智能制造下產(chǎn)品數(shù)字孿生體全生命周期研究

陸劍峰，夏路遙，白 歐，余 濤，李兆佳

(1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院CIMS研究中心，上海 201804；2.智能云科信息科技有限公司，上海 200082；3.企業(yè)數(shù)字化技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201804)

0 引言

隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代。在數(shù)字化的背景下，制造業(yè)領(lǐng)域面臨著新的挑戰(zhàn)[1]。美國(guó)、德國(guó)、和中國(guó)相繼提出美國(guó)智能制造領(lǐng)導(dǎo)力聯(lián)盟計(jì)劃、工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025等先進(jìn)制造戰(zhàn)略。其共同目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)智能制造[2-5]。智能制造是指具有信息自感知、自決策、自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式。從產(chǎn)品整個(gè)生命周期來看，通過將數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、基于模型的仿真和優(yōu)化、大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)等手段與制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)深度融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理制造世界中實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化，以創(chuàng)造出能對(duì)制造業(yè)的各個(gè)方面產(chǎn)生積極影響的“制造智能”[6-7]。信息物理融合是智能制造的重要使能技術(shù)之一。而作為實(shí)現(xiàn)信息物理融合的首選手段，數(shù)字孿生得到了工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府的高度重視[8]，并被應(yīng)用于解決實(shí)際的工程問題。自2016年以來，全球權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner一直將數(shù)字孿生技術(shù)作為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一[9]。在此背景下，本文從數(shù)字孿生的概念及其發(fā)展出發(fā)，基于數(shù)字孿生在制造各領(lǐng)域全生命周期中的應(yīng)用提出數(shù)字孿生體全生命周期，進(jìn)一步利用產(chǎn)品數(shù)字孿生體全生命周期的運(yùn)行機(jī)制對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證闡述。

1 數(shù)字孿生概述

1.1 數(shù)字孿生概念的發(fā)展背景

數(shù)字孿生的概念雛形起源于1969年美國(guó)國(guó)家航空航天局(national aeronautics and space administration，NASA)在阿波羅項(xiàng)目中構(gòu)建的“物理孿生體”，它反映了正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)[10]。數(shù)字孿生的概念模型是由美國(guó)密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授在其產(chǎn)品生命周期管理(product lifecycle management,PLM)課程中提出的“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”概念。該概念采用數(shù)據(jù)虛擬表達(dá)物理世界中特定裝置形成數(shù)字復(fù)制品，希望以此進(jìn)行真實(shí)環(huán)境、條件和狀態(tài)的模擬仿真測(cè)試和分析[11]，并于2005年被稱為“鏡像空間模型”[12]，于2006年被稱為“信息鏡像模型”[13]。2011年，Grieves教授與NASA專家John Vickers共同提出數(shù)字孿生的概念，即三維模型，包括物理實(shí)體、虛體以及二者之間的連接。該三維模型一直沿用至今，同時(shí)Grieves教授認(rèn)為數(shù)字孿生是在設(shè)計(jì)與執(zhí)行之間形成緊閉的閉環(huán)[14]。至此，數(shù)字孿生概念初步形成。但是Grieves教授并沒有對(duì)其進(jìn)行具體定義，數(shù)字孿生具體定義是NASA在面向飛行器/系統(tǒng)撰寫的空間技術(shù)路線圖中呈現(xiàn)的。數(shù)字孿生是一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成多科學(xué)、多物理量、多尺度、多概率的仿真模型，能夠充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，在虛擬空間中完成映射，從而反映實(shí)體裝備全生命周期過程[15]。此后，該概念得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷地補(bǔ)充和完善。比如國(guó)內(nèi)陶飛等認(rèn)為數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[16]。同時(shí)，陶飛對(duì)Grieves提出的三維模型進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)，形成數(shù)字孿生的五維模型，包括：物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和各組成部分間的連接[17]。

1.2 數(shù)字孿生的概念解析

上述數(shù)字孿生的概念和特征傳達(dá)給研究者的是某個(gè)產(chǎn)品、某個(gè)流程在其生命周期中的一個(gè)具象表達(dá)，是一個(gè)包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體以及虛實(shí)之間的交互迭代，并最終以實(shí)體對(duì)象或行為到虛空間全要素層級(jí)映射、虛控實(shí)為目標(biāo)的體系，所以稱之為Digital twins(區(qū)別于Digital twin)。其實(shí)，從上述數(shù)字孿生概念的最初描述到概念模型的成型和完善，可以看出在這個(gè)體系中都是以某一物理實(shí)體對(duì)象進(jìn)行孿生映射。這里的物理實(shí)體對(duì)象不僅關(guān)注其本身屬性及行為規(guī)則，還關(guān)注該實(shí)體對(duì)象從產(chǎn)生到目前時(shí)間節(jié)點(diǎn)所累積的迭代信息，可以被稱為面向?qū)ο蟮臄?shù)字孿生。比如，Grieves給出更廣泛的面向?qū)ο髷?shù)字孿生定義，即為一組虛擬信息結(jié)構(gòu)，充分描述從微觀原子水平到宏觀幾何水平的潛在或?qū)嶋H物理制造產(chǎn)品[18]。莊存波等對(duì)產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵進(jìn)行系統(tǒng)闡述，提出產(chǎn)品數(shù)字孿生體的體系結(jié)構(gòu)，并給出在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品服務(wù)階段數(shù)字孿生體的實(shí)施途徑[19]。陶飛等提出數(shù)字孿生車間的概念，闡述了數(shù)字孿生車間的系統(tǒng)組成、運(yùn)行機(jī)制、特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)等[20]。

面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程的數(shù)字孿生演化過程如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生演化過程

通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建物理對(duì)象某一時(shí)間段的數(shù)字孿生體。該數(shù)字孿生體是虛擬空間中物理對(duì)象屬性、行為規(guī)則等靜態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的集成，并且與物理對(duì)象進(jìn)行雙向交互。這種雙向交互僅限于物理實(shí)體的這一段時(shí)期。但是在客觀世界中，物理對(duì)象是不斷發(fā)展的，物理對(duì)象所需承載的信息不斷累積并由前一階段傳遞到下一階段，其信息具有流動(dòng)性、時(shí)變性、迭代性特征。因此，物理實(shí)體對(duì)象的數(shù)字孿生過程需要考慮數(shù)字孿生體在其全生命周期中一直處于動(dòng)態(tài)演變狀態(tài)。這個(gè)孿生過程可被稱為面向過程的數(shù)字孿生，包括“以虛擬實(shí)”、“以虛映實(shí)”和“以虛控實(shí)”。同時(shí)，制造企業(yè)希望的是將廣義的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造與服務(wù)管理等產(chǎn)品全生命周期中，以提高產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量、降低研發(fā)成本、實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場(chǎng)的目的。經(jīng)上述分析，面向過程的數(shù)字孿生體是對(duì)物理對(duì)象全生命周期的全過程進(jìn)行跟蹤描述[21]。此時(shí)，數(shù)字孿生體成為物理對(duì)象在虛擬空間中的另一條生命線，不會(huì)隨物理對(duì)象的消亡而消亡。

2 數(shù)字孿生體全生命周期

數(shù)字孿生是利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的特征、行為及性能等進(jìn)行描述和建模的過程和方法，也稱為數(shù)字孿生技術(shù)。而數(shù)字孿生體是指與現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體完全對(duì)應(yīng)和一致的虛擬模型，可實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)模擬和預(yù)測(cè)自身在物理空間中的行為，是一種精準(zhǔn)映射模型。因此，可以說，數(shù)字孿生是技術(shù)、過程和方法，數(shù)字孿生體是對(duì)象、模型和數(shù)據(jù)[22]。

分析物理對(duì)象全生命周期的數(shù)字孿生體，需要將面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程的數(shù)字孿生相結(jié)合。從面向過程的角度出發(fā)，每一個(gè)階段的數(shù)字孿生體都與物理實(shí)體交互，且不同階段數(shù)字孿生體間彼此交互。從面向?qū)ο蟮慕嵌瘸霭l(fā)，物理對(duì)象不斷地迭代更新，其數(shù)字孿生體在生命周期中的每一個(gè)階段都承載著上一階段傳遞的信息。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物理對(duì)象的數(shù)字孿生體逐漸聚焦于將物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與其每一個(gè)階段相融合。數(shù)字孿生體作為物理對(duì)象在其生命周期中的另外一個(gè)虛擬的“生命體”，在與物理對(duì)象相對(duì)應(yīng)全生命周期的每個(gè)階段會(huì)被賦予特定的功能。

本文根據(jù)數(shù)字孿生體的特征和功能，將其生命周期分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段為數(shù)字孿生體前期階段，即數(shù)字化胚胎階段，其功能為以虛擬實(shí)；第二個(gè)階段為數(shù)字孿生體中期階段，即數(shù)字化映射體階段，其功能為以虛映實(shí)；第三個(gè)階段為數(shù)字孿生體后期階段，即孿生體互長(zhǎng)階段，其功能為以虛控實(shí)。數(shù)字孿生體全生命周期如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生體全生命周期

2.1 數(shù)字胚胎階段

由上文分析可知，數(shù)字孿生體是物理實(shí)體對(duì)象在其生命周期中的另一個(gè)“生命體”。生命體的最初狀態(tài)是胚胎，因此數(shù)字胚胎是數(shù)字孿生體的最初始狀態(tài)。

數(shù)字胚胎是在物理實(shí)體對(duì)象設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的。此時(shí)，物理實(shí)體對(duì)象不存在于物理世界中。數(shù)字胚胎先于物理實(shí)體對(duì)象出現(xiàn)，所以用數(shù)字胚胎去表達(dá)物理實(shí)體對(duì)象的設(shè)計(jì)意圖是對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行理想化和經(jīng)驗(yàn)化的定義。這個(gè)數(shù)字胚胎可以看作是對(duì)物理實(shí)體對(duì)象進(jìn)行理性及經(jīng)驗(yàn)性物理屬性和功能屬性認(rèn)知后的一種虛擬表達(dá)。而這種理想化的定義和設(shè)計(jì)會(huì)一直延續(xù)存在于物理實(shí)體對(duì)象和數(shù)字孿生體的整個(gè)生命周期，在物理實(shí)體對(duì)象生命周期的下一個(gè)階段將會(huì)被制造成物理實(shí)體。這是由虛到實(shí)的實(shí)現(xiàn)過程，所以數(shù)字胚胎在這一階段的功能是“以虛擬實(shí)”，即用基于經(jīng)驗(yàn)或上一代物理實(shí)體對(duì)象構(gòu)建的虛體，去擬化將要被實(shí)現(xiàn)的物理實(shí)體對(duì)象，從靜態(tài)表達(dá)展示物理實(shí)體對(duì)象幾何信息上升到也能反映物理實(shí)體的功能和性能的動(dòng)態(tài)領(lǐng)域[23]。同時(shí)，數(shù)字胚胎經(jīng)過不斷地設(shè)計(jì)修改后高度逼近真實(shí)物理實(shí)體，雖還會(huì)和未來實(shí)現(xiàn)的真實(shí)物理實(shí)體有差距，但也可以指導(dǎo)物理實(shí)體對(duì)象的實(shí)現(xiàn)過程。

2.2 數(shù)字化映射體階段

數(shù)字化映射體階段的功能主要是“以虛映實(shí)”，通過對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的多層級(jí)數(shù)字化映射，建立面向物理實(shí)體與行為邏輯的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體對(duì)象和數(shù)字化映射對(duì)象之間的映射，包括模型、行為邏輯、運(yùn)行流程，并且這個(gè)映射模擬會(huì)根據(jù)反饋，隨著物理實(shí)體的變化而自動(dòng)作出相應(yīng)的變化。

數(shù)字化映射體除了集中物理實(shí)體對(duì)象的幾何模型和機(jī)理模型，數(shù)據(jù)是其最核心的要素。理想狀態(tài)下，數(shù)字化映射可以自我感知多重的反饋源數(shù)據(jù)進(jìn)行自我處理、自我存儲(chǔ)及可視化，從而幾乎實(shí)時(shí)地在數(shù)字世界里呈現(xiàn)物理實(shí)體的真實(shí)狀況，實(shí)現(xiàn)全面呈現(xiàn)、精準(zhǔn)表達(dá)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。而數(shù)字化映射的前提是物理實(shí)體對(duì)象實(shí)現(xiàn)數(shù)字化改造[24]。這些數(shù)據(jù)源于數(shù)字胚胎階段的數(shù)據(jù)傳遞、物理實(shí)體、運(yùn)行系統(tǒng)、傳感器等，涵蓋仿真模型、環(huán)境數(shù)據(jù)、物理對(duì)象設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)等，貫穿物理實(shí)體對(duì)象實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的始終。數(shù)字化映射體作為模型和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，采集各類原始數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后，可通過模型定義、數(shù)據(jù)綁定、可視化等手段，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)可視化對(duì)象狀態(tài)變化，從而真實(shí)反映物理對(duì)象的狀態(tài)和行為，實(shí)現(xiàn)信息縱向和橫向貫通及信息流在物理空間的透明可視。

2.3 孿生體互長(zhǎng)階段

孿生體互長(zhǎng)階段是數(shù)字孿生體全生命周期最后階段，也是數(shù)字孿生體成型和具備智能化的階段。該階段數(shù)字孿生體繼承了前面兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)、模型和功能，同時(shí)借助大數(shù)據(jù)挖掘、智能算法以及新一代信息技術(shù)，按照“知識(shí)模型-智慧決策-精準(zhǔn)執(zhí)行”的方式精準(zhǔn)控制物理實(shí)體對(duì)象，以達(dá)到“以虛控實(shí)”的功能目標(biāo)。

在此階段，數(shù)字孿生體可以根據(jù)物理實(shí)體對(duì)象的運(yùn)行機(jī)理和服務(wù)需求，進(jìn)行機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模[25]。由機(jī)理和數(shù)據(jù)演化的知識(shí)模型可以增加物理實(shí)體對(duì)象的智能性。知識(shí)模型一方面是根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界中物理實(shí)體和過程的內(nèi)部機(jī)制、物質(zhì)流的傳遞機(jī)理建立起來的精確數(shù)學(xué)模型；另一方面是通過對(duì)系統(tǒng)釆集的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用模式學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等理論進(jìn)行充分分析，建立系統(tǒng)輸入變量、可觀察變量以及預(yù)期輸出變量之間的模型，即以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)模型[26]。數(shù)字孿生體機(jī)理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的知識(shí)模型除了可以依賴物理實(shí)體對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行機(jī)理，也可以通過傳感器的實(shí)時(shí)反饋信息歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、精確模擬及分析預(yù)測(cè)。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估、對(duì)其過去發(fā)生問題的診斷，以及對(duì)未來趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。這些都可為實(shí)體對(duì)象的指令下達(dá)、流程體系的進(jìn)一步優(yōu)化提供全面、精準(zhǔn)的決策依據(jù)，大幅提升分析決策效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理空間中實(shí)體對(duì)象的精準(zhǔn)控制和執(zhí)行。

3 智能制造中產(chǎn)品數(shù)字孿生體全生命周期的應(yīng)用

物理產(chǎn)品作為實(shí)體對(duì)象在其生命周期內(nèi)的演化是一個(gè)多層級(jí)、分階段，且相互交互協(xié)同的立體反饋模型，經(jīng)歷概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品使用和維護(hù)以及產(chǎn)品報(bào)廢和回收。在智能制造的背景下，物理產(chǎn)品是物理域和信息域的結(jié)合體，需要完成數(shù)據(jù)收集、處理、分析、決策、預(yù)測(cè)等功能[27]。因此，通過構(gòu)建能精準(zhǔn)和完全描述物理產(chǎn)品的產(chǎn)品數(shù)字孿生體對(duì)物理產(chǎn)品進(jìn)行全面細(xì)致的分析、決策和預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)物理產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造和使用階段的缺陷或問題，然后解決這些缺陷和問題，加速了智能產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[28]。

從數(shù)字孿生體的起源和發(fā)展現(xiàn)狀來看，其應(yīng)用集中于物理產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和運(yùn)維階段；但從上述分析的數(shù)字孿生體全生命周期來看，產(chǎn)品數(shù)字孿生體的作用不局限于設(shè)計(jì)和運(yùn)維階段。本文從產(chǎn)品數(shù)字孿生體在設(shè)計(jì)、制造和使用階段發(fā)揮的作用來理解其全生命周期。

在物理產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，首先需要充分理解用戶的需求或意愿，需求決定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、配置、功能以及產(chǎn)品微小的差別[29]。而產(chǎn)品是由多個(gè)零件配置而成，因此需要建立用戶需求與產(chǎn)品配置之間的關(guān)系。客戶給出的需求通常是文字版本，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段的模型是虛擬的。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系需要在虛擬空間中進(jìn)行映射。在實(shí)際的制造場(chǎng)景中，新一代的產(chǎn)品通常會(huì)根據(jù)需求在舊一代的產(chǎn)品上迭代改進(jìn)，作為生命不會(huì)終止消亡的上一代產(chǎn)品數(shù)字孿生體已經(jīng)在研發(fā)、制造、使用、報(bào)廢階段中迭代優(yōu)化并附積了大量信息。這會(huì)給新一代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供借鑒模型。作為先于物理產(chǎn)品“出世”的數(shù)字胚胎也是產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)積累的伊始和唯一模型，集成了產(chǎn)品的三維幾何模型、產(chǎn)品關(guān)聯(lián)屬性信息、工藝信息等。同時(shí)，需要專業(yè)工藝人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)總結(jié)和工藝?yán)碚撨M(jìn)行工藝流程的編制，即將產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃旆椒安襟E和工藝參數(shù)，然后將產(chǎn)品數(shù)字胚胎模型和設(shè)計(jì)文檔傳遞到制造階段。如果產(chǎn)品直接進(jìn)入物理生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品生產(chǎn)的容錯(cuò)度比較低，所以可以通過構(gòu)建生產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品數(shù)字胚胎進(jìn)行生產(chǎn)仿真，形成產(chǎn)品真實(shí)尺寸、裝配參數(shù)和次品信息等反饋到產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)行再優(yōu)化。產(chǎn)品數(shù)字孿生體全生命周期如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品數(shù)字孿生體全生命周期

產(chǎn)品數(shù)字胚胎經(jīng)過生產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)生產(chǎn)仿真后，進(jìn)入真實(shí)的生產(chǎn)制造車間進(jìn)行生產(chǎn)。此時(shí)，生產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)是物理生產(chǎn)車間的數(shù)字孿生體。生產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)是生產(chǎn)過程中全部生產(chǎn)要素、生產(chǎn)流程及其邏輯關(guān)系等在虛擬空間的真實(shí)再現(xiàn)[22,30]。生產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)也是遵循數(shù)字孿生體生命周期的發(fā)展過程，在產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段，通過傳感器采集產(chǎn)品實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)生產(chǎn)系統(tǒng)傳輸?shù)缴a(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)中的數(shù)字孿生引擎[31]中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析。這樣實(shí)現(xiàn)物理生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)過程和生產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)時(shí)映射和精準(zhǔn)決策達(dá)到以虛控實(shí)的功能，最終交付給用戶的是實(shí)例產(chǎn)品和唯一產(chǎn)品模型。此時(shí)，作為唯一模型的產(chǎn)品數(shù)字孿生體，經(jīng)過生產(chǎn)系統(tǒng)制造完成后，已經(jīng)具備和物理產(chǎn)品一樣的實(shí)例行為。

在產(chǎn)品使用和運(yùn)維階段，物理產(chǎn)品的所有使用狀態(tài)變化、組件變更信息、產(chǎn)品性能的退化信息都將反饋到產(chǎn)品數(shù)字孿生體。物理產(chǎn)品在進(jìn)入使用服務(wù)階段，往往隨著使用時(shí)間推移和使用次數(shù)增加，會(huì)出現(xiàn)零組件故障、磨損或損壞的情況而去更換部分組件。而產(chǎn)品數(shù)字孿生體與物理產(chǎn)品始終保持一致，會(huì)自動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)品的組件變更信息[21]。同時(shí)，也會(huì)根據(jù)用戶平時(shí)使用產(chǎn)品的習(xí)慣數(shù)據(jù)去分析對(duì)哪些行為和使用狀態(tài)會(huì)增加對(duì)產(chǎn)品的損耗，以給出用戶使用建議，幫助用戶更好地維護(hù)物理產(chǎn)品。產(chǎn)品數(shù)字孿生體會(huì)實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)產(chǎn)品的性能參數(shù)并分析這些性能參數(shù)在物理產(chǎn)品使用過程中的變化規(guī)律，以便和性能退化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，得出性能偏差指向。這樣研發(fā)設(shè)計(jì)人員根據(jù)性能偏差指向在新一代產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行改進(jìn)。

4 產(chǎn)品數(shù)字孿生體的發(fā)展趨勢(shì)

產(chǎn)品數(shù)字孿生體是產(chǎn)品的另一個(gè)特點(diǎn)鮮明的生命體。本章根據(jù)對(duì)產(chǎn)品數(shù)字孿生體全生命周期的分析并結(jié)合目前產(chǎn)品數(shù)字孿生體的發(fā)展現(xiàn)狀，得出未來產(chǎn)品數(shù)字孿生體值得研究的問題和發(fā)展趨勢(shì)，主要包括全價(jià)值鏈化、高度實(shí)體化和信息技術(shù)集成化。

4.1 支撐全價(jià)值鏈的優(yōu)化。

目前，產(chǎn)品數(shù)字孿生體的發(fā)展已經(jīng)趨向全生命周期的覆蓋，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段到產(chǎn)品制造階段到產(chǎn)品服務(wù)階段都有一定程度的研究，但是產(chǎn)品數(shù)字孿生體全生命周期的演化過程也只是以時(shí)間為前提的生命線。正如上文所述，面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)在多層級(jí)演化下價(jià)值集成的過程。本文在分析面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)品數(shù)字孿生體演化過程是以產(chǎn)品價(jià)值完成集成為前提的，并沒有詳細(xì)分析產(chǎn)品數(shù)字孿生體在價(jià)值集成的過程中充當(dāng)?shù)慕巧？梢灶A(yù)見，未來產(chǎn)品數(shù)字孿生體也會(huì)將向產(chǎn)品全價(jià)值鏈化方向發(fā)展，產(chǎn)品數(shù)字孿生體將會(huì)發(fā)展成產(chǎn)品全價(jià)值鏈的信息集成信息。這不僅僅是共享產(chǎn)品的信息，也是在空間上基于唯一信息模型的全價(jià)值鏈服務(wù)模型協(xié)同，最終形成以產(chǎn)品數(shù)字孿生體為唯一模型在產(chǎn)品全生命周期和全價(jià)值鏈中交互的發(fā)展模型。

4.2 虛實(shí)的深度融合化。

數(shù)字孿生體一直被定義為物理實(shí)體對(duì)象在虛擬空間中的完全映射體，但是目前無論是產(chǎn)品數(shù)字孿生體還是生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體，都是研究人員根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行局部建設(shè)。這是因?yàn)槟壳暗男畔⒓夹g(shù)手段不能夠支持實(shí)體對(duì)象的完全信息化。但是在某些領(lǐng)域(比如航空航天領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī))，其數(shù)字孿生體應(yīng)用的成功程度取決于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的逼真程度，即虛實(shí)的深度融合[19]。復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)具有多物理性、多領(lǐng)域性及多學(xué)科性，其數(shù)字孿生的過程將變得復(fù)雜困難(比如航空發(fā)電機(jī)需要在其內(nèi)部部署千個(gè)傳感器完成采集數(shù)據(jù)工作)。因此，如何將基于多物理性、多領(lǐng)域性的數(shù)據(jù)和模型都集成到產(chǎn)品數(shù)字孿生體，是建立產(chǎn)品數(shù)字孿生體繼而發(fā)揮產(chǎn)品數(shù)字孿生體精確模擬、智慧決策、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和控制的關(guān)鍵[32-33]。

4.3 新興信息技術(shù)的集成應(yīng)用。

在應(yīng)用技術(shù)層面，目前實(shí)體對(duì)象的數(shù)字孿生體或系統(tǒng)空間并沒有新興信息技術(shù)，如虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)、移動(dòng)計(jì)算等融合的很好。例如，在產(chǎn)品制造過程中，AR是根據(jù)服務(wù)需求獲取物理空間信息并推送更有價(jià)值虛擬信息的信息通道，因此數(shù)字孿生體應(yīng)該充當(dāng)處理AR獲取到的信息，然后進(jìn)行加工的角色，再通過AR將加工好的虛擬信息推送到物理空間中。所以AR和產(chǎn)品數(shù)字孿生體的技術(shù)架構(gòu)融合可以達(dá)到智慧決策和精準(zhǔn)執(zhí)行的目標(biāo)。而通過將VR技術(shù)和移動(dòng)計(jì)算基數(shù)引入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程和制造過程中，研發(fā)人員和生產(chǎn)人員將完全沉浸式的虛擬空間中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段和虛擬產(chǎn)品的互動(dòng)，在虛擬場(chǎng)景中獲得物理世界中一樣的感知和反饋。因此，類似于AR和VR這樣的新興信息技術(shù)與產(chǎn)品數(shù)字孿生體的融合以實(shí)現(xiàn)更高層次的虛實(shí)融合將是產(chǎn)品數(shù)字孿生體的發(fā)展方向之一[34-35]。

5 結(jié)論

數(shù)字孿生解決了虛實(shí)空間孤立存在的問題。數(shù)字孿生體在物體對(duì)象的全生命周期中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)閉環(huán)并與物理對(duì)象進(jìn)行雙向流動(dòng)，充分挖掘、利用了物理空間全生命周期中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。本文從實(shí)體對(duì)象本身和實(shí)體對(duì)象發(fā)展過程兩個(gè)維度，分析數(shù)字孿生和數(shù)字孿生體的定義，進(jìn)一步給出數(shù)字孿生體全生命周期的概念和特征，最后用產(chǎn)品數(shù)字孿生體全生命周期詮釋和映證數(shù)字孿生體全生命周期的概念。