數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用及研究進展

譚展

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0 引言

當前越來越多先進的技術(shù)被應(yīng)用于制造業(yè)當中，傳統(tǒng)的制造方式發(fā)生了重大改變，制造業(yè)開始朝著智能化和現(xiàn)代化的方向發(fā)展。實現(xiàn)智能制造不僅能夠有效提高產(chǎn)品制造的質(zhì)量和效率，降低人力成本，同時還能有效提高我國制造企業(yè)的核心競爭力，使我國更多的產(chǎn)品走出國門、走向世界，但是在智能制造行業(yè)的發(fā)展過程中也面臨著很多新的問題，數(shù)字孿生技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)能夠在虛擬的情境中實現(xiàn)物理實體的動態(tài)仿真，將其應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域中能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)實產(chǎn)品的協(xié)同優(yōu)化，對降低成本、提高生產(chǎn)效率非常關(guān)鍵，所以我們必須要對數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用及研究提起高度關(guān)注，更好地推動智能制造領(lǐng)域的發(fā)展。

1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生的定義最早在2003年由Michael Grieves教授在授課過程中提出，此時的概念非常模糊和抽象，并不具備完成的結(jié)構(gòu)，其大致內(nèi)容為一個或者一組裝置的數(shù)字復制品，能夠?qū)崿F(xiàn)對這組裝置的數(shù)字化表達并且在虛擬空間或者真實空間中進行測試，當時這個概念被稱為“鏡像空間模型”[1]。在2011年Michael Grieves教授提出了描述該概念模型的名詞——數(shù)字孿生體，該概念模型如圖1所示。同時還有很多組織機構(gòu)在不同時間從多個角度分析了數(shù)字孿生的定義，其內(nèi)容如表1所示。

表1 各組織機構(gòu)提出的數(shù)字孿生定義

圖1 數(shù)字孿生概念圖

當前被人們普遍接受的數(shù)字孿生的定義為：數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，能夠在虛擬空間當中完成對實際物體的映射，并且能夠表達出實際物體的全生命周期。數(shù)字孿生只一種超越現(xiàn)實的概念，可以被看做是一個或者多個重要的、相互依存的裝置系統(tǒng)的數(shù)字映射集成系統(tǒng)[2]。

2 數(shù)字孿生的模型

2.1 數(shù)字孿生的五維概念模型

在最初Grieves教授提出了數(shù)字孿生三維模型，其中包含物理實體、虛擬實體以及二者之間的鏈接，之后北京航空大學數(shù)字孿生技術(shù)研究所在三維模型中又增加了數(shù)據(jù)和服務(wù)兩個新的維度，形成了數(shù)字孿生的五維概念模型，圖2為數(shù)字孿生五維模型。數(shù)字孿生五維模型更加符合現(xiàn)代化的應(yīng)用要求，他的五個維度能夠很好地與信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)繼承和融合，能夠更好地適用于不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用對象。在新增的兩個維度中。孿生數(shù)據(jù)中心集成了信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)，能夠很好地滿足信息空間與物理空間的一致與同步性的需求，提供更加全面、包含各個流程的數(shù)據(jù)支持。而服務(wù)對數(shù)字孿生應(yīng)用過程中面向不同的領(lǐng)域、不同使用要求、不同用戶所需要的數(shù)據(jù)、算法、模型等進行服務(wù)化的封裝，并且能夠以軟件或者APP的方式提供給用戶，能夠提供更加高質(zhì)量的服務(wù)，用戶也能夠按照自己的實際需求選擇所需要的服務(wù)內(nèi)容。

圖2 數(shù)字孿生五維模型

2.2 數(shù)字孿生的系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字孿生是通過實現(xiàn)對物理實體的虛擬映射來更好的模擬物理實體的全生命周期的變化以及屬性，方便進行狀態(tài)檢測、優(yōu)化以及趨勢的分析預測等，想要更好地完成上述操作，數(shù)字孿生系統(tǒng)中應(yīng)該包含數(shù)據(jù)采集與控制實體、核心實體、用戶實體以及跨域?qū)嶓w。數(shù)據(jù)采集與控制實體主要承擔感知數(shù)據(jù)以及下達控制指令的功能；核心實體主要是實現(xiàn)仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)集成以及系統(tǒng)功能拓展等功能；用戶實體中主要以可視化技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主，能夠增強人機交互給用戶帶來更加真實的使用體驗；最后跨域?qū)嶓w主要是負責保障各層級之間數(shù)據(jù)互通的安全性與穩(wěn)定性。

2.3 數(shù)字孿生的成熟度模型

數(shù)字孿生不僅是物理世界的鏡像，也要實時與物理世界進行數(shù)據(jù)交互以便于實時接受真實世界的信息，更要反過來為物理世界提供優(yōu)化的靈感、方案等，更好的驅(qū)動物理世界，這個演變的過程被稱為成熟度進化，也就是一個數(shù)字孿生體在生長發(fā)育過程中經(jīng)歷的數(shù)化、互動、先知、先覺和共智的過程。數(shù)化就是將物理世界數(shù)字化，也就是通過計算機和網(wǎng)絡(luò)為物理實體建立虛擬模型，同時還能通過物聯(lián)網(wǎng)將物理實體的世界本身狀態(tài)變?yōu)榭梢员挥嬎銠C和網(wǎng)絡(luò)所感知、分析的虛擬實體?；又傅氖翘摂M實體與物理實體之間的互動交流，通過數(shù)據(jù)的交互能夠?qū)崿F(xiàn)實時互動，在交互過程中數(shù)字世界的內(nèi)容能夠干預和優(yōu)化物理世界，同時物理世界的改變也能及時傳輸?shù)綌?shù)字世界中，作為數(shù)字世界的新初始值和新邊界條件[3]。

先知指的是通過仿真技術(shù)對現(xiàn)實世界進行預測，主要依靠物理規(guī)律以及機理來分析、預測物理實體的未來發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)全方面、全領(lǐng)域的仿真。先覺與先知不同，可以根據(jù)不完整的信息和機理通過工業(yè)大數(shù)據(jù)以及機器學習技術(shù)對未來進行感知，想要推動數(shù)字孿生技術(shù)的智能化發(fā)展，就不能只依靠現(xiàn)有的、確定的規(guī)律以及知識，才能更加大膽的想象和預測更好的領(lǐng)悟世界。最后共智指的是單個孿生體內(nèi)部各個構(gòu)件的智慧都是能夠共享的，這也給單個的數(shù)字孿生單體發(fā)展成為一個更大的數(shù)字孿生體創(chuàng)造了條件，在共智過程中存在大量的數(shù)字資產(chǎn)交易行為，區(qū)塊鏈能夠提供最佳的交易機制。

3 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建模技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵就是通過信息化和數(shù)字化來打造真實物體的虛擬體，實現(xiàn)對真實物體的模擬，這樣能夠?qū)ξ锢韺嶓w的全生命周期的各類屬性進行更好的預測和掌握，因此建模是數(shù)字孿生中非常關(guān)鍵的技術(shù)之一。在建模過程中涉及的物理量和數(shù)據(jù)等內(nèi)容非常多，還需要考慮多領(lǐng)域知識的融合問題，因此想要更好地完成建模不能只從單一的方面去考慮一個物理實體，而是需要從多個尺度、多個領(lǐng)域融合的角度區(qū)綜合考慮，這樣才能建立出更加真實的多維模型，有助于更好地對物理實體全生命周期進行管理、模擬以及預測[4]。

3.2 仿真技術(shù)

相較于一般的物理模型來說數(shù)字孿生系統(tǒng)中的模型結(jié)構(gòu)更加真實、同時也更加復雜，如果說建模是將真實的物體做抽象化的展示，那么仿真就是驗證實體抽象化能否真正映射的一個過程，因其結(jié)構(gòu)的復雜性如果僅僅對物理模型進行解析然后建模仿真效果會比較差，還會帶來一些系統(tǒng)模型難以理解的問題，所以一般需要從結(jié)構(gòu)、運行機理等多個方面給予充分的解釋，同時還需要考慮到物理實體運行的真正環(huán)境以及工作情況，綜合考慮多方因素才能保證驗證結(jié)果的準確性。數(shù)字孿生系統(tǒng)仿真驗證是以數(shù)據(jù)作為驅(qū)動力的，所以隨著數(shù)據(jù)的更新物理實體以及仿真模型也能夠?qū)崿F(xiàn)實時動態(tài)更新。將模型驅(qū)動和數(shù)字驅(qū)動進行有效結(jié)合能夠達到高仿真的目的。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸交互

在數(shù)字孿生技術(shù)中主要依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動來完成相關(guān)的工作，那么在數(shù)字孿生系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸和交互就顯得相當重要，是整個系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。在實際工作中傳感器負責獲取和采集數(shù)據(jù)，因此想要更好的獲取到所需數(shù)據(jù)就一定要保證傳感器工作的穩(wěn)定性，同時為了能夠保證數(shù)據(jù)的高速高效傳輸和交互，確保數(shù)據(jù)能夠及時更新，不僅需要很高的數(shù)據(jù)傳輸速度，同時還需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c準確性。當前數(shù)字孿生中的傳感器技術(shù)水平還比較低，表現(xiàn)為抗干擾能力差、穩(wěn)定性較低等，還有非常大的進步空間，為了能夠更好地推動數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，還需要加強對傳感器技術(shù)的研究，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，使數(shù)據(jù)的采集方式向著多樣化的方向發(fā)展[5]。

3.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)也就是我們常說的VR技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)中管理者與虛擬世界中的交互是非常關(guān)鍵的，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⒛繕讼到y(tǒng)的各種情況實時映射為一個三維的空間立體，設(shè)備管理者能夠有一種進入虛擬世界的直觀體驗感，通過該技術(shù)能夠與虛擬空間完成沉浸式的交互[6]。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中設(shè)備管理者能夠?qū)崟r獲取到最真實、直觀的數(shù)據(jù)信息，也能更好地感受設(shè)備的優(yōu)缺點及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備中存在的問題并且進行優(yōu)化和改進。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于一些危險的制造業(yè)當中能夠及時反饋出設(shè)備的運行情況，給相關(guān)工作人員提供更加可靠的人身安全保障，有助于提高制造工作的安全性與可靠性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字孿生當中能夠有效推動設(shè)備的優(yōu)化和改進，有助于促進數(shù)字孿生技術(shù)更快更好的發(fā)展。

3.5 高性能計算能力

隨著科學技術(shù)水平不斷提升，生產(chǎn)設(shè)備的種類越發(fā)多樣化，數(shù)據(jù)采集的方式也變得愈發(fā)豐富，數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量也在提升，同時采集取得的數(shù)據(jù)量也在飛速增長，在海量的數(shù)據(jù)面前，傳統(tǒng)的計算方式已經(jīng)不能很好的滿足數(shù)字孿生技術(shù)的計算工作要求，云計算技術(shù)開始被應(yīng)用于數(shù)字孿生技術(shù)當中，以便能夠更好地呈現(xiàn)目標系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。云端-邊緣中段協(xié)同計算中邊緣端能夠及時完成一些本地數(shù)據(jù)的計算，而云端能夠?qū)λ羞吘壎说挠嬎銛?shù)據(jù)進行整合，通過二者之間的協(xié)同合作能夠大大提高整體的計算能力，更好的應(yīng)對海量數(shù)據(jù)的難題。

3.6 其他關(guān)鍵技術(shù)

在數(shù)字孿生中除上述五種技術(shù)之外還包含一些其他關(guān)鍵技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器學習等，這些技術(shù)的應(yīng)用能夠更好地推動數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展。

4 數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

4.1 數(shù)字孿生在生產(chǎn)車間的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，基本上各項工作都依賴于人工方式，需要人工記錄數(shù)據(jù)、人工采集數(shù)據(jù)、人工計算數(shù)據(jù)等，不僅工作效率低下，耗費了大量的人力資源，工作中還可能會出現(xiàn)各式各樣的錯誤影響生產(chǎn)工作的順利進行，生產(chǎn)車間的效率和質(zhì)量難以提升。將數(shù)字孿生應(yīng)用于生產(chǎn)車間中能夠構(gòu)造數(shù)字孿生車間，通過對物理空間以及虛擬空間的各項流程、個數(shù)據(jù)、信息進行有效的整合，在真實車間的真實數(shù)據(jù)與孿生車間的虛擬數(shù)據(jù)的雙重驅(qū)動下，能夠更好地對生產(chǎn)流程、生產(chǎn)要素進行優(yōu)化，有助于不斷改進真實物理情景中的各項工作，有效控制生產(chǎn)成本、提高車間生產(chǎn)的質(zhì)量，使生產(chǎn)車間能夠達到最佳的運營狀態(tài)，有助于提高制造企業(yè)的車間生產(chǎn)工作效率以及質(zhì)量[7-8]。

4.2 數(shù)字孿生在智能工廠的應(yīng)用

鄭小虎等人對紡織智能工廠提出了數(shù)字孿生技術(shù)解決方案，有效解決了紡織工作中出現(xiàn)的各種問題，有效提高了紡織制造企業(yè)的工作效率。在紡紗智能工廠中，鄭小虎等人將清梳、細紗、并粗、絡(luò)筒作為四個基本的智能單元，提出了對應(yīng)的紡紗智能車間模型，同時借助數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)造了以工藝流程為基礎(chǔ)單元的紡織工廠的虛擬紡織車間，并在其中實現(xiàn)自分析、自決策、自感知等。劉強等人提出了一種能夠智能化生產(chǎn)玻璃的智能工廠，通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用能夠有效規(guī)避生產(chǎn)中存在的一系列安全問題，有助于大幅提高生產(chǎn)效率以及多目標的生產(chǎn)優(yōu)化，滿足個性化模式下的玻璃生產(chǎn)工作。

4.3 數(shù)字孿生在航空發(fā)動機智能生產(chǎn)線上的應(yīng)用

航空發(fā)動機對制造質(zhì)量要求非常高，其制造過程是一個非常復雜的過程，需要在反復多次實驗之后才能得到最佳的制造結(jié)論，為了能夠有效降低航空發(fā)動機的生產(chǎn)難度，降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，崔一輝等人提出了運用數(shù)字孿生技術(shù)來優(yōu)化航空發(fā)動機的生產(chǎn)流程，通過對物理實體進行建模，能夠有效模擬其性能，并進行一系列的仿真實驗，同時通過仿真技術(shù)能夠?qū)ζ渲懈髁悴考膹姸群蜆?gòu)造進行合理分析，對優(yōu)化航空發(fā)動機的生產(chǎn)制造流程、降低生產(chǎn)成本具有重要意義[9]。

5 數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的研究進展

建模技術(shù)是只能領(lǐng)域中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，一直以來國內(nèi)外學者從未停止對建模技術(shù)的研究。Kleanthis在研究工業(yè)自動化系統(tǒng)時采用了基于系統(tǒng)的方法，他提取出了了SysML系統(tǒng)中的UML模型，并且在精煉之后獲得了運行代碼，運用兩種實現(xiàn)方式來利用PLC和市場上最近大量的嵌入式板，給物理領(lǐng)域挑戰(zhàn)的技術(shù)指出了更多的方向，在研究過程中他還重點強調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)的兩大作用，就是粘合劑和網(wǎng)絡(luò)接口。王天然等基于新一代信息技術(shù)變革，給智能制造領(lǐng)域的未來發(fā)展提出了更加明確的要求，就是要實現(xiàn)系統(tǒng)中的分散和集中相統(tǒng)一，這種方式不僅能夠提高生產(chǎn)制造的效率，同時還能滿足不同用戶的多樣化使用需求，使整個系統(tǒng)使用起來更加靈活；除此之外，他們還提出設(shè)計與制造手段應(yīng)虛實結(jié)合，通過虛擬仿真實驗能夠更快更好的完成實驗的設(shè)計和修改工作，能夠大幅降低生產(chǎn)設(shè)計的成本，更好的實現(xiàn)人機之間互融。陳援非等人也對智能空間的建模問題進行了研究，并且提出一種基于本體的建模技術(shù)。這種技術(shù)首先需要建立物理模型，然后在物理模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建信息空間模型，在模型建立完成的基礎(chǔ)上信息空間模型根據(jù)物理空間的前提和結(jié)果，使用智能化的算法就可以生成信息空間模型的完整的服務(wù)流程。服務(wù)流程生成之后就可以將信息空間模型映射給物理空間進行流程的有效性驗證。丁凱等針對智能制造空間建模問題，針對數(shù)字孿生技術(shù)具有的多尺度、多物理量等特點提出了一種非常全面的建模方法，賦予了智能制造空間相關(guān)的含義，對物理空間、業(yè)務(wù)空間和信息空間之間的相互關(guān)系進行了證明，并運用真實的案例對模型進行了印證，證明了該方法的可行性。該方法中有三個主要部分，物理空間、業(yè)務(wù)空間以及信息空間。物理空間是一切工作流程開展的基礎(chǔ)；信息空間是一個虛擬空間，在該空間內(nèi)能夠完成一系列數(shù)據(jù)的處理和計算工作，搭建了物理空間和業(yè)務(wù)空間之間的橋梁；業(yè)務(wù)空間能夠決定各項服務(wù)的運行，通過接收物理或者信息空間的反饋對服務(wù)進行不斷優(yōu)化，有助于提升整個服務(wù)質(zhì)量[10-11]。

鄭湃等人發(fā)現(xiàn)當前智能制造領(lǐng)域數(shù)字孿生建模方法缺乏，對只能制造領(lǐng)域的孿生建模方法展開了深入的研究并且提出了一種由數(shù)字模型、計算機模型和基于圖形的模型的全新的三維模型，能夠?qū)ΜF(xiàn)實世界中的各種行為進行更加真實的模擬。LiuShimin等提出了一種基于仿生原理的數(shù)字孿生建模方法，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對構(gòu)造精密加工過程的多物理場數(shù)字孿生的自適應(yīng)，運用這種方式能夠形成多個數(shù)字孿生的子模型，這些子模型通過相互交互最終能夠?qū)⑽锢砑庸み^程完整的表示出來。

總之隨著時代的發(fā)展對于數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用還會不斷開展，從而進一步推動智能制造領(lǐng)域的改革和發(fā)展。

6 數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展趨勢

近年來數(shù)字孿生技術(shù)受到了社會各界的廣泛關(guān)注，也成為各國發(fā)展和研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。在我國重點支持的人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都是推動數(shù)字孿生發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，所以隨著對這些技術(shù)的不斷深入研究相信我國數(shù)字孿生技術(shù)將能夠取得更好的發(fā)展，也會在智能制造業(yè)中得到更好的應(yīng)用，以下介紹了數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展趨勢。

6.1 設(shè)備全生命周期的智能化管理

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)來進行建模，沉浸式交互方式對設(shè)備的運行情況進行實時狀態(tài)監(jiān)測和反饋。數(shù)字孿生系統(tǒng)具有的自識別、自計算、自學習、自決策能力解放了人類的一部分腦力工作，并對研究人員的生產(chǎn)研發(fā)、攻克難題提供幫助。智能化程度的提升、延長設(shè)備使用壽命、提高制造效率是數(shù)字孿生技術(shù)對于設(shè)備智能化管理中的發(fā)展方向。

6.2 產(chǎn)品全生命周期的智能化管理

數(shù)字孿生技術(shù)對產(chǎn)品生產(chǎn)的全流程進行建模，在虛擬空間對產(chǎn)品的生命周期進行模擬仿真，預測產(chǎn)品流程中某一個環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題，提早防范，消除隱藏風險，流程中的每個環(huán)境都保持在一個最優(yōu)化的狀態(tài)，從而生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。未來最優(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、最優(yōu)運輸?shù)龋a(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。隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的不斷融合和快速發(fā)展，相信數(shù)字孿生技術(shù)將在智能制造領(lǐng)域得到更好的發(fā)展，并且將獲得更多的發(fā)展機遇和更加廣闊的發(fā)展前景[12]。

7 結(jié)語

綜上所述，當前世界各國都非常重視數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)中心涵蓋很多當前的熱點技術(shù)，比如大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，這些技術(shù)的發(fā)展都能有效推動數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。從當前情況上來看數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)在智能制造領(lǐng)域中取得了一定的應(yīng)用成果，伴隨著數(shù)字孿生技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，在未來必然能推動智能制造領(lǐng)域更好的發(fā)展，也將會不斷應(yīng)用到更多新的領(lǐng)域中，當前數(shù)字孿生技術(shù)的模型、構(gòu)造已經(jīng)基本完善，相信隨著未來應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬還會進行進一步改進，為推動整體科學技術(shù)水平的提升作出更大貢獻。