基于數字孿生的智能制造技術應用研究

葛 勇 趙光藝

（安徽機電職業(yè)技術學院，蕪湖 241002）

隨著智能產品發(fā)展的不斷深入，產品的組成越來越細化，結構越來越復雜。組件信息和設計信息的數量大大增加，使得生產車間和產品內部的生產和管理信息交互種類繁多，導致產品設計加工流程發(fā)生轉變，制造業(yè)也發(fā)生了顯著變化。自動化和智能化技術開始真正賦能，改變了傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)展模式。在當前制造業(yè)發(fā)展中，需要進一步提升制造系統(tǒng)的海量信息存儲和處理能力，充分利用現有的數據信息。如果缺少信息交互，數字制造系統(tǒng)將無法正常運行，從而難以凸顯出系統(tǒng)價值。一旦中斷信息源，柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，FMS）就會癱瘓，從而影響正常的生產過程[1]。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)正朝著數字化和智能化的方向發(fā)展，所以現有的制造系統(tǒng)必須升級改進。數字孿生技術引發(fā)了廣泛關注，指的是基于不同類型的傳感器采集對應的數據信息，然后通過特定的平臺構建鏡像，以此模擬物理對象實時狀態(tài)，從而將復雜產品的開發(fā)和生產集成到產品中。真實世界與虛擬世界多維多動態(tài)的實時交互，將制造、運營、維護以及智能服務轉換為數字模型的方式，通過對模型的優(yōu)化和調整提升產品的質量，降低了生產成本。對于數字孿生技術的研究持續(xù)增多，并逐步應用到了實際生產領域。目前，許多大型研究機構和公司已經針對各種對象開發(fā)了自己的數字孿生模型，在實際應用中顯示出廣闊的市場空間。

1 數字孿生的內涵與關鍵技術

1.1 數字孿生的內涵

學者Michael Grieves首次提出了數字孿生的概念，主要是在產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）課程中提出數字孿生概念的原型，即一個或一組孿生特定設備的數字副本，產品可以抽象地表示為真實設備，并且可以基于此概念在特定的條件下進行實驗和分析[2]。后來，Michael Grieves在此領域進一步研究，并在概念模型描述中再次提到了數字孿生。數字孿生可以劃分為多個部分，主要包括虛擬產品和物理產品，二者分別處于虛擬空間與物理空間內。除了上述兩部分之外，還有二者之間的交互接口。此后，很多機構針對數字孿生進行了研究，并提出了自己的定義，具體信息如表1所示。

表1 不同組織機構給出的數字孿生定義

研究過程中需要結合數字孿生的定義進行分析和理解，以此可以明確其具體的應用。數字孿生技術是可在許多領域使用的理論和新型技術系統(tǒng)，廣泛用于產品設計、產品制造、醫(yī)學分析、土木工程以及智慧城市等領域。目前，中國最深入的應用是機械工程領域，而智能制造領域則是最受關注和最熱門的研究。

1.2 數字孿生的關鍵技術

1.2.1 建模

數字孿生的意義在于實現數字化建模的過程，以此對真實的目標進行描述和表征[3]。這種方式能夠控制與分析物理實體全生命周期的屬性。該技術的核心部分是建立物理單元的數字模型以及建模過程，過程中涉及多方面內容，不能只是片面地將單一物理量和數據交互考慮在內，而是需要綜合多方面因素，全面考慮多尺度和多物理量，才能得到精度更高的模型。

1.2.2 仿真

在通過模型描述物理實體的過程中，需要特定的仿真手段驗證這種虛擬模型的準確性和完整性。因此，仿真屬于至關重要的過程。對于數字雙目標系統(tǒng)而言，如果在建模過程中只是利用一個分析物理模型，往往難以得到理想的仿真效果。采用深度學習等數據驅動類方法時，這種建模機制基本等同于黑匣子，且不包含對模型機制的解釋，將很難理解模型。所以，在建模過程中需要綜合考慮多方面因素，并確定合適的建模方法。如果數字孿生系統(tǒng)的復雜度較高，則應該全面考慮運行環(huán)境、自身結構特征等[4-8]，然后基于數據驅動的方法優(yōu)化和改進模型，使其與實際的目標系統(tǒng)保持較高的一致性，并且在此基礎上預測未來的發(fā)展趨勢。結合上述分析可知，仿真過程中可以采用數據和模型驅動相結合的方法，以便提升仿真質量。

1.2.3 虛擬現實

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術已經廣泛應用于實際生產領域，可以基于數字化技術為用戶呈現逼近的場景，使得目標系統(tǒng)的基本結構、運行狀態(tài)和變化趨勢等信息轉化為3個狀態(tài)，以實時映射多維空間[9-12]。VR為設備管理員提供各種感官的逼真體驗，并以最真實的含義為設備管理員提供與虛擬身體的互動。管理員則可以基于現有的技術得到精度較高的操作反饋，進而通過最直觀的方式顯示設備的缺陷和好處，并從中獲得設備改進的靈感。對于高風險制造，VR能夠直接呈現設備工作狀態(tài)的具體信息，確保設備處于最佳的運行狀態(tài)。所以，VR技術的應用具有重要意義，能夠在數字孿生系統(tǒng)的整個生命周期中改善設備、維護設備并優(yōu)化性能。

1.3 數字孿生實現技術流程

首先，采集數據的過程，即通過不同的技術和設備來采集需要的數據信息。其次，對采集的原始數據進行適當預處理，然后通過平臺進行仿真，得到一定的仿真對象。最后，通過平臺分析和預測虛擬實體的工作狀態(tài)，可以自定義和增強實際物理實體，并實時更新虛擬實體，實現真實的整個生命周期映射，反饋調整模擬對象和虛擬實體。數字孿生技術實施過程的示意圖，如圖1所示。

圖1 數字孿生技術實現流程

2 數字孿生在智能制造技術中的應用

智能制造技術的發(fā)展已成為一種必然趨勢，相關的研究持續(xù)增多。此類技術需要結合先前的數據和經驗進行處理，并依據當前的生產數據進行分析預測，在此基礎上完成對現有生產要素（人、機器、材料、方法和環(huán)境等）的建模，并基于這些要素評估相關的風險因素。將該模型與加工設備的下一狀態(tài)對比，預測生產過程中的產品質量，并對比預測值與目標值，分析二者之間的偏差大小，結合實際運行狀況進行干預和優(yōu)化，以改善生產效率和質量。智能制造的核心技術包括組合應用方案，而在數字化生產中利用了“大數據+領域知識+機制”的建模方案，構建了可靠的混合建模方法，能夠在實際生產領域中發(fā)揮重要作用[13]。

為了達到上述目標，智能化和信息化技術的應用十分必要，而數字孿生技術是解決上述問題的最佳方案。結合之前的分析明確了數字孿生的基本定義和特征，能夠對物理實體的屬性和狀態(tài)進行實時描述和展示。基于海量數據的處理建立虛擬實體和物理單元的映射關系，能夠與智能傳感器、5G通信、云平臺、大數據分析和人工智能技術兼容[14]。所以，數字孿生在制造行業(yè)實現數字化和智能化過程中顯示出了較大價值，可以將其作為虛擬和物理實體之間的媒介，提升制造的工藝水平。

2.1 數字孿生在智能工廠中的應用

目前，很多工廠依然過度依賴傳統(tǒng)的人工管理模式，對生產過程的相關信息主要通過人工方式管理，不僅效率低，而且難以實現生產流程的追溯，降低了產品質量。將數字和系統(tǒng)管理引入到實際生產流程中，有助于解決上述問題。大多數數據收集都是智能的，相對于傳統(tǒng)的人工管理模式具有顯著優(yōu)勢。然而，實際車間和虛擬車間的實時交互相去甚遠。針對此問題，陶菲等提出了數字孿生生產車間（Digital Twin Workshop，DTW）的概念。DTW將每個流程和業(yè)務的有效數據集成到物理實際空間和虛擬空間。通過孿生模型和孿生數據的有機結合，進一步完善物理車間生產過程管理、生產要素管理以及其他與生產相關的方面。企業(yè)生產活動要滿足成本、質量和生產效率等方面的約束，并達到車間生產經營的最佳生產方式[14]。

2.2 數字孿生在車間中的應用

很多學者針對數字孿生在車間領域中的應用進行了研究。鄭小虎等針對智能紡織廠設計進行了大量研究，之后引入了數字孿生技術，結合紡織過程中的幾種必要流程，組成智能紡紗廠的4個基本智能單元，并提出了相應的智能紡紗廠模型，同時說明了紡織品各個部分的具體狀態(tài)，還在紡織品信息中添加了智能工廠信息、制造過程等相關內容，并使用數字孿生技術構建了基于紡織過程的紡織工廠虛擬紡織車間，實現了自我意識、自我分析和自我執(zhí)行的智能紡織廠。劉強等則在生產車間優(yōu)化中引入數字孿生技術，設計了一種新的中空玻璃智能生產技術，技術核心在于數據驅動，提高了設計效率，提升了玻璃生產質量，滿足了不同用戶的個性化需求。

3 數字孿生技術在智能制造領域的發(fā)展趨勢

近年來，各個國家逐漸開始重視數字孿生技術的發(fā)展，并加大了對該領域的研究力度[15]。隨著我國工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，在工業(yè)領域中逐步引入了先進的自動化和人工智能技術，而這些技術正是數字孿生技術發(fā)展的基礎。政府部門出臺了一系列扶持政策，鼓勵更多的企業(yè)加入到該領域的研究中，優(yōu)化傳統(tǒng)的生產模式，實現生產的轉型和升級，使數字孿生技術發(fā)揮出自身的價值。所以，在企業(yè)生產、發(fā)展、管理以及銷售等各個生產環(huán)節(jié)中，數字孿生技術將發(fā)揮更大的價值，并為制造業(yè)的轉型發(fā)展提供必要的支持。

3.1 設備全生命周期智能化管理

數字孿生技術可以基于生產階段的各種數據進行分析，由此實現數字化建模的過程。它在虛擬空間中創(chuàng)建目標對象的虛擬單元，并實現人與機器之間的沉浸式交互。通過VR技術實現可以實時獲取設備的運行狀態(tài)和參數信息，并通過數據驅動技術進行監(jiān)控和預測，使設備逐步具備自適應的特征[16-17]。

3.2 產品全生命周期智能化管理

基于數字孿生技術可以實現產品全生命周期的智能化管理，對產品設計、制造、存儲以及運輸各個階段進行建模，并將產品的整個生命周期映射到虛擬空間中來管理產品質量。它通過監(jiān)視和預測產品整個虛擬過程的各種狀態(tài)，統(tǒng)一調節(jié)和管理產品的整個過程，可以準確預測在跟蹤過程中將要出現的問題，以便及時作出相應處理，確保產品始終保持最優(yōu)的狀態(tài)。在此領域的應用，如圖2所示[18]。

圖2 數字孿生技術在產品全生命周期的應用

4 結語

隨著基礎研究的不斷深入，數字孿生技術得到了較大發(fā)展，在智能制造中發(fā)揮了重要價值。很多企業(yè)和研究機構已經開展了大量的研究工作，并通過實驗等方式進行了驗證分析，獲得了良好的應用效果。然而，因為在部分核心技術上依然存在不足、跨學科集成相對困難以及數字孿生的技術標準尚未完成，所以當前大部分工作都處于實驗驗證階段，缺乏大規(guī)模的實際生產應用。隨著研究的不斷深入，部分關鍵技術必然會被逐步攻破，通過技術和理論的創(chuàng)新，將會促進數字孿生技術的發(fā)展和應用，且將其應用到智能制造中，提升制造業(yè)的發(fā)展水平。