研究人員可以繪制“疲勞剖面圖”，一種飛機(jī)應(yīng)力、應(yīng)變和載荷隨時(shí)間累積的圖像。

由該圖像制成的數(shù)字孿生可以幫助識(shí)別需要更換的零件，以延長飛機(jī)的壽命，或在未來設(shè)計(jì)出更好的飛機(jī)。

國防和科學(xué)領(lǐng)域的公司，尤其是在航天工業(yè)領(lǐng)域的公司，因此很具有優(yōu)勢，它們可以將創(chuàng)新從一個(gè)部門轉(zhuǎn)移到另一個(gè)部門。

例如，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)字孿生將與雷神公司國防方面的項(xiàng)目有一定的相關(guān)性，該公司已經(jīng)在研發(fā)導(dǎo)彈防御雷達(dá)、空射巡航導(dǎo)彈和飛機(jī)的數(shù)字孿生。

凱西說：“我們可以在其他地方重復(fù)使用它的一部分。（而）跟蹤或發(fā)送命令的任何衛(wèi)星，都可能從我們所做的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡工作中受益?！?br />