基于平行理論的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系研究

李清 張鵬飛 費(fèi)卓鑫 林娜 陳彥 趙成森 陳京生

關(guān)鍵詞：物理樣機(jī)，數(shù)字樣機(jī)，平行理論，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系

0 引言

針對產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)體系一般是將數(shù)字樣機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為物理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系的一部分，或者單獨(dú)將其歸集為信息化標(biāo)準(zhǔn)或者數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)。圍繞物理樣機(jī)，從產(chǎn)品全壽命周期出發(fā)，可以建立設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、包裝搬運(yùn)貯存標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)、保障維修標(biāo)準(zhǔn)、報(bào)廢退役標(biāo)準(zhǔn)、后評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等專業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系[1]，其中的數(shù)字樣機(jī)評審是設(shè)計(jì)階段的一個(gè)步驟。針對產(chǎn)品數(shù)字化開發(fā)生產(chǎn)，可以構(gòu)建數(shù)字化協(xié)同研制標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化制造標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)字化仿真試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造數(shù)字化體系，作為制造型企業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)體系的子體系[2]，其中在數(shù)字化環(huán)境下的建模標(biāo)準(zhǔn)和仿真標(biāo)準(zhǔn)可以作為數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，在物理環(huán)境下的數(shù)字化制造標(biāo)準(zhǔn)屬于物理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

2021年，人類邁進(jìn)了元宇宙。從短期來看，元宇宙是一個(gè)平行于現(xiàn)實(shí)世界又獨(dú)立于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬空間，是映射現(xiàn)實(shí)世界的在線虛擬世界，是越來越真實(shí)的數(shù)字虛擬世界。而從長期來看，元宇宙則是現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界有機(jī)融合的虛實(shí)共生[3]。數(shù)字孿生是一種能把現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體鏡像到虛擬空間去的技術(shù)，屬于仿真技術(shù)的一種。物體可以像雙胞胎一樣，存在著“現(xiàn)實(shí)”和“數(shù)字”兩個(gè)完全一樣但卻載體不同的版本，即物理樣機(jī)和數(shù)字樣機(jī)。如果說物理樣機(jī)是構(gòu)建現(xiàn)實(shí)物理世界的基礎(chǔ)，那么數(shù)字樣機(jī)是構(gòu)建工業(yè)元宇宙的基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字樣機(jī)相關(guān)特性越來越能夠描述真實(shí)的物理樣機(jī)，產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)應(yīng)該符合什么標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)該如何構(gòu)建，需要深入研究。

按照GB/T 26100-2010《機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)通用要求》的定義，數(shù)字樣機(jī)是對機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)或具有獨(dú)立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述，這種描述不僅反映了產(chǎn)品對象的幾何屬性，還至少在某一領(lǐng)域反映了產(chǎn)品對象的功能和性能。產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)形成于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，可應(yīng)用于產(chǎn)品的全生命周期，這包括：工程設(shè)計(jì)、制造、裝配、檢驗(yàn)、銷售、使用、售后，回收等環(huán)節(jié)；數(shù)字樣機(jī)在功能上可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品干涉檢查、運(yùn)動分析、性能模擬、加工制造模擬、培訓(xùn)宣傳和維修規(guī)劃等方面[4]。數(shù)字樣機(jī)與物理樣機(jī)在當(dāng)下、在將來會一直并行存在。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系不僅僅是物理樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)包括數(shù)字樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，兩者既有聯(lián)系，又有不同。本文擬研究產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)與物理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，探討與物理樣機(jī)平行的數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建方法。

1 數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建方法

1.1 繼承

針對物理樣機(jī)的部分標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字樣機(jī)可以直接繼承。構(gòu)建一個(gè)能夠描述數(shù)字樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)體系，并不意味著所有標(biāo)準(zhǔn)都必須是全新的[5]，與物理樣機(jī)完全不同。實(shí)際上，那些經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐應(yīng)用而建立起來的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，例如術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、分類代碼標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)等，是可以直接繼承的。

1.2 轉(zhuǎn)化

針對物理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中的部分簡單描述，數(shù)字樣機(jī)需要將其轉(zhuǎn)化成更加精確的描述。例如：描述一個(gè)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的操作步驟，物理樣機(jī)的描述可以是“將樣品放在臺架上”，無需進(jìn)一步描述樣品與臺架的空間位置以及面接觸等特性；數(shù)字樣機(jī)的描述則要將物理樣機(jī)隱藏的特性進(jìn)行初始設(shè)定，要復(fù)雜的多，例如“在某坐標(biāo)系中，樣品A與臺架B在Z軸負(fù)方向具有重力加速度，在其他方向保持靜止，而且樣品A面（朝向Z軸負(fù)方向）與臺架B面（朝向Z軸正方向）為面接觸，其滑動摩擦系數(shù)為0.2等”。

1.3 新建

物理樣機(jī)不需要而僅適用于數(shù)字樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，需要按照描述產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的需求而新建。例如：受模擬條件的限制，描述數(shù)字樣機(jī)幾何特性、物理特性、行為特性、規(guī)則特性的數(shù)據(jù)不可能無限逼近物理樣機(jī)，需要規(guī)定數(shù)字樣機(jī)的建模方法、數(shù)據(jù)精度等。

2 數(shù)字樣機(jī)與物理樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系

2.1 基礎(chǔ)與支撐環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

基礎(chǔ)與支撐環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)保障，重點(diǎn)圍繞數(shù)字樣機(jī)的定義建立標(biāo)準(zhǔn)體系，包括術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、材料定義標(biāo)準(zhǔn)、分類代碼標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)件定義標(biāo)準(zhǔn)、測量精度標(biāo)準(zhǔn)等。

數(shù)字樣機(jī)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)中一部分繼承自物理樣機(jī)，一部分為自身特有，包括全機(jī)樣機(jī)、子系統(tǒng)樣機(jī)、幾何樣機(jī)、功能樣機(jī)、性能樣機(jī)[4]等術(shù)語與定義。

數(shù)字樣機(jī)材料定義標(biāo)準(zhǔn)需要針對物理樣機(jī)的材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化。以汽車用馬氏體鋼為例，GB/T 20564.7-2022《汽車用高強(qiáng)度冷連軋鋼板及鋼帶 第7部分：馬氏體鋼》中馬氏體鋼的牌號表示方法、分類方法等可以繼承；下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率等力學(xué)性能則需要規(guī)定力學(xué)模型定義方法；針對表面質(zhì)量，需要規(guī)定表面粗糙度表征模型定義方法；針對C、Si、Mn等化學(xué)成分，需要規(guī)定分子、原子層面的化學(xué)反應(yīng)模型的定義方法。

數(shù)字樣機(jī)分類代碼標(biāo)準(zhǔn)可與物理樣機(jī)保持一致。

數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件定義標(biāo)準(zhǔn)是對物理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)化。與材料定義標(biāo)準(zhǔn)類似，數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件定義標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)定義幾何特性、物理特性、行為特性、規(guī)則特性的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)字樣機(jī)模型。

針對物理樣機(jī)的測量工具標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字樣機(jī)測量參數(shù)定義可以與物理樣機(jī)保持一致，但更需要測量精度標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 專業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

與物理樣機(jī)一樣，專業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的核心標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)在數(shù)字樣機(jī)的方案階段、設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)階段、使用和維修保障階段、后評價(jià)階段使用，包括了設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)、建模方法標(biāo)準(zhǔn)、仿真制造標(biāo)準(zhǔn)、虛擬試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)、虛擬試用標(biāo)準(zhǔn)、包裝貯存模擬標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)、虛擬搬運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)、損耗與修復(fù)定義標(biāo)準(zhǔn)、報(bào)廢退役定義標(biāo)準(zhǔn)和后評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。

數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)與物理樣機(jī)設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)保持一致。物理樣機(jī)設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式對于數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)來說也是要遵循的最基本計(jì)算方法，而物理樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)范圍則是數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)需要參考的邊界，但不是極限。數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)既能夠繼承自物理樣機(jī)，又具備超越物理樣機(jī)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對物理樣機(jī)的預(yù)測。

數(shù)字樣機(jī)建模方法標(biāo)準(zhǔn)則是針對數(shù)字樣機(jī)的特有標(biāo)準(zhǔn)，即建立數(shù)字樣機(jī)的幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型[6]的建模方法標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字樣機(jī)仿真制造標(biāo)準(zhǔn)與物理樣機(jī)的數(shù)字化制造方法標(biāo)準(zhǔn)不同，并不是基于數(shù)字機(jī)床的工藝代碼編寫方法等標(biāo)準(zhǔn)，而是基于對材料屬性的數(shù)字化表征、模擬工藝加工過程的虛擬化加工制造標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字樣機(jī)虛擬試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)流程與物理樣機(jī)保持一致，但需要對物理樣機(jī)遵循的試驗(yàn)條件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將現(xiàn)實(shí)物理世界中的力、熱、電、磁等條件轉(zhuǎn)化到數(shù)字樣機(jī)試驗(yàn)條件中。對于數(shù)字樣機(jī)而言，試驗(yàn)儀器設(shè)備也是虛擬的，拓展了物理試驗(yàn)儀器設(shè)備測量的量程和精度，也降低了試驗(yàn)儀器本身對試驗(yàn)的干擾。

數(shù)字樣機(jī)產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)與物理樣機(jī)類似，主要包括功能性能要求、質(zhì)量檢驗(yàn)方法等要求，是對物理樣機(jī)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)化。與數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件定義標(biāo)準(zhǔn)類似，數(shù)字樣機(jī)產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)定義幾何特性、物理特性、行為特性、規(guī)則特性，并在此基礎(chǔ)上開展仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，獲取產(chǎn)品質(zhì)量信息。其中，數(shù)字樣機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量一致性可按照物理樣機(jī)的質(zhì)量變化規(guī)律設(shè)置偏差，以更好地逼近物理樣機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量。

數(shù)字樣機(jī)虛擬試用標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)字樣機(jī)虛擬試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)類似，需要將試用相關(guān)方的顯性和隱性條件定義清楚、完整。

數(shù)字樣機(jī)包裝貯存標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)模擬材料屬性在各類環(huán)境條件下的變化；標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)與物理樣機(jī)保持一致；虛擬搬運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)模擬力學(xué)環(huán)境下的重力、摩擦力等力的反饋。

與物理樣機(jī)不同，數(shù)字樣機(jī)在數(shù)字化環(huán)境中本身沒有保障維修的需要。為更好地逼近物理樣機(jī)保障維修周期，數(shù)字樣機(jī)的保障維修標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量一致性類似，按照物理樣機(jī)的保障維修規(guī)律設(shè)置數(shù)字樣機(jī)損耗與修復(fù)模型，提出損耗與修復(fù)定義標(biāo)準(zhǔn)。

按照物理樣機(jī)報(bào)廢退役規(guī)律，構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)報(bào)廢退役模型，建立報(bào)廢退役定義標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字樣機(jī)后評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)除了需要反映數(shù)字樣機(jī)達(dá)到自身功能性能指標(biāo)的程度，也要評價(jià)數(shù)字樣機(jī)與物理樣機(jī)的逼近程度。

2.3 質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)

質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)是指數(shù)字樣機(jī)全生命周期中各類評審節(jié)點(diǎn)需要使用的標(biāo)準(zhǔn)。這部分標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范數(shù)字樣機(jī)質(zhì)量管控中的里程碑、管理控制點(diǎn)、技術(shù)控制點(diǎn)的控制要求以及交付物要求，包括論證標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品需求分析標(biāo)準(zhǔn)、合同管理標(biāo)準(zhǔn)、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)管理標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品開發(fā)策劃標(biāo)準(zhǔn)、評審標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)管理標(biāo)準(zhǔn)、工藝檢查標(biāo)準(zhǔn)、交付物標(biāo)準(zhǔn)、售后服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)等。上述質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)中的管理流程與質(zhì)量控制點(diǎn)與物理樣機(jī)類似，可以繼承，但數(shù)字樣機(jī)具體的交付物具有數(shù)字樣機(jī)特色，為新建標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系框架

數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)可以繼承物理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、分類代碼標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)以及大部分質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可在術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)中增加屬于數(shù)字樣機(jī)的專用內(nèi)容。

物理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系中的材料標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、包裝貯存標(biāo)準(zhǔn)、搬運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)、后勤保障維修標(biāo)準(zhǔn)、報(bào)廢退役標(biāo)準(zhǔn)等需要按照數(shù)字樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化需求進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

測量精度標(biāo)準(zhǔn)、建模方法標(biāo)準(zhǔn)、仿真制造標(biāo)準(zhǔn)、后評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、交付物標(biāo)準(zhǔn)等屬于數(shù)字樣機(jī)專屬標(biāo)準(zhǔn)，需要研究制定。

由此，圍繞數(shù)字樣機(jī)全生命周期，對照物理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系框架（如圖1所示）。

4 結(jié)論

隨著工業(yè)元宇宙的構(gòu)建，數(shù)字樣機(jī)越來越受到關(guān)注，即將或已經(jīng)作為產(chǎn)品與物理樣機(jī)一同交付。相對于物理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)能夠繼承的標(biāo)準(zhǔn)主要以管理標(biāo)準(zhǔn)為主。為構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系，需要圍繞物理樣機(jī)搜集大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為數(shù)字樣機(jī)在虛擬環(huán)境中的建模與仿真奠定基礎(chǔ)，從而轉(zhuǎn)化和新建屬于數(shù)字樣機(jī)的專屬標(biāo)準(zhǔn)。