數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中的應用研究

摘要：隨著信息技術(shù)和數(shù)字化的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為制造業(yè)研究的熱點，它作為一種新興的關(guān)鍵技術(shù)，將數(shù)字世界和物理世界相互映射，已在多個領(lǐng)域得到廣泛應用。文章在對數(shù)字孿生技術(shù)進行綜述的基礎(chǔ)上，梳理了數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中的應用，并從數(shù)字孿生的概念、技術(shù)特征、應用模式等方面對其進行了分析與總結(jié)，探究了當前研究中存在的問題和未來可能的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；制造業(yè)；研究

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.07.037

中圖分類號：TH 16 " " " " " " " 文獻標志碼：A " " " " " " " 文章編碼：1672-7274（2023）07-0-03

Research on The Application of Digital Twin Technology in Manufacturing Industry

MA Zheng

（School of Artificial Intelligence and Data Science， Hebei University of Technology， Tianjin 300131， China）

Abstract： With the continuous development of information technology and digitization， digital twin technology has gradually become a hot research topic in the manufacturing industry. As an emerging key technology， digital twin technology maps the digital world and the physical world， and has been widely applied in multiple fields. On the basis of summarizing the digital twin technology， the article summarizes its application in the manufacturing industry， analyzes and summarizes its concept， technical characteristics， and application modes， and explores the problems in current research and possible future development directions.

Key words： digital twin; manufacturing esearch

1 " 相關(guān)概念

1.1 數(shù)字孿生

1.1.1 概念

數(shù)字孿生（Digital Twin）是由美國麻省理工學院在2013年提出的一種全新概念，是指在物理世界和信息世界之間建立映射關(guān)系，以達到對物理實體的精準描述和數(shù)字再現(xiàn)的目的。從本質(zhì)上講，數(shù)字孿生是通過信息技術(shù)對物理實體的全生命周期過程進行記錄、存儲和管理，并以數(shù)字形式再現(xiàn)物理實體的行為特征，從而實現(xiàn)對物理實體的準確描述和行為再現(xiàn)[1]。

從信息技術(shù)角度分析，數(shù)字孿生主要由兩部分組成：數(shù)字模型、數(shù)據(jù)。數(shù)字模型是以數(shù)字化形式呈現(xiàn)物理實體全生命周期過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，如產(chǎn)品設計圖紙、制造工藝等；數(shù)據(jù)則是指包含了物理實體全生命周期過程中所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)信息，如產(chǎn)品運行過程中產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。從工業(yè)角度分析，數(shù)字孿生主要指利用傳感器、計算機、網(wǎng)絡等技術(shù)對物理實體進行建模和仿真的過程。

1.1.2 原理

數(shù)字孿生的原理是基于數(shù)字空間對物理實體進行數(shù)字化建模，再利用虛擬空間與物理空間進行映射，并將二者之間的動態(tài)交互映射關(guān)系通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行描述，從而實現(xiàn)對物理實體及其運行狀態(tài)的感知、反饋、控制和優(yōu)化。數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠?qū)ξ锢韺嶓w在運行過程中產(chǎn)生的各種信息進行實時采集和記錄，并通過先進的數(shù)據(jù)分析方法對采集到的信息進行分析處理，以得到物理實體在運行過程中的各種狀態(tài)變化，從而對物理實體進行仿真模擬。在此基礎(chǔ)上，通過將虛擬空間和物理空間進行融合，實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)之間的動態(tài)交互，進而為工業(yè)系統(tǒng)提供更加全面、完整的信息服務。數(shù)字孿生系統(tǒng)主要包括三個部分：數(shù)據(jù)層、模型層和應用層。其中，數(shù)據(jù)層是數(shù)字孿生系統(tǒng)的主要部分，負責收集和存儲物理實體運行過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)；模型層是數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心部分，負責對物理實體及其運行狀態(tài)進行建模；應用層是數(shù)字孿生系統(tǒng)與工業(yè)系統(tǒng)進行交互和融合的關(guān)鍵部分。

1.1.3 技術(shù)特征

（1）物理實體模型：是物理實體的數(shù)字化模型，用于描述物理實體及其環(huán)境的各種屬性，包括尺寸、材料、工藝、性能等，是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)驅(qū)動：通過對物理實體進行實時采集與建模，并結(jié)合機器學習算法對數(shù)據(jù)進行分析，以實現(xiàn)對物理實體的實時監(jiān)控。同時，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)物理實體狀態(tài)與屬性的實時更新與反饋。

（3）多維數(shù)據(jù)集成：是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵所在。數(shù)字孿生需要融合來自不同來源和尺度的數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品設計、工藝參數(shù)、制造過程等。這些數(shù)據(jù)的集成有助于獲取對物理實體及其環(huán)境更為全面、準確的認識。

（4）建模與仿真：通過對物理實體及其環(huán)境進行建模和仿真，分析和評估物理實體及其環(huán)境在不同狀態(tài)下的性能。

1.2 制造業(yè)

制造業(yè)是以生產(chǎn)資料為基礎(chǔ)，以勞動資料為主要生產(chǎn)要素，為社會提供產(chǎn)品和服務的產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟的主體。制造業(yè)與國民經(jīng)濟發(fā)展息息相關(guān)，它與農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務業(yè)共同組成國民經(jīng)濟體系，是促進國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展的基礎(chǔ)，也是衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。制造業(yè)主要包括機械制造、電氣電子、石油化工、紡織服裝、輕工食品等行業(yè)，是一個國家經(jīng)濟發(fā)展和科技進步的重要基礎(chǔ)，也是一個國家綜合實力的重要標志。

2 " 數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中的應用模式

2.1 數(shù)字化工廠

數(shù)字化工廠是數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中的最主要應用，它的構(gòu)建包括物理實體和數(shù)字孿生模型兩個方面。物理實體是指企業(yè)實際存在的生產(chǎn)設備、設施和其他資源，也包括企業(yè)的人員、管理體系等。數(shù)字孿生模型是指為了實現(xiàn)對物理實體的準確描述，利用計算機技術(shù)和信息技術(shù)構(gòu)建的虛擬模型，它可以應用于產(chǎn)品設計、工藝開發(fā)、生產(chǎn)制造及質(zhì)量控制等全過程。

在數(shù)字化工廠中，將信息技術(shù)引入制造業(yè)，能夠構(gòu)建企業(yè)設計、工藝開發(fā)、生產(chǎn)制造及質(zhì)量控制等全過程的數(shù)字孿生模型，能夠?qū)ζ髽I(yè)內(nèi)部所有設備設施及生產(chǎn)制造過程進行實時監(jiān)控與優(yōu)化管理。

2.2 智能制造

智能制造是在工業(yè)4.0時代背景下提出的，其目標是實現(xiàn)工業(yè)的智能化、高效化[2]。智能制造是將數(shù)字孿生技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，建立一個對產(chǎn)品全生命周期的智能感知和預測模型，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)產(chǎn)品的個性化定制和生產(chǎn)過程的精益化管理。目前，數(shù)字孿生技術(shù)已在智能制造領(lǐng)域得到了廣泛應用。在智能制造中，數(shù)字孿生技術(shù)可用于產(chǎn)品設計階段，通過數(shù)字孿生技術(shù)對產(chǎn)品的物理屬性和行為數(shù)據(jù)進行建模分析，提高產(chǎn)品設計效率和質(zhì)量；還可以用于生產(chǎn)制造階段，對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行建模分析，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的問題并改進。

2.3 智慧城市

智慧城市是數(shù)字孿生技術(shù)與云計算、大數(shù)據(jù)等先進信息技術(shù)相結(jié)合，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)實現(xiàn)城市規(guī)劃、城市建設、城市管理和城市運行管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化。目前，智慧城市研究的重點集中于5G通信技術(shù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)在智慧城市中的應用研究。

3 " 數(shù)字孿生在制造業(yè)中的存在的問題

3.1 數(shù)據(jù)獲取及標注困難

數(shù)據(jù)獲取及標注困難主要體現(xiàn)在兩個方面：一是采集設備的局限性，二是數(shù)據(jù)類型的多樣性。

數(shù)據(jù)獲取困難，一方面，在工業(yè)制造領(lǐng)域，不同設備的數(shù)據(jù)采集方式存在較大差異，例如傳感器的類型、數(shù)據(jù)類型等都會對數(shù)據(jù)采集造成影響。另一方面，采集設備往往存在布置位置有限、成本較高等問題，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，制造設備連接數(shù)量越來越多，導致采集設備數(shù)量增多，增加數(shù)據(jù)獲取難度。

標注困難。隨著制造業(yè)數(shù)字化水平的提高，很多企業(yè)開始通過ERP、MES等系統(tǒng)來收集生產(chǎn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而形成工業(yè)大數(shù)據(jù)；而為了進行后續(xù)的分析和挖掘，通常需要對其進行標注。由于目前還沒有通用的標準對工業(yè)大數(shù)據(jù)進行標注，因此會根據(jù)實際需求采用人工或者半人工方式進行標注，導致標注困難。

3.2 建模過程復雜

建模過程復雜主要體現(xiàn)在兩個方面：一是模型種類繁多。數(shù)字孿生模型是指用于描述產(chǎn)品的全生命周期信息的數(shù)字化模型，其通常由多個獨立的、相互關(guān)聯(lián)的模型組成，且每個模型都具有不同的特點。目前對于數(shù)字孿生模型而言，其種類十分繁多，如有產(chǎn)品全生命周期模型、產(chǎn)品功能設計模型等，此外，由于制造過程中所使用的設備和生產(chǎn)工藝不同，因此也會導致數(shù)字孿生模型類型不同。二是建模方式差異大[3]。數(shù)字孿生模型在實際生產(chǎn)過程中可以為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和挖掘提供基礎(chǔ)，但由于不同的階段采用不同的建模方式，因此目前數(shù)字孿生技術(shù)建模過程復雜。

3.3 模型解析難度大

模型解析難度大主要體現(xiàn)在兩個方面：一是模型的解析難度大。模型的解析難度主要取決于數(shù)字孿生模型中的各組件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和約束關(guān)系。目前對于數(shù)字孿生模型的解析主要是通過數(shù)學算法來實現(xiàn)，此方法通常存在一定的局限性，例如，在分析過程中需要建立大量的數(shù)學方程，導致解析難度大；此外，在建模過程中還需要對相關(guān)信息進行提取，也在一定程度上加深了解析難度。二是模型解算速率慢。由于模型中各個組件之間存在著一定的約束關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系，在進行求解時需要對約束關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系進行求解，這就導致了模型解算速率慢。

3.4 模型驗證困難

模型驗證困難主要體現(xiàn)在以下三個方面。

模型驗證缺乏統(tǒng)一標準。對于數(shù)字孿生模型而言，由于其包含大量的數(shù)據(jù)信息，目前還沒有統(tǒng)一的標準來對數(shù)字孿生模型進行驗證，驗證難度較大。

驗證方法缺乏統(tǒng)一性。由于數(shù)字孿生模型涉及的數(shù)據(jù)類型眾多，目前在對數(shù)字孿生模型進行驗證時，驗證方法不一，很難有統(tǒng)一的標準確定模型的準確性。

數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。由于工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品種類繁多，不同產(chǎn)品所需采集的數(shù)據(jù)類型也不盡相同，因此在數(shù)據(jù)質(zhì)量上存在較大差異。

4 " 數(shù)字孿生在制造業(yè)中的發(fā)展方向

4.1 理論與方法結(jié)合

（1）定義并完善數(shù)字孿生的概念，明確數(shù)字孿生的內(nèi)涵與外延。在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，進一步明確并完善數(shù)字孿生的定義；同時，應加強對不同種類數(shù)字孿生技術(shù)體系的研究。

（2）明確物理實體與虛擬實體之間的映射關(guān)系。目前數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)取得了較大進展，但其應用仍在初步階段。因此，應進一步明確物理實體與虛擬實體之間的映射關(guān)系，尤其是在物理實體具有復雜結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)變化頻繁、與其他系統(tǒng)存在交互等情況下如何實現(xiàn)物理實體與虛擬實體之間的映射關(guān)系。

4.2 實現(xiàn)與應用結(jié)合

由于數(shù)字孿生系統(tǒng)是一個復雜的、動態(tài)變化的物理系統(tǒng)，因此數(shù)字孿生系統(tǒng)在實際應用中還有很多發(fā)展方向。

（1）對數(shù)字孿生系統(tǒng)進行有效管理。

（2）尋找并建立數(shù)字孿生系統(tǒng)與其他信息技術(shù)融合應用的方法和策略。

（3）構(gòu)建一個具有通用性和可推廣性的數(shù)字孿生標準模型。

4.3 制定標準化方案

數(shù)字孿生技術(shù)具有很強的通用性，能夠在不同的行業(yè)中得到應用。然而，由于不同行業(yè)對數(shù)字孿生的需求不同，使用的方法也存在較大差異，導致數(shù)字孿生技術(shù)在不同行業(yè)中應用的效果不一樣。為了實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在不同行業(yè)和領(lǐng)域中應用方式的標準化，可基于現(xiàn)有標準規(guī)范，并結(jié)合各行業(yè)、領(lǐng)域自身特點和需求，開展數(shù)字孿生技術(shù)在不同行業(yè)和領(lǐng)域中使用方法的標準化方案探索研究。隨著數(shù)字孿生技術(shù)不斷發(fā)展，應加強數(shù)字孿生技術(shù)在不同行業(yè)和領(lǐng)域中應用方法的標準化方案探索研究，制定標準化方案，積極推動數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中的應用。

5 " 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)是一種在計算機虛擬空間中建立物理實體的數(shù)字模型，為工業(yè)系統(tǒng)提供更加全面、完整的信息服務。將數(shù)字孿生技術(shù)應用于制造業(yè)領(lǐng)域，可以為制造業(yè)系統(tǒng)提供更加完整、準確、高效的信息服務。其不僅能夠解決制造業(yè)系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)標注困難、數(shù)據(jù)建模困難等問題，還能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬樣機和物理樣機的融合。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域中有著非常重要的地位，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 余正發(fā)，黃曉軍，等．數(shù)字孿生在裝備制造中的應用[J]．科技資訊，2018（8）：51-58.

[2] 胡斌，陳平，張秀玲，等．基于數(shù)字孿生的裝備制造遠程運維服務研究[J]．中國制造業(yè)信息化，2019（10）：3-6.

[3] 張健，林偉英，陳雪梅．數(shù)字孿生在虛擬產(chǎn)品設計中的應用研究[J]．計算機工程與應用，2019（6）：2-3.