數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領域的發(fā)展與應用

夏 丹

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學院 智能制造學院，215400，江蘇蘇州）

全球科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的高速發(fā)展、先進制造及信息通信技術(shù)的不斷突破，以及5G 網(wǎng)絡的發(fā)展，為制造業(yè)的數(shù)字化、智能化提供了源源不斷的動力。縱觀國際形勢，為謀求在先進制造領域的競爭優(yōu)勢，各國紛紛制定了相應的發(fā)展戰(zhàn)略，如美國的“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡計劃”、德國的“工業(yè)4.0 計劃”，以及我國的“中國制造2025”等，都表明智能制造是新一輪科技革命的制高點。數(shù)字孿生作為近年來新興技術(shù)，其連接虛擬與現(xiàn)實的信息融合優(yōu)勢，無疑將為智能制造領域帶來新的發(fā)展機遇。

1 數(shù)字孿生的概述及模型

數(shù)字孿生是指在虛擬空間對實體進行多維、多物理量及多時空尺度的仿真，通過對實體模型及歷史運行數(shù)據(jù)的映射來反映實體的行為狀態(tài)，同時通過仿真模型預測實體的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)對物理對象全生命周期的監(jiān)控與預測，實現(xiàn)物理對象與數(shù)字模型的共生共存[1]。

2003 年MICHAEL W G 教授提出數(shù)字孿生模型的“三維論”，分別由物理實體、虛擬模型及二者之間的交互數(shù)據(jù)三部分構(gòu)成[2]，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)模型

2017 年，陶飛教授團隊提出了DTW-數(shù)字孿生車間的“五維模型”，包含物理車間、虛擬模型、連接、交互數(shù)據(jù)及服務系統(tǒng)，通過物理與虛擬空間的實時交互，實現(xiàn)車間多維度、全方位數(shù)據(jù)融合，對提升車間管理效益具有重要意義[3]，如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)組成

上述兩種模型的本質(zhì)是相似的，其核心都是根據(jù)物理實體搭建虛擬模型，通過多種傳感裝置采集實體數(shù)據(jù)，并將其傳導至虛擬模型進行交互融合與深度學習，最終實現(xiàn)通過虛擬空間對物理空間進行全方位的監(jiān)控與預測。

2 數(shù)字孿生的發(fā)展現(xiàn)狀

提到數(shù)字孿生的發(fā)展歷程，美國的航空航天局開展的阿波羅項目絕對是其濃墨重彩的一筆，美國航空武器的發(fā)展優(yōu)勢為其成為世界頭號軍事強國打下了堅實基礎，早在2011 年，NASA 開展的阿波羅項目就將數(shù)字孿生系統(tǒng)運用于空間飛行器的研制，通過將影響飛行的物理屬性與溫度模型綁定于虛擬系統(tǒng)進行仿真分析，實時感知其飛行狀態(tài)并預測剩余壽命等要素[4]。隨后，眾多學者在NASA 提出的孿生概念的基礎上，將該技術(shù)引入工業(yè)、農(nóng)業(yè)及IT 等多個領域。2018 年，德國亞琛工業(yè)大學提出了數(shù)字孿生實驗室概念，將基于模型的系統(tǒng)工程和仿真技術(shù)相結(jié)合，對工業(yè)機器人的行為進行優(yōu)化驗證，探索了跨領域建模的可行性[5]。BUTT J 等將數(shù)字孿生與機器學習相結(jié)合用于3D 打印中的熔絲制造過程，開發(fā)了熔絲擠出機的數(shù)字孿生體，并生成了訓練數(shù)據(jù)庫，通過模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的融合，提升了3D 打印的產(chǎn)品精度[6]，如圖3 所示。

圖3 熔絲制造過程的數(shù)字孿生模型

與此同時，國內(nèi)數(shù)字孿生技術(shù)的研究也呈逐年上升的趨勢，其中具有典型代表意義的是北京航空航天大學的陶飛教授團隊，2016 年提出數(shù)字孿生車間，在傳統(tǒng)的三維模型的基礎上提出了孿生車間的五維模型，探索了基于車間的孿生數(shù)據(jù)的交互與融合實現(xiàn)方法[3]。此外，針對數(shù)字孿生領域中的難點問題——模型構(gòu)建，陶飛團隊還提出了“四化四可四用”的構(gòu)建準則，為數(shù)字孿生的應用落地提供理論支撐[1]，如圖4 所示。

圖4 “四化四可四用”準則

清華大學車輛與運載學院將真實車輛與仿真測試工具有機融合，搭建了數(shù)字孿生自動駕駛平臺，推動了自動駕駛技術(shù)的開發(fā)與應用[7]。上海交通大學機械與動力工程學院構(gòu)建了船用燃氣輪機的數(shù)字孿生健康管理工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，打通了設備健康管理系統(tǒng)中多個閉環(huán)模型[8]。

3 數(shù)字孿生在智能制造領域的應用前景

3.1 數(shù)字孿生在產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)的應用

設計是智能制造的首要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)制造業(yè)中的設計與制造環(huán)節(jié)往往是獨立的。一方面存在響應時差，制造中出現(xiàn)的某些工藝變更不能及時反饋至設計人員，制造數(shù)據(jù)不能有效應用于對產(chǎn)品設計的優(yōu)化，從而導致設計缺陷被延遲發(fā)現(xiàn)甚至被忽略，給產(chǎn)品質(zhì)量及品牌形象帶來負面影響。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的設計方案大多局限于產(chǎn)品自上而下的功能分解及自簡單到復雜的裝配結(jié)構(gòu)，缺乏對動態(tài)裝配過程的描述及信息反饋，降低了制造效率，延長了產(chǎn)品開發(fā)周期。而將數(shù)字孿生技術(shù)引入產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)中，可以利用產(chǎn)品設計模型與實體模型的實時交互獲得產(chǎn)品的制造數(shù)據(jù)庫，從而對產(chǎn)品設計優(yōu)化提供助力。李浩等提出了基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設計框架，并通過波音飛機設計與制造協(xié)同等案例探索了數(shù)字孿生在產(chǎn)品設計階段的應用前景[9]。PAI Z 等為了支持復雜產(chǎn)品族的虛擬原型設計，提出了一種通用的數(shù)字孿生方法，并以塔式起重機系列的優(yōu)化設計為例驗證了其成本效益[10]。

3.2 數(shù)字孿生在制造工藝環(huán)節(jié)的應用

工藝是連接產(chǎn)品設計與制造的關鍵因素，其規(guī)劃、定型及優(yōu)化離不開產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)支持。近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助工藝（CAPP）逐漸進入工藝人員視野，帶領傳統(tǒng)工藝邁上數(shù)字化發(fā)展道路。然而，CAPP 的智能化仍然面臨諸多困境，比如現(xiàn)有的CAPP 大多為靜態(tài)的工藝方案，缺乏對制造過程的動態(tài)響應，再者，CAPP 無法有效利用制造過程的數(shù)據(jù)來進一步優(yōu)化現(xiàn)有工藝方案。將數(shù)字孿生技術(shù)引入工藝設計環(huán)節(jié)，通過對設備、工藝、流程等進行虛擬仿真，結(jié)合產(chǎn)品實時制造數(shù)據(jù)進行虛實映射、協(xié)同優(yōu)化，從而達到改進工藝方案、提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的目的。于勇等依據(jù)引入建筑行業(yè)的“實作模型”概念，建立了數(shù)字孿生環(huán)境下的CAPP 設計框架[11]。DEBROY T 等通過建立數(shù)字孿生模型將產(chǎn)品各項工藝參數(shù)集成于某一數(shù)值框架，提高了實驗效率，減少了產(chǎn)品缺陷[12]。

3.3 數(shù)字孿生在運行維護環(huán)節(jié)的應用

對于一些大型的工業(yè)設備，運行維護是產(chǎn)品交付后的重要一環(huán)，直接影響了產(chǎn)品壽命與客戶體驗。產(chǎn)品出現(xiàn)故障后，傳統(tǒng)的運維方式大多采用將運行數(shù)據(jù)與預定數(shù)據(jù)進行對比，然后有針對性地實施控制指令，或運維人員基于自身的知識經(jīng)驗進行推理診斷從而排除故障。以上方法存在兩方面缺陷：一是需要投入大量人力物力進行運維，且運維質(zhì)量受限于運維人員的技術(shù)水平；二是對于一些復雜系統(tǒng)在多變環(huán)境中的運行狀態(tài)，難以準確地預測及調(diào)整。數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化形式對物理模型進行動態(tài)呈現(xiàn)，并能根據(jù)實體狀態(tài)及時修正數(shù)字模型，從而實現(xiàn)精確的運維操作。張僑禹等通過數(shù)字孿生技術(shù)建立了船舶動力系統(tǒng)的運維架構(gòu)，并通過智能運維平臺驗證了控制與故障診斷的可行性[13]，如圖5 所示。

圖5 基于數(shù)字孿生的動力系統(tǒng)智能運維層次結(jié)構(gòu)