雷神公司研發數字孿生模型，每天能跟蹤8億個太空望遠鏡數據點

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·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）即將結束它的 160 萬公里旅程，但到達它的既定軌道只是這趟危險旅程的一部分。

為了做好觀測準備，航天器必須以復雜的方式展開。根據其工程師的計算，失敗的方式足足有 344 種。

一個網球場大小的遮陽板必須完美展開，最終就像望遠鏡下面的一只巨大的閃亮風箏。副鏡必須向下擺動到完美的位置，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。

三個金色的鏡面部分必須從望遠鏡的兩側展開，將它們的邊緣嵌入到已經裝配在一起的 12 個鏡面上。

組裝流程必須完全按順序進行，望遠鏡才能正常工作。

雷神公司航空航天防御系統業務的技術總監凱倫·凱西（Karen Casey）說：“那是一個可怕的時刻。”

據了解，雷神公司開發了控制望遠鏡運動的軟件，現在負責它的運行。

在長達數天的望遠鏡展開過程中，雷神公司的工程師們在地球上密切關注著它的一舉一動。

這臺望遠鏡位于月球軌道之外，距離遠到即使用最強大的觀測儀器也看不到。

但望遠鏡可以實時將數據傳回地球，軟件幾乎同步使用這些數據來渲染展開過程的 3D 視頻。這就像在看一部扣人心弦的電影。

3D 視頻是復雜望遠鏡的“數字孿生”：通過儀器提供的信息，由計算機打造的一個儀器模型。凱西說：“這是一種大變革，我們現在能夠看到它了。”

在望遠鏡運行的早期，團隊緊張地觀察著模型，最終長舒一口氣，344 個潛在問題都沒出現。

最后，望遠鏡進入了它的最終形態，在太空里和屏幕上都看起來像它應有的樣子。自那以后，望遠鏡的“數字孿生兄弟”一直在自我更新。

對雷神公司來說，建造這樣一個復雜的全尺寸復制品的概念并不新鮮，部分原因是該公司在國防和情報領域的工作。相比天文學，數字孿生技術在這些領域更受歡迎。

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

然而，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡實際上比許多系統更復雜，因此在數字孿生應用中所取得的新進展，現在將反哺給雷神公司的軍事業務。

通常來說，國家安全會推動科學技術的發展，但這個故事恰恰相反。

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

隨著這項技術越來越普遍，研究人員越來越多地發現，數字孿生是科學社會中富有生產力的一員。

它幫助人類運行世界上最復雜的儀器，同時也揭示了更多關于世界本身和宇宙之外的信息。

2002 年，專注于商業和制造業的研究人員邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）提出了“數字孿生”的概念。他建議，在實物的開發過程中，應不斷更新實物產品的數字模型。

但“數字孿生”一詞實際上來自 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，作為航天局技術路線圖報告的一部分。

如今，格里夫斯是數字孿生研究所的負責人，而維克斯仍是 NASA 的技術專家。

借助附著在物體上的傳感器，物聯網將真實世界和互聯網連接到了一起。如今，這些設備的數量超過 150 億臺，而 2010 年只有數百萬臺。

當前我們的計算能力正在不斷增強，云服務比前十年更受歡迎、更強大，它允許數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，或創建更多的克隆體進行實驗。

現在，數字孿生也可以將人工智能和機器學習結合起來，幫助理解每秒捕捉的大量數據點。

基于這些因素，雷神公司決定建造詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的數字孿生，原因與它在國防領域研發數字孿生的原因相同：人們幾乎沒有犯錯的余地。

凱西說：“這是一次不能失敗的任務。”

這個數字孿生模型每天跟蹤 8 億個真實望遠鏡的數據點，所有這些 0 和 1 組成了一個實時視頻，比成堆的數字更容易被人類監控。

望遠鏡團隊使用數字孿生來監測天文臺，并預測軟件更新等變化的影響。

在測試這些時，工程師們使用數字孿生的離線副本，上傳假設的更改，然后觀察接下來會發生什么。

該小組還使用離線版本來培訓操作員和解決一種名為 IRL 的問題。凱西拒絕透露其性質。“我們稱之為異常現象。”她說。

望遠鏡的數字孿生并不是第一個有“模擬兄弟”的空間科學儀器。“好奇號”火星車的數字孿生曾幫助 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，數字孿生幫助開發探測器和監測通風系統等。歐洲航天局希望利用地球觀測數據創建一個地球本身的數字孿生。

在世界上最大的單鏡望遠鏡加納利大望遠鏡，科學團隊大約兩年前就開始建造孿生望遠鏡，那時他們甚至還沒有聽說過這個詞。

當時，工程負責人路易斯·羅德里格斯（Luis Rodríguez）找到了天文臺主任羅曼諾·科拉迪（Romano Corradi）。科拉迪說：“他說我們應該開始把事情聯系起來。”

羅德里格斯建議，他們可以從工業界中學習原理。在工業應用中，機器會定期相互通信和與計算機通信，監控自己的狀態，并自動對這些狀態做出反應。

該團隊開始添加傳感器，以傳遞有關望遠鏡及其環境的信息。科拉迪說，了解天文臺周圍的環境條件是“操作望遠鏡的基礎”。這些條件包括是否會下雨，溫度如何影響示波器的焦點等等

在傳感器提供數據后，他們創建了望遠鏡的 3D 模型，將這些事實可視化。

羅德里格斯說：“這對操作望遠鏡的工作人員來說是非常明顯的優勢。管理望遠鏡變得更容易了。在過去，控制望遠鏡非常困難，因為它非常復雜。”

現在，該望遠鏡的數字孿生剛開始接收到數據，但該團隊正在努力采用一種更具解釋性的方法，使用人工智能來預測儀器的行為。

科拉迪說：“有了數字孿生中的信息，你就可以在真實的望遠鏡中做一些事情。”最終，他們希望擁有一臺“智能望遠鏡”，能夠自動對其情況做出反應。

科拉迪說，直到去年他們參加了一個物聯網會議，團隊才發現他們正在建造的東西有名字。

他說：“我們看到，在工業界，而不是科學界，有一個不斷發展的社區，每個人現在都在做這些數字孿生。”

當然，正如粒子加速器和航天機構所展示的那樣，這個概念正在悄悄地進入科學領域，但它仍然在企業中站穩了腳跟。

科拉迪說：“對工業的興趣總是先于對科學的興趣。”但他認為，像他們這樣的項目將繼續在更廣泛的天文學界激增。

例如，正在規劃的三十米望遠鏡的負責小組打電話請他們介紹這項技術。

該望遠鏡將有一個由數百個小鏡子組成的主鏡。科拉迪說：“我們只是預料到了這個行業已經發生的一些事情。”

國防工業界真的很喜歡數字孿生。例如，美國太空軍用一個數字孿生來計劃 Tetra 5 項目，這是一個為衛星加燃料的實驗。

2022 年，美國太空軍還與 Slingshot Aerospace 簽訂了一份合同，創建一個太空數字孿生模型，展示地球軌道上發生的事情，為碰撞等事件做好準備。

艾薩克斯舉了一個例子，空軍將一架退役飛機送往一所大學，以便研究人員可以繪制“疲勞剖面圖”，一種飛機應力、應變和載荷隨時間累積的圖像。

由該圖像制成的數字孿生可以幫助識別需要更換的零件，以延長飛機的壽命，或在未來設計出更好的飛機。

國防和科學領域的公司，尤其是在航天工業領域的公司，因此很具有優勢，它們可以將創新從一個部門轉移到另一個部門。

例如，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的數字孿生將與雷神公司國防方面的項目有一定的相關性，該公司已經在研發導彈防御雷達、空射巡航導彈和飛機的數字孿生。

凱西說：“我們可以在其他地方重復使用它的一部分。（而）跟蹤或發送命令的任何衛星，都可能從我們所做的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡工作中受益。”