數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用

夏 丹

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)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(jìn)制造及信息通信技術(shù)的不斷突破，以及5G 網(wǎng)絡(luò)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(dòng)力。縱觀國(guó)際形勢(shì)，為謀求在先進(jìn)制造領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，各國(guó)紛紛制定了相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略，如美國(guó)的“國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”、德國(guó)的“工業(yè)4.0 計(jì)劃”，以及我國(guó)的“中國(guó)制造2025”等，都表明智能制造是新一輪科技革命的制高點(diǎn)。數(shù)字孿生作為近年來(lái)新興技術(shù)，其連接虛擬與現(xiàn)實(shí)的信息融合優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑將為智能制造領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)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(duì)實(shí)體進(jìn)行多維、多物理量及多時(shí)空尺度的仿真，通過(guò)對(duì)實(shí)體模型及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的映射來(lái)反映實(shí)體的行為狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)仿真模型預(yù)測(cè)實(shí)體的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象全生命周期的監(jiān)控與預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)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(shí)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(tuán)隊(duì)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(wù)系統(tǒng)，通過(guò)物理與虛擬空間的實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)車間多維度、全方位數(shù)據(jù)融合，對(duì)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(shí)體搭建虛擬模型，通過(guò)多種傳感裝置采集實(shí)體數(shù)據(jù)，并將其傳導(dǎo)至虛擬模型進(jìn)行交互融合與深度學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)虛擬空間對(duì)物理空間進(jìn)行全方位的監(jiān)控與預(yù)測(cè)。

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(guó)的航空航天局開展的阿波羅項(xiàng)目絕對(duì)是其濃墨重彩的一筆，美國(guó)航空武器的發(fā)展優(yōu)勢(shì)為其成為世界頭號(hào)軍事強(qiáng)國(guó)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，早在2011 年，NASA 開展的阿波羅項(xiàng)目就將數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)用于空間飛行器的研制，通過(guò)將影響飛行的物理屬性與溫度模型綁定于虛擬系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，實(shí)時(shí)感知其飛行狀態(tài)并預(yù)測(cè)剩余壽命等要素[4]。隨后，眾多學(xué)者在NASA 提出的孿生概念的基礎(chǔ)上，將該技術(shù)引入工業(yè)、農(nóng)業(yè)及IT 等多個(gè)領(lǐng)域。2018 年，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)提出了數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)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(duì)工業(yè)機(jī)器人的行為進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證，探索了跨領(lǐng)域建模的可行性[5]。BUTT J 等將數(shù)字孿生與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合用于3D 打印中的熔絲制造過(guò)程，開發(fā)了熔絲擠出機(jī)的數(shù)字孿生體，并生成了訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)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(guò)程的數(shù)字孿生模型

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生技術(shù)的研究也呈逐年上升的趨勢(shì)，其中具有典型代表意義的是北京航空航天大學(xué)的陶飛教授團(tuán)隊(duì)，2016 年提出數(shù)字孿生車間，在傳統(tǒng)的三維模型的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)方法[3]。此外，針對(duì)數(shù)字孿生領(lǐng)域中的難點(diǎn)問(wèn)題——模型構(gòu)建，陶飛團(tuán)隊(duì)還提出了“四化四可四用”的構(gòu)建準(zhǔn)則，為數(shù)字孿生的應(yīng)用落地提供理論支撐[1]，如圖4 所示。

圖4 “四化四可四用”準(zhǔn)則

清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院將真實(shí)車輛與仿真測(cè)試工具有機(jī)融合，搭建了數(shù)字孿生自動(dòng)駕駛平臺(tái)，推動(dòng)了自動(dòng)駕駛技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[7]。上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院構(gòu)建了船用燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)字孿生健康管理工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，打通了設(shè)備健康管理系統(tǒng)中多個(gè)閉環(huán)模型[8]。

3 數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景

3.1 數(shù)字孿生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)是智能制造的首要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)制造業(yè)中的設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)往往是獨(dú)立的。一方面存在響應(yīng)時(shí)差，制造中出現(xiàn)的某些工藝變更不能及時(shí)反饋至設(shè)計(jì)人員，制造數(shù)據(jù)不能有效應(yīng)用于對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)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(lái)負(fù)面影響。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)方案大多局限于產(chǎn)品自上而下的功能分解及自簡(jiǎn)單到復(fù)雜的裝配結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程的描述及信息反饋，降低了制造效率，延長(zhǎng)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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，可以利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型與實(shí)體模型的實(shí)時(shí)交互獲得產(chǎn)品的制造數(shù)據(jù)庫(kù)，從而對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)框架，并通過(guò)波音飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造協(xié)同等案例探索了數(shù)字孿生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用前景[9]。PAI Z 等為了支持復(fù)雜產(chǎn)品族的虛擬原型設(shè)計(jì)，提出了一種通用的數(shù)字孿生方法，并以塔式起重機(jī)系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例驗(yàn)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(yīng)用

工藝是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的關(guān)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(lái)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工藝（CAPP）逐漸進(jìn)入工藝人員視野，帶領(lǐng)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(duì)制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，再者，CAPP 無(wú)法有效利用制造過(guò)程的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)設(shè)備、工藝、流程等進(jìn)行虛擬仿真，結(jié)合產(chǎn)品實(shí)時(shí)制造數(shù)據(jù)進(jìn)行虛實(shí)映射、協(xié)同優(yōu)化，從而達(dá)到改進(jìn)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(shí)作模型”概念，建立了數(shù)字孿生環(huán)境下的CAPP 設(shè)計(jì)框架[11]。DEBROY T 等通過(guò)建立數(shù)字孿生模型將產(chǎn)品各項(xiàng)工藝參數(shù)集成于某一數(shù)值框架，提高了實(shí)驗(yàn)效率，減少了產(chǎn)品缺陷[12]。

3.3 數(shù)字孿生在運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

對(duì)于一些大型的工業(yè)設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)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(yàn)。產(chǎn)品出現(xiàn)故障后，傳統(tǒng)的運(yùn)維方式大多采用將運(yùn)行數(shù)據(jù)與預(yù)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，然后有針對(duì)性地實(shí)施控制指令，或運(yùn)維人員基于自身的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(jìn)行運(yùn)維，且運(yùn)維質(zhì)量受限于運(yùn)維人員的技術(shù)水平；二是對(duì)于一些復(fù)雜系統(tǒng)在多變環(huán)境中的運(yùn)行狀態(tài)，難以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)及調(diào)整。數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化形式對(duì)物理模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，并能根據(jù)實(shí)體狀態(tài)及時(shí)修正數(shù)字模型，從而實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)維操作。張僑禹等通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)建立了船舶動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)維架構(gòu)，并通過(guò)智能運(yùn)維平臺(tái)驗(yàn)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(dòng)力系統(tǒng)智能運(yùn)維層次結(jié)構(gòu)