數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

劉恩偉 陳健 孔祥鵬 孫羅文

[摘 ? ?要 ]信息技術(shù)與制造技術(shù)的不斷更新發(fā)展，使得傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)生了變革，智能制造已經(jīng)成為國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的主流方向，并已經(jīng)升級(jí)為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用，使得智能制造物理信息融合的難題得到有效的解決，也因此受到多個(gè)行業(yè)的廣泛關(guān)注。數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一，在智能制造領(lǐng)域應(yīng)用，對(duì)行業(yè)發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。基于數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵，探討數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并對(duì)其在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字孿生，智能制造;應(yīng)用;趨勢(shì)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP311.13 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]The continuous update and development of information technology and manufacturing technology has changed the traditional manufacturing industry . Intelligent manufacturing has become the mainstream direction of the national manufacturing industry development ， and has been upgraded to one of the important contents of the national development strategy .The application of digital twin technology in the field of intelligent manufacturing has effectively solved the problem of physical information integration of intelligent manufacturing ， and therefore has attracted wide attention from many industries .Digital twin technology has become one of the top ten development trends of strategic technology ， and its application in the field of intelligent manufacturing ， for example ， will play an important role in promoting the development of the industry .Based on the basic connotation of digital twin ， this paper discusses the specific application of digital twin in intelligent manufacturing and discusses the trend of intelligent manufacturing .

[Keywords]digital twin ， intelligent manufacturing ; application ; trends

隨著制造技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)方式發(fā)生變革，智能制造成為現(xiàn)代制造業(yè)的主流趨勢(shì)。傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)換，代表著制造業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，同時(shí)也面臨著一系列新的問(wèn)題。數(shù)字孿生技術(shù)可以在虛擬空間對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，并進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，將現(xiàn)實(shí)世界中難以實(shí)現(xiàn)的推演、驗(yàn)證和運(yùn)維在虛擬世界中完成，不僅大幅降低運(yùn)維成本，而且有效提高了生產(chǎn)效率。2015年以來(lái)，世界發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始重視物理信息系統(tǒng)（CPS）的構(gòu)建，使真實(shí)世界的物理工程能夠與虛擬空間內(nèi)的數(shù)字工廠之間能夠?qū)崿F(xiàn)有效的映射和相互間的信息交互，推動(dòng)智能制造邁入一個(gè)新的發(fā)展階段。而數(shù)字孿生技術(shù)無(wú)疑是CPS構(gòu)建的首選，世界各國(guó)由此開(kāi)始對(duì)數(shù)字孿生開(kāi)展了更加深入地研究。但是數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)，在體系支撐和技術(shù)實(shí)際應(yīng)用方面還面臨很多難題，需要在日后更加深入的研究和探索。

1 數(shù)字孿生概述

1.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生概念最早是在2003年，由美國(guó)密歇根大學(xué)Michael Grieves教授提出。當(dāng)時(shí)數(shù)字孿生概念還只是一個(gè)概念雛形，在當(dāng)時(shí)數(shù)字孿生也可稱(chēng)之為“鏡像空間模型”。數(shù)字孿生概念一經(jīng)提出就受到全世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注。不同領(lǐng)域不同時(shí)期的研究人員也賦予了數(shù)字孿生更加豐富的內(nèi)涵。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生就是集合多方面數(shù)據(jù)，集成多種仿真過(guò)程實(shí)現(xiàn)在虛擬空間對(duì)實(shí)體裝備全生命周期的映射。

1.2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 建模

數(shù)字孿生是以物理實(shí)體為基礎(chǔ)的，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化模擬，建立仿真模型。在虛擬空間建立其余真實(shí)世界物理實(shí)體等比例的數(shù)字模型，對(duì)物理實(shí)體全生命周期的運(yùn)行狀態(tài)和各個(gè)屬性進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬、監(jiān)測(cè)、管理、預(yù)測(cè)。因此，建立數(shù)字化模型是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)步驟，也是數(shù)字孿生技術(shù)的核心所在。數(shù)字孿生的建模與普通的單一化建模不同，其需要從多個(gè)尺度、多個(gè)角度的考慮，綜合各個(gè)方面的物理量數(shù)據(jù)，建立多維模型。

1.2.2 仿真

建模是對(duì)真實(shí)世界物理實(shí)體的抽象化展示，那么仿真就是對(duì)實(shí)體抽象化是否真實(shí)映射的驗(yàn)證。數(shù)字孿生系統(tǒng)相對(duì)于一般物理模型在結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜得多，因此，需要從結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理方面給予充分地理解，并要全面考慮到實(shí)際環(huán)境和運(yùn)行工況的影響。數(shù)字孿生系統(tǒng)仿真驗(yàn)證是以數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)力，仿真模型可以與物理實(shí)體之間可以實(shí)現(xiàn)價(jià)值實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)更新。在模型驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字驅(qū)動(dòng)，已達(dá)到提高仿真效果的目的。

1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸交互

數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)是依托數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，那么數(shù)據(jù)的獲取與傳輸就非常重要。傳感器負(fù)責(zé)采集獲取數(shù)據(jù)，因此對(duì)傳感器的性能及其穩(wěn)定性就提出了很高的要求。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)施交互傳輸、及時(shí)更新等功能，數(shù)據(jù)傳輸不僅對(duì)速率有很高的要求，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性要求也很高。目前的傳感器技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，在穩(wěn)定性和抗干擾方面還有待進(jìn)一步提升，同時(shí)數(shù)據(jù)采集的方式也需要更加多樣化，這些都是以后研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1.2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也就是VR技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)中物理實(shí)體與虛擬體之間信息交互極其重要。VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就在于能夠?qū)⒛繕?biāo)系統(tǒng)多方面的狀態(tài)實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的在三維空間內(nèi)以立體化的形式映射出來(lái)，讓管理者能夠?qū)崿F(xiàn)多種感官上的體驗(yàn)，真正的實(shí)現(xiàn)沉浸式的交互，而這種交互方式正式數(shù)字孿生所需要的。VR技術(shù)可以使管理者得到系統(tǒng)多個(gè)方面的運(yùn)行狀態(tài)的有效反饋，無(wú)論對(duì)于設(shè)備價(jià)格的維修還是升級(jí)都具有重要的作用。尤其對(duì)于具有高危性的制造業(yè)，通過(guò)VR技術(shù)能夠獲得有關(guān)設(shè)備最直接、準(zhǔn)確的信息，更大程度的保障安全性。

2 數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)流程

數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，首先就是采集獲取數(shù)據(jù)，對(duì)物理實(shí)體對(duì)象相關(guān)的尺度、參數(shù)、物理量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，獲取數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然后對(duì)數(shù)據(jù)加以整合，再依托計(jì)算平臺(tái)建立仿真模型，在虛擬空間中構(gòu)建與物理實(shí)體同比例、同環(huán)境、同工況的虛擬實(shí)體;通過(guò)服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體與平臺(tái)之間、平臺(tái)物理實(shí)體之間、虛擬實(shí)體與物理實(shí)體之間的交互，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的全生命周期的映射與反饋，實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

3 數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生生命周期正式開(kāi)始的第一環(huán)節(jié)，也是數(shù)字孿生具體應(yīng)用的第一階段。企業(yè)為了滿足不斷發(fā)展更新的市場(chǎng)需要，需要不斷地進(jìn)行產(chǎn)品的更新和升級(jí)，大規(guī)模個(gè)性化產(chǎn)生設(shè)計(jì)是現(xiàn)代制造行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。需求定位不精準(zhǔn)、設(shè)計(jì)協(xié)作難等問(wèn)題一直是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的難題，對(duì)設(shè)計(jì)出的樣機(jī)產(chǎn)品需要進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證和反饋實(shí)際應(yīng)用性能表現(xiàn)，但是往往存在周期長(zhǎng)且需要投入較高的成本，這不僅增加了企業(yè)的成本負(fù)擔(dān)，更是影響產(chǎn)品更新?lián)Q代和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的速度。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就對(duì)其虛擬產(chǎn)品進(jìn)行仿真，模擬實(shí)體產(chǎn)品在不同環(huán)境、不同生產(chǎn)工況下的性能表現(xiàn)和運(yùn)行狀態(tài)，以盡可能地了解實(shí)際生產(chǎn)出的產(chǎn)品是否滿足預(yù)期目標(biāo)設(shè)定。數(shù)字孿生不僅大幅縮短驗(yàn)證反饋的時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期，而且大大降低了樣機(jī)試制與運(yùn)行驗(yàn)證的成本。

3.2 在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

工程生產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，過(guò)程復(fù)雜。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，將真實(shí)世界中的物理實(shí)體設(shè)備與虛擬空間中的虛擬設(shè)備依托信息服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的連接和交互，虛擬設(shè)備可以對(duì)實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的反映和控制，同時(shí)還可以預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障，及時(shí)做出決策指導(dǎo)，提高生產(chǎn)效率。面向生產(chǎn)車(chē)間提出應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)車(chē)間運(yùn)行進(jìn)行三維可視化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，基于車(chē)間運(yùn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建立虛擬車(chē)間運(yùn)行模型，實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)全流程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控?；谀Ｐ头抡娴牧己梅答侀_(kāi)發(fā)出實(shí)例并進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，效果良好。

3.3 在制造服務(wù)中的應(yīng)用

產(chǎn)品在生產(chǎn)制造的過(guò)程中，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提取有價(jià)值的信息，為生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行提供反饋和預(yù)測(cè)，為生產(chǎn)人員提供技術(shù)指導(dǎo)，為企業(yè)管理決策提供信息服務(wù)。面向機(jī)電設(shè)備維修應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)建立維修指導(dǎo)模型，物流維修空間與虛擬維修空間相互融合，雙向映射。對(duì)物理維修空間進(jìn)行設(shè)備故障預(yù)警、快速診斷、維修指導(dǎo)等方面發(fā)揮了重要的作用。

4 數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域取得的重要成果越來(lái)越多，技術(shù)優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展迅速，各國(guó)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)加大關(guān)注和研究力度，不僅在制造領(lǐng)域，在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)已成為十大國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃中的重點(diǎn)技術(shù)，給予高度的重視并開(kāi)始深入研究與應(yīng)用。

數(shù)字孿生技術(shù)以設(shè)備全生命周期的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行建模，沉浸式交互方式對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和反饋。數(shù)字孿生系統(tǒng)具有的自識(shí)別、自計(jì)算、自學(xué)習(xí)、自決策能力解放了人類(lèi)的一部分腦力工作，并對(duì)研究人員的生產(chǎn)研發(fā)、攻克難題提供幫助。智能化程度的提升、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、提高制造效率是數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)于設(shè)備智能化管理中的發(fā)展方向。

數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的全流程進(jìn)行建模，在虛擬空間對(duì)產(chǎn)品的生命周期進(jìn)行模擬仿真，預(yù)測(cè)產(chǎn)品流程中某一個(gè)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提早防范，消除隱藏風(fēng)險(xiǎn)，流程中的每個(gè)環(huán)境都保持在一個(gè)最優(yōu)化的狀態(tài)，從而生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。未來(lái)最優(yōu)的狀態(tài)不僅僅限于產(chǎn)品的生產(chǎn)，還包括產(chǎn)品的最優(yōu)存儲(chǔ)、最優(yōu)運(yùn)輸?shù)?，產(chǎn)品全生命周期智能化管理也是數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的不斷融合和快速發(fā)展，相信未來(lái)數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展必然前景廣闊。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著數(shù)字孿生技術(shù)研究的不斷深入，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域取得的成果越來(lái)越多，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯。即便如此，數(shù)字孿生技術(shù)還處于成長(zhǎng)期，應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域的時(shí)間并不長(zhǎng)，還需要在日后的實(shí)踐應(yīng)用中不斷去檢驗(yàn)、去探索。特別是在關(guān)鍵技術(shù)方面，還有很多難點(diǎn)有待進(jìn)一步突破，與其他學(xué)科之間的融合也是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向之一。至今為止，關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)還沒(méi)有建立起明確的標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)科體系也有待進(jìn)一步完善。相信隨著對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)研究力度不斷加大，數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用也必將取得更好的效果。

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