基于設計任務的概念設計中產品數字孿生模型的構建

白仲航，孫意為，許 彤，丁 滿

（1.河北工業大學國家技術創新方法與實施工具工程技術中心，天津 300400；2.河北工業大學建筑與藝術設計學院，天津 300400）

數字孿生又稱為數字孿生技術，是通過數字技術對物理世界的真實產品進行描述和建模的過程［1］。在此過程中，與物理實體完全對應，并與之建立實時聯系的數字化表達模型稱為數字孿生體［2］。許多學者對數字孿生體的構建進行了研究：Mika等從微制造單元提取數據信息，用以構建數字孿生體，并將它與SolidWorks結合，來構建制造單元模型［3］；Caputo等基于并行工程方法，構建了符合人機工程的生產線數字孿生模型［4］；Mittal等通過數字雙工程方法，構建了物聯網系統的數字孿生模型［5］。傳統的數字孿生模型包含3個維度：物理實體、虛擬實體和交互通道。陶飛等對傳統的數字孿生模型進行了擴展，增加了孿生數據和服務兩個新的維度，提出了數字孿生五維模型的概念，并探索了其應用領域［6］。對數字孿生體構建與應用的研究主要集中在產品及其生產系統的數據收集［7］、智能服務［8］、加工處理［9］等智能生產過程。在概念設計中，應用數字孿生技術，根據物理產品與虛擬產品之間的孿生數據，可以更好地處理用戶數據，模擬、分析、監測目標產品，不斷挖掘概念設計中的問題和具體的設計子任務，進而促進設計方案的產生，增強產品實際行為與設計期望行為間的一致性，提高產品智能化程度和設計質量［6］。

根據工程設計的系統方法，設計過程可以分為四階段，即明確設計任務、概念設計、具體設計和細節設計［10］。分析設計任務之間的信息交互關系及其先后順序可以更好地把控產品設計過程［11-12］。田啟華等針對耦合設計任務構建了一種二階段迭代模型及其求解執行時間的數學模型［13-14］。Darbinyan將功能形式化與機制形式化相結合，在功能層面對單個任務求解［15］。在概念設計階段，基于設計任務對用戶和產品所要完成的具體任務進行分析、分解和分配，可以有效地提升產品設計質量［16］。目前對設計任務的研究大多是從設計者、物理技術以及設計任務之間關系的角度進行，涉及設計中用戶因素的作用及概念設計中所要完成的具體任務的研究較少。此外，設計任務是復雜的，須各要素相互作用來共同實現設計任務。如何準確把控設計任務中的各要素信息及其相互關系，將設計任務映射到概念設計過程，是設計任務研究的核心。通過對設計任務的分析，提取具體任務要素，構建應用于概念設計的數字孿生模型，可以更進一步地收集任務數據，檢測、發現設計任務中深層次的問題，對求解結果進行驗證，更好地把控設計過程?；诿鞔_的設計任務，對目標產品進行分析，構建針對設計任務的數字孿生模型，是將數字孿生技術用于概念設計的前提。

本文以具體的設計任務為切入點，整合任務分析法與情景分解法，對設計任務進行分解，得到任務流模型。運用模糊綜合評價法，將用戶因素融入設計任務量化過程中，對設計任務進行進一步分析，明確任務域中具體的任務情景。通過對任務情景的分解，得到任務要素，搭建對應于物理域實體的任務情景模型。基于任務域構建物理域，分析進行模擬和檢測的虛擬域的構成，探討任務域、物理域、虛擬域之間的數據映射關系，構建基于設計任務的概念設計中的產品數字孿生模型。

1 任務域模型

1.1 設計任務與子任務

在工程設計領域，設計任務是指工程人員使產品表現出特定功能所要完成的任務。明確設計任務是進行概念設計的前提，通過設計任務的分析與分解，映射得到數字孿生模型要素，構建數字孿生模型。設計任務可以細分為總任務、子任務以及任務元?？側蝿湛梢苑纸鉃樽尤蝿?，子任務可再次分解為次級子任務或任務元，任務元是設計任務的最小單位。

一般來說，在給定的時間內執行一系列任務元即實現產品特定功能。任務元有4個任務屬性：前置任務、并行任務、控制任務和循環任務，如圖1所示。每個任務元都具有輸入和輸出，可以是其他任務元的輸入或控制。

圖1 任務屬性Fig.1 Task attribute

1.2 任務流模型

任務的實現是通過人與工作對象、工作環境相互作用的過程體現出來的，通常由單個結構（元件）或多個結構（元件）的組合來完成特定的任務。在該過程中，有的結構（元件）產生能量，有的結構（元件）轉換能量，有的結構（元件）損耗能量，通過元件間的能量傳遞、轉換或者消耗，結構組件表現出一定的行為特征。倘若這多個結構之間不存在新的動態任務關系，則將每一個結構組件標記為獨立的任務元。在任務分解過程中，首先對設計任務對應的功能進行分解，基于功能模型明確若干個設計任務，從用戶需求出發，對每一個設計任務的完成過程按照層級分解為任務元。多個任務元相互作用，輸出新的任務，將這些任務元組合起來，實現子任務。至少2個任務元或子任務相互作用（前置、并行、控制、循環），構建成一條清晰的任務流，其模型如圖2所示。

圖2 任務流模型Fig.2 Task flow model

1.3 設計任務量化

對不同情景的任務進行分析，通過識別和篩選得到設計任務。篩選是任務分析中的重要階段。首先對產品進行功能分解，找到核心功能，從功能角度將用戶需求串聯起來?；诠δ芊纸庑畔?，得到用戶功能性需求。用戶非功能性需求可以分為耐用性（durability）、支持性（supportability）、可靠性（reliability）和性能（performance）等［17］。設計人員在功能的分解與抽象描述中提取用戶需求，對用戶需求進行分析和分類，明確地定義需求屬性?；谒崛〉挠脩艄δ苄孕枨蠛头枪δ苄孕枨螅瑯嫿嘀兀玫脚c核心功能相關性最高但不完全滿足用戶需求的任務。通過對核心用戶體驗目標的評估，構建若干個評估產品任務的量化維度，總結并提取幾個無法相互替代且互不影響的維度作為評價依據［18］。在構建量化維度的基礎上引入模糊綜合評判法，對各子任務進行量化。從功能角度構建量化維度因素集，而量化依據則使權重設置更為合理。評價篩選得到待改進的任務，確定設計任務。

模糊綜合評價法是通過對事物多維度制約因素的定量評價來實現對事物或對象的整體評價［19］。其主要步驟為：

1）確定因素集U。

2）確定評語集V。

3）確定各因素權重A。

4）確定單因素的模糊綜合判斷矩陣R。

5）確定綜合評判矩陣B。

利用MATLAB軟件進行編程，導入數據進行矩陣計算，實現數據可視化。

2 物理域實體任務情景模型

在設計任務下，物理實體是完成任務域任務目標的主體，包括任務實現過程中的產品實體、用戶實體和環境實體等。對物理實體的準確分析和建模是建立數字孿生體的關鍵步驟。物理實體具有層次性，按照功能和結構可分為單元級（unit）、系統級（system）和復雜系統級（system of systems）三個層級［6］。物理域實體任務情景模型是物理域中物理實體完成目標任務的情景模型，是對物理實體以及實體所要完成的任務的描述?；谠O計任務對物理實體所構建的任務情景進行分解，完成任務域向物理域的映射，進而得到該模型。應用任務分析法整理和模擬任務完成過程，對典型的任務進行分解及詳細分析，使設計人員確定能夠最大限度改進產品的環節，而它通常是任務操作效率較低的環節。然而，利用單一的任務分析法過于感性，僅依賴于設計人員的設計經驗，在很大程度上對交互場景只作定性分析。情景分解法的優勢在于可以對用戶需求及交互行為進行更形象化的描述，理性、完整地分析交互場景，不會遺漏重要情節，通過關鍵節點的篩選使設計人員確定設計任務。張俊磊等［20］將情景分解法應用于產品生命周期分析以及具體的產品設計，并且嘗試與其他方法集成來分析問題。

將任務分析法與情景分解法集成，通過情景分解將抽象的設計任務映射為一個物理實體客觀存在的復雜級情景系統，利用情景分解法按照任務層級對情景進行分解，找到物理實體在實現功能任務時的關鍵情景節點，并將每一個節點對應一個任務，分析情景中的任務目標，得到任務目標下物理實體完成任務的產品功能系統、實體結構系統以及情景準則系統。對每一個情景節點要實現的任務元進行進一步分解，分析并提取任務功能、結構等單元級要素，如圖3所示。

1）產品功能系統。

產品功能系統是指設計任務要實現的產品功能的組合系統，包括功能參數、功能實現的方式、功能實現產生的結果等單元要素。在構建產品功能系統模型時，對產品功能進行定義，描述產品的功能，包括產品的主要功能、輔助功能、附加功能以及功能實現流程。從最小的功能元到主要功能實現的過程及各功能元間的關系，即功能實現的情景。

2）實體結構系統。

圖3 任務情景分解過程Fig.3 Task scenario decomposition process

實體結構系統是指由設計任務實現所需要的實體元件與要素組成的物理系統。用戶、產品、環境、結構元件等因素是實體結構系統的基本單元。實體結構系統包括功能實現的基本要素以及要素之間相互作用關系的集合，如具體任務完成所需的元件及其相互之間的連接關系。

3）情景準則系統。

情景準則是指在設計任務實現的情景過程中功能域和結構域之間的約束與映射關系。情景準則系統包括功能需求產生的限制、功能實現與結構的對應關系、在任務實現過程中結構元件之間的相互作用以及任務所處情景的環境約束。其基本單元是功能、結構和需求在任務情景實現過程中產生的行為特征。

基于任務流對任務實現情景作進一步分析，分析不同任務元下單元級任務要素之間的關系，構建物理域實體任務情景模型，如圖4所示。

圖4 物理域實體任務情景模型Fig.4 Physical domain entity task scenario model

3 虛擬域模型與交互通道

3.1 虛擬域模型

虛擬實體包括幾何模型GV、物理模型PV、行為模型BV和規則模型RV，這些模型能從不同的時間、空間維度對物理實體進行構建與模擬［18］，使數字孿生體能反映設計過程中設計任務與物理實體之間的關系。針對識別出的設計任務，基于任務流與物理域實體任務情景模型，明確每一個任務元的構成要素，分析要素之間產生的行為特征，進而得到虛擬域孿生數據與孿生體的構成。

虛擬域模型由任務情景完成所需的元素單元組成的幾何模型和物理模型、任務元得以實現的行為模型以及任務實現過程中由行為和環境約束構成的規則模型組成。幾何模型和物理模型是任務實現所需的構成要素，包括產品任務完成所需的元件、結構及其相互之間的轉換關系等，甚至還包括用戶、環境因素。行為模型由任務構成要素發生的行為特征構成，行為特征具體包括產品行為、用戶行為、用戶與產品交互行為，以及用戶、產品和環境之間的交互行為等?；谠?、任務目標等要素形成的行為約束構成規則模型。對設計任務進行分析、分解，基于任務情景構建數字孿生模型，如圖5所示。

圖5 虛擬域數字孿生模型Fig.5 Virtual domain digital twin model

3.2 交互通道

除了與物理域和任務域相映射的虛擬域模型外，構建數字孿生模型還須從真實的物理世界收集物理實體數據，包括產品功能參數數據、結構構成數據、準則約束數據以及目標情景下的交互數據，并結合設計任務要求和任務宏觀表現的數據，將這些數據采集并傳輸到虛擬域，對任務數據進行整合和計算，以驅動概念設計。

基于時間參數分析目標產品的物料流、信息流、能量流在任務流中的走向，明確任務的節點以確定收集信息和建立交互通道的節點。其次，對任務元進行分解及詳細分析，得到任務元件與行為特征及其在物理世界對應的數據類型及來源，包括情景布局數據、用戶人體數據等，將收集到的任務數據信息轉化為任務情景，來構建設計任務的虛擬域模型。最后，通過傳感器將任務元信息轉化為電信號數據，傳輸到虛擬場景中，收集物理實體的設計數據，包括任務流中元件的尺寸、動態行為數據、任務持續時間和用戶對任務完成情況的滿意度等?；谌蝿樟?，對虛擬數據進行分析，如任務行為特征對任務完成的支持度、任務元件的物理數據、用戶在任務完成過程中的交互數據和情感數據等。通過對情景空間數據的收集和實時模擬，實現交互通道的建立?；谠O計任務的數字孿生模型的構建過程如圖6所示。

圖6 基于設計任務的數字孿生模型構建過程Fig.6 Construction processof digital twin model based on design task

4 智能分類垃圾桶數字孿生模型的構建

4.1 構建任務域任務流模型

智能分類垃圾桶是一種基于電容式傳感器原理的自動分類垃圾桶，它包括檢測裝置、分類裝置、回收裝置和支撐裝置。目前該垃圾桶的主要問題是分類效率低，一次只能對1件垃圾進行分類且分類時間較長?；诶暗墓δ芎褪褂眠^程，利用任務分析法和情景分解法對其任務進行分解，如圖7所示。基于任務分解得到子任務，基于任務情景的順序，構建智能分類垃圾桶任務流，如圖8所示。

圖7 智能分類垃圾桶任務分析與情景分解Fig.7 Task analysis and scenario decomposition of intelligent sorting trash can

圖8 智能分類垃圾桶任務流Fig.8 Task flow of intelligent sorting trash can

4.2 明確設計任務

首先，對用戶需求進行提煉，構建量化維度即模糊評綜合價法中的因素集；其次，根據專家評審結果，構建量化依據，賦予功能性需求與非功能性需求的權重，最終確定智能分類垃圾桶的因素集，如表1所示。

表1 智能分類垃圾桶的因素集Table 1 Factor set of intelligent sorting trash can

在此基礎上運用模糊綜合評價法，量化與核心功能相關度較高但是用戶體驗感較低、不完全滿足用戶需求的任務。受調查的用戶為10人，其中專家有4人，普通用戶有6人，以t14（識別垃圾）為例。

1）確定因素集U。按照屬性分為2個子因素集：功能性需求U1={操作便利性u1，分類準確性u2，完成效率u3}；非功能性需求U2={耐用性u4，結 構穩定性u5}。滿足U1?U2=U。

2）確定評語集V。根據每個指標評價值，對因素集U1、U2分別作出綜合評判，評價等級分為v1（好）、v2（較好）、v3（中等）、v4（較差）和 v5（很差），V={v1，v2，v3，v4，v5}。

4）確定單因素模糊綜合判斷矩陣R。設單因素模糊評價矩陣 Ri，記為 Ri=[ri1，ri2，…，rin]，其中 rin表示因素i的評價得分。則單因素的模糊綜合判斷矩陣為：

針對t14（識別垃圾）的U1可得操作便利性、分類準確性、完成效率的模糊評價矩陣R1、R2、R3分別為：

針對t14（識別垃圾）的U2可得耐用性、結構穩定性的模糊評價矩陣R4、R5分別為：

則模糊綜合判斷矩陣R（U1）和R（U2）分別為：

5）確定綜合評判矩陣B。B=A×R，是基于評語集V的模糊向量，則：

將t11至t41所有任務數據依次輸入MATLAB程序，運行軟件，確定設計任務為推送垃圾與選擇分類。

4.3 構建物理域實體任務情景模型

針對識別出的推送垃圾、選擇分類兩個設計任務，基于任務流模型，確定子任務功能屬性，進而分解至任務元，明確每一個任務元的構成要素，分析要素之間產生的行為特征?！巴扑屠蔽锢韺嶓w的任務情景為：推板推送垃圾到滑道的盡頭，電機接收到傳感器發出的電信號后開始運轉，帶動絲桿轉動，進而帶動滑桿通過螺紋推動推板，推板開始在滑道上運動，推送垃圾?！斑x擇分類”物理實體的任務情景為：導向槽旋轉相應的角度以確定垃圾移動的方向?；郎系碾娙菔絺鞲衅魍ㄟ^由垃圾的位置變化引起的電阻變化來識別垃圾的類別。當傳感器檢測到垃圾時發出信號給步進電機，電機帶動導向槽旋轉，使導向槽的末端對準垃圾所屬類別的垃圾桶。推送垃圾和選擇分類的實體任務情景模型如圖9所示。

4.4 構建虛擬域模型與交互通道

在構建數字孿生模型的基礎上，基于時間參數下任務元的節點與行為特征，對物理實體和孿生模型的設計數據進行收集，包括任務流中元件的尺寸、用戶的思維邏輯數據、任務持續時間和用戶對垃圾分類完成的滿意度等，完成交互通道的構建，得到最終的智能分類垃圾桶數字孿生模型，如圖10所示。

圖9 推送垃圾和選擇分類的實體任務情景模型Fig.9 Entity task scenario model of pushing trash and selecting classification

圖10 智能分類垃圾桶數字孿生模型Fig.10 Digital twin model of intelligent sorting trash can

5 結論

1）針對概念設計過程中確定設計任務時對用戶需求考慮不足的問題，集成任務分析法和情景分解法，從產品和用戶兩方面考慮，得到概念設計中數字孿生情境下的任務模型。相比于傳統的設計任務研究方法，更注重用戶因素。

2）基于數字孿生的概念，分析任務域的構成，基于模糊綜合評價法對設計任務進行評價，定量分析設計任務，并基于任務元及其行為特征構建物理域實體任務情景模型。分析實體任務情景，結合設計需求準則，構建交互通道與數字孿生模型。提出了設計任務量化的具體方法，探討了基于設計任務的數字孿生模型的構建方法，拓展了數字孿生技術在概念設計過程中的應用。

3）將基于設計任務的數字孿生模型構建方法用于智能分類垃圾桶概念設計中數字孿生模型的構建。

數字孿生模型構建方法還須通過更多工程案例加以驗證并逐步完善。在概念設計階段，如何通過數字孿生技術進一步挖掘設計任務，以及如何將數字孿生模型與相應的創新設計方法相融合，產生設計方案，須進一步研究。