基于數(shù)字孿生的智能制造技術(shù)應(yīng)用研究

葛 勇 趙光藝

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蕪湖 241002）

隨著智能產(chǎn)品發(fā)展的不斷深入，產(chǎn)品的組成越來(lái)越細(xì)化，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。組件信息和設(shè)計(jì)信息的數(shù)量大大增加，使得生產(chǎn)車間和產(chǎn)品內(nèi)部的生產(chǎn)和管理信息交互種類繁多，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工流程發(fā)生轉(zhuǎn)變，制造業(yè)也發(fā)生了顯著變化。自動(dòng)化和智能化技術(shù)開(kāi)始真正賦能，改變了傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)展模式。在當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展中，需要進(jìn)一步提升制造系統(tǒng)的海量信息存儲(chǔ)和處理能力，充分利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息。如果缺少信息交互，數(shù)字制造系統(tǒng)將無(wú)法正常運(yùn)行，從而難以凸顯出系統(tǒng)價(jià)值。一旦中斷信息源，柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）就會(huì)癱瘓，從而影響正常的生產(chǎn)過(guò)程[1]。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)正朝著數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展，所以現(xiàn)有的制造系統(tǒng)必須升級(jí)改進(jìn)。數(shù)字孿生技術(shù)引發(fā)了廣泛關(guān)注，指的是基于不同類型的傳感器采集對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，然后通過(guò)特定的平臺(tái)構(gòu)建鏡像，以此模擬物理對(duì)象實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而將復(fù)雜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)集成到產(chǎn)品中。真實(shí)世界與虛擬世界多維多動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)交互，將制造、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)以及智能服務(wù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字模型的方式，通過(guò)對(duì)模型的優(yōu)化和調(diào)整提升產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)的研究持續(xù)增多，并逐步應(yīng)用到了實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域。目前，許多大型研究機(jī)構(gòu)和公司已經(jīng)針對(duì)各種對(duì)象開(kāi)發(fā)了自己的數(shù)字孿生模型，在實(shí)際應(yīng)用中顯示出廣闊的市場(chǎng)空間。

1 數(shù)字孿生的內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)字孿生的內(nèi)涵

學(xué)者M(jìn)ichael Grieves首次提出了數(shù)字孿生的概念，主要是在產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）課程中提出數(shù)字孿生概念的原型，即一個(gè)或一組孿生特定設(shè)備的數(shù)字副本，產(chǎn)品可以抽象地表示為真實(shí)設(shè)備，并且可以基于此概念在特定的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析[2]。后來(lái)，Michael Grieves在此領(lǐng)域進(jìn)一步研究，并在概念模型描述中再次提到了數(shù)字孿生。數(shù)字孿生可以劃分為多個(gè)部分，主要包括虛擬產(chǎn)品和物理產(chǎn)品，二者分別處于虛擬空間與物理空間內(nèi)。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(jī)構(gòu)針對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)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(jī)構(gòu)給出的數(shù)字孿生定義

研究過(guò)程中需要結(jié)合數(shù)字孿生的定義進(jìn)行分析和理解，以此可以明確其具體的應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)是可在許多領(lǐng)域使用的理論和新型技術(shù)系統(tǒng)，廣泛用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、土木工程以及智慧城市等領(lǐng)域。目前，中國(guó)最深入的應(yīng)用是機(jī)械工程領(lǐng)域，而智能制造領(lǐng)域則是最受關(guān)注和最熱門的研究。

1.2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 建模

數(shù)字孿生的意義在于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建模的過(guò)程，以此對(duì)真實(shí)的目標(biāo)進(jìn)行描述和表征[3]。這種方式能夠控制與分析物理實(shí)體全生命周期的屬性。該技術(shù)的核心部分是建立物理單元的數(shù)字模型以及建模過(guò)程，過(guò)程中涉及多方面內(nèi)容，不能只是片面地將單一物理量和數(shù)據(jù)交互考慮在內(nèi)，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(guò)模型描述物理實(shí)體的過(guò)程中，需要特定的仿真手段驗(yàn)證這種虛擬模型的準(zhǔn)確性和完整性。因此，仿真屬于至關(guān)重要的過(guò)程。對(duì)于數(shù)字雙目標(biāo)系統(tǒng)而言，如果在建模過(guò)程中只是利用一個(gè)分析物理模型，往往難以得到理想的仿真效果。采用深度學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)類方法時(shí)，這種建模機(jī)制基本等同于黑匣子，且不包含對(duì)模型機(jī)制的解釋，將很難理解模型。所以，在建模過(guò)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(shù)字孿生系統(tǒng)的復(fù)雜度較高，則應(yīng)該全面考慮運(yùn)行環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)特征等[4-8]，然后基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法優(yōu)化和改進(jìn)模型，使其與實(shí)際的目標(biāo)系統(tǒng)保持較高的一致性，并且在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合上述分析可知，仿真過(guò)程中可以采用數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方法，以便提升仿真質(zhì)量。

1.2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域，可以基于數(shù)字化技術(shù)為用戶呈現(xiàn)逼近的場(chǎng)景，使得目標(biāo)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)和變化趨勢(shì)等信息轉(zhuǎn)化為3個(gè)狀態(tài)，以實(shí)時(shí)映射多維空間[9-12]。VR為設(shè)備管理員提供各種感官的逼真體驗(yàn)，并以最真實(shí)的含義為設(shè)備管理員提供與虛擬身體的互動(dòng)。管理員則可以基于現(xiàn)有的技術(shù)得到精度較高的操作反饋，進(jìn)而通過(guò)最直觀的方式顯示設(shè)備的缺陷和好處，并從中獲得設(shè)備改進(jìn)的靈感。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)制造，VR能夠直接呈現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的具體信息，確保設(shè)備處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。所以，VR技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義，能夠在數(shù)字孿生系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中改善設(shè)備、維護(hù)設(shè)備并優(yōu)化性能。

1.3 數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程

首先，采集數(shù)據(jù)的過(guò)程，即通過(guò)不同的技術(shù)和設(shè)備來(lái)采集需要的數(shù)據(jù)信息。其次，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理，然后通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行仿真，得到一定的仿真對(duì)象。最后，通過(guò)平臺(tái)分析和預(yù)測(cè)虛擬實(shí)體的工作狀態(tài)，可以自定義和增強(qiáng)實(shí)際物理實(shí)體，并實(shí)時(shí)更新虛擬實(shí)體，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的整個(gè)生命周期映射，反饋調(diào)整模擬對(duì)象和虛擬實(shí)體。數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)施過(guò)程的示意圖，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程

2 數(shù)字孿生在智能制造技術(shù)中的應(yīng)用

智能制造技術(shù)的發(fā)展已成為一種必然趨勢(shì)，相關(guān)的研究持續(xù)增多。此類技術(shù)需要結(jié)合先前的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理，并依據(jù)當(dāng)前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上完成對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)要素（人、機(jī)器、材料、方法和環(huán)境等）的建模，并基于這些要素評(píng)估相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因素。將該模型與加工設(shè)備的下一狀態(tài)對(duì)比，預(yù)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量，并對(duì)比預(yù)測(cè)值與目標(biāo)值，分析二者之間的偏差大小，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行干預(yù)和優(yōu)化，以改善生產(chǎn)效率和質(zhì)量。智能制造的核心技術(shù)包括組合應(yīng)用方案，而在數(shù)字化生產(chǎn)中利用了“大數(shù)據(jù)+領(lǐng)域知識(shí)+機(jī)制”的建模方案，構(gòu)建了可靠的混合建模方法，能夠在實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用[13]。

為了達(dá)到上述目標(biāo)，智能化和信息化技術(shù)的應(yīng)用十分必要，而數(shù)字孿生技術(shù)是解決上述問(wèn)題的最佳方案。結(jié)合之前的分析明確了數(shù)字孿生的基本定義和特征，能夠?qū)ξ锢韺?shí)體的屬性和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)描述和展示。基于海量數(shù)據(jù)的處理建立虛擬實(shí)體和物理單元的映射關(guān)系，能夠與智能傳感器、5G通信、云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)兼容[14]。所以，數(shù)字孿生在制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化過(guò)程中顯示出了較大價(jià)值，可以將其作為虛擬和物理實(shí)體之間的媒介，提升制造的工藝水平。

2.1 數(shù)字孿生在智能工廠中的應(yīng)用

目前，很多工廠依然過(guò)度依賴傳統(tǒng)的人工管理模式，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)信息主要通過(guò)人工方式管理，不僅效率低，而且難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的追溯，降低了產(chǎn)品質(zhì)量。將數(shù)字和系統(tǒng)管理引入到實(shí)際生產(chǎn)流程中，有助于解決上述問(wèn)題。大多數(shù)數(shù)據(jù)收集都是智能的，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工管理模式具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，實(shí)際車間和虛擬車間的實(shí)時(shí)交互相去甚遠(yuǎn)。針對(duì)此問(wèn)題，陶菲等提出了數(shù)字孿生生產(chǎn)車間（Digital Twin Workshop，DTW）的概念。DTW將每個(gè)流程和業(yè)務(wù)的有效數(shù)據(jù)集成到物理實(shí)際空間和虛擬空間。通過(guò)孿生模型和孿生數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步完善物理車間生產(chǎn)過(guò)程管理、生產(chǎn)要素管理以及其他與生產(chǎn)相關(guān)的方面。企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)要滿足成本、質(zhì)量和生產(chǎn)效率等方面的約束，并達(dá)到車間生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的最佳生產(chǎn)方式[14]。

2.2 數(shù)字孿生在車間中的應(yīng)用

很多學(xué)者針對(duì)數(shù)字孿生在車間領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。鄭小虎等針對(duì)智能紡織廠設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，之后引入了數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合紡織過(guò)程中的幾種必要流程，組成智能紡紗廠的4個(gè)基本智能單元，并提出了相應(yīng)的智能紡紗廠模型，同時(shí)說(shuō)明了紡織品各個(gè)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(guò)程等相關(guān)內(nèi)容，并使用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了基于紡織過(guò)程的紡織工廠虛擬紡織車間，實(shí)現(xiàn)了自我意識(shí)、自我分析和自我執(zhí)行的智能紡織廠。劉強(qiáng)等則在生產(chǎn)車間優(yōu)化中引入數(shù)字孿生技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新的中空玻璃智能生產(chǎn)技術(shù)，技術(shù)核心在于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，提高了設(shè)計(jì)效率，提升了玻璃生產(chǎn)質(zhì)量，滿足了不同用戶的個(gè)性化需求。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，各個(gè)國(guó)家逐漸開(kāi)始重視數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，并加大了對(duì)該領(lǐng)域的研究力度[15]。隨著我國(guó)工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域中逐步引入了先進(jìn)的自動(dòng)化和人工智能技術(shù)，而這些技術(shù)正是數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。政府部門出臺(tái)了一系列扶持政策，鼓勵(lì)更多的企業(yè)加入到該領(lǐng)域的研究中，優(yōu)化傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)，使數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮出自身的價(jià)值。所以，在企業(yè)生產(chǎn)、發(fā)展、管理以及銷售等各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，數(shù)字孿生技術(shù)將發(fā)揮更大的價(jià)值，并為制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供必要的支持。

3.1 設(shè)備全生命周期智能化管理

數(shù)字孿生技術(shù)可以基于生產(chǎn)階段的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建模的過(guò)程。它在虛擬空間中創(chuàng)建目標(biāo)對(duì)象的虛擬單元，并實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的沉浸式交互。通過(guò)VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)測(cè)，使設(shè)備逐步具備自適應(yīng)的特征[16-17]。

3.2 產(chǎn)品全生命周期智能化管理

基于數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的智能化管理，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、存儲(chǔ)以及運(yùn)輸各個(gè)階段進(jìn)行建模，并將產(chǎn)品的整個(gè)生命周期映射到虛擬空間中來(lái)管理產(chǎn)品質(zhì)量。它通過(guò)監(jiān)視和預(yù)測(cè)產(chǎn)品整個(gè)虛擬過(guò)程的各種狀態(tài)，統(tǒng)一調(diào)節(jié)和管理產(chǎn)品的整個(gè)過(guò)程，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在跟蹤過(guò)程中將要出現(xiàn)的問(wèn)題，以便及時(shí)作出相應(yīng)處理，確保產(chǎn)品始終保持最優(yōu)的狀態(tài)。在此領(lǐng)域的應(yīng)用，如圖2所示[18]。

圖2 數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用

4 結(jié)語(yǔ)

隨著基礎(chǔ)研究的不斷深入，數(shù)字孿生技術(shù)得到了較大發(fā)展，在智能制造中發(fā)揮了重要價(jià)值。很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行了驗(yàn)證分析，獲得了良好的應(yīng)用效果。然而，因?yàn)樵诓糠趾诵募夹g(shù)上依然存在不足、跨學(xué)科集成相對(duì)困難以及數(shù)字孿生的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未完成，所以當(dāng)前大部分工作都處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，缺乏大規(guī)模的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。隨著研究的不斷深入，部分關(guān)鍵技術(shù)必然會(huì)被逐步攻破，通過(guò)技術(shù)和理論的創(chuàng)新，將會(huì)促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，且將其應(yīng)用到智能制造中，提升制造業(yè)的發(fā)展水平。