數字孿生在智能制造領域的應用及發展趨勢

劉恩偉 陳健 孔祥鵬 孫羅文

[摘 ? ?要 ]信息技術與制造技術的不斷更新發展，使得傳統制造業發生了變革，智能制造已經成為國家制造業發展的主流方向，并已經升級為國家發展戰略的重要內容之一。數字孿生技術在智能制造領域的應用，使得智能制造物理信息融合的難題得到有效的解決，也因此受到多個行業的廣泛關注。數字孿生技術已經成為十大戰略科技發展趨勢之一，在智能制造領域應用，對行業發展起到重要的推動作用。基于數字孿生的基本內涵，探討數字孿生在智能制造領域的具體應用，并對其在智能制造領域的發展趨勢進行展望。

[關鍵詞]數字孿生，智能制造;應用;趨勢

[中圖分類號]TP311.13 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]The continuous update and development of information technology and manufacturing technology has changed the traditional manufacturing industry . Intelligent manufacturing has become the mainstream direction of the national manufacturing industry development ， and has been upgraded to one of the important contents of the national development strategy .The application of digital twin technology in the field of intelligent manufacturing has effectively solved the problem of physical information integration of intelligent manufacturing ， and therefore has attracted wide attention from many industries .Digital twin technology has become one of the top ten development trends of strategic technology ， and its application in the field of intelligent manufacturing ， for example ， will play an important role in promoting the development of the industry .Based on the basic connotation of digital twin ， this paper discusses the specific application of digital twin in intelligent manufacturing and discusses the trend of intelligent manufacturing .

[Keywords]digital twin ， intelligent manufacturing ; application ; trends

隨著制造技術的飛速發展，自動化技術、信息技術等先進技術的應用，傳統制造業的生產方式發生變革，智能制造成為現代制造業的主流趨勢。傳統制造業向智能制造的轉換，代表著制造業進入了一個新的發展階段，同時也面臨著一系列新的問題。數字孿生技術可以在虛擬空間對物理實體進行實時動態仿真，并進行協同優化，將現實世界中難以實現的推演、驗證和運維在虛擬世界中完成，不僅大幅降低運維成本，而且有效提高了生產效率。2015年以來，世界發達國家開始重視物理信息系統（CPS）的構建，使真實世界的物理工程能夠與虛擬空間內的數字工廠之間能夠實現有效的映射和相互間的信息交互，推動智能制造邁入一個新的發展階段。而數字孿生技術無疑是CPS構建的首選，世界各國由此開始對數字孿生開展了更加深入地研究。但是數字孿生技術在智能制造領域應用時間并不長，在體系支撐和技術實際應用方面還面臨很多難題，需要在日后更加深入的研究和探索。

1 數字孿生概述

1.1 數字孿生的定義

數字孿生概念最早是在2003年，由美國密歇根大學Michael Grieves教授提出。當時數字孿生概念還只是一個概念雛形，在當時數字孿生也可稱之為“鏡像空間模型”。數字孿生概念一經提出就受到全世界范圍內的高度關注。不同領域不同時期的研究人員也賦予了數字孿生更加豐富的內涵。簡單來說，數字孿生就是集合多方面數據，集成多種仿真過程實現在虛擬空間對實體裝備全生命周期的映射。

1.2 數字孿生的關鍵技術

1.2.1 建模

數字孿生是以物理實體為基礎的，對其進行數字化模擬，建立仿真模型。在虛擬空間建立其余真實世界物理實體等比例的數字模型，對物理實體全生命周期的運行狀態和各個屬性進行實時的模擬、監測、管理、預測。因此，建立數字化模型是數字孿生技術應用的基礎步驟，也是數字孿生技術的核心所在。數字孿生的建模與普通的單一化建模不同，其需要從多個尺度、多個角度的考慮，綜合各個方面的物理量數據，建立多維模型。

1.2.2 仿真

建模是對真實世界物理實體的抽象化展示，那么仿真就是對實體抽象化是否真實映射的驗證。數字孿生系統相對于一般物理模型在結構上要復雜得多，因此，需要從結構、運行機理方面給予充分地理解，并要全面考慮到實際環境和運行工況的影響。數字孿生系統仿真驗證是以數據作為驅動力，仿真模型可以與物理實體之間可以實現價值實時的動態更新。在模型驅動的基礎上，結合數字驅動，已達到提高仿真效果的目的。

1.2.3 數據傳輸交互

數字孿生技術實現是依托數據驅動，那么數據的獲取與傳輸就非常重要。傳感器負責采集獲取數據，因此對傳感器的性能及其穩定性就提出了很高的要求。同時為了實現數據實施交互傳輸、及時更新等功能，數據傳輸不僅對速率有很高的要求，對數據的準確性和安全性要求也很高。目前的傳感器技術還有很大的發展空間，在穩定性和抗干擾方面還有待進一步提升，同時數據采集的方式也需要更加多樣化，這些都是以后研究的重點內容。

1.2.4 虛擬現實

虛擬現實技術也就是VR技術，數字孿生技術中物理實體與虛擬體之間信息交互極其重要。VR技術的優勢就在于能夠將目標系統多方面的狀態實時的、動態的在三維空間內以立體化的形式映射出來，讓管理者能夠實現多種感官上的體驗，真正的實現沉浸式的交互，而這種交互方式正式數字孿生所需要的。VR技術可以使管理者得到系統多個方面的運行狀態的有效反饋，無論對于設備價格的維修還是升級都具有重要的作用。尤其對于具有高危性的制造業，通過VR技術能夠獲得有關設備最直接、準確的信息，更大程度的保障安全性。

2 數字孿生實現流程

數字孿生技術的實現，首先就是采集獲取數據，對物理實體對象相關的尺度、參數、物理量等數據進行采集，獲取數據基礎。然后對數據加以整合，再依托計算平臺建立仿真模型，在虛擬空間中構建與物理實體同比例、同環境、同工況的虛擬實體;通過服務平臺實現虛擬實體與平臺之間、平臺物理實體之間、虛擬實體與物理實體之間的交互，實現物理實體與虛擬實體的全生命周期的映射與反饋，實現流程如圖1所示。

3 數字孿生在智能制造領域的應用

3.1 在產品設計中的應用

產品設計時產生生命周期正式開始的第一環節，也是數字孿生具體應用的第一階段。企業為了滿足不斷發展更新的市場需要，需要不斷地進行產品的更新和升級，大規模個性化產生設計是現代制造行業產品設計的發展方向。需求定位不精準、設計協作難等問題一直是傳統設計方法中的難題，對設計出的樣機產品需要進行試驗以驗證和反饋實際應用性能表現，但是往往存在周期長且需要投入較高的成本，這不僅增加了企業的成本負擔，更是影響產品更新換代和市場開發的速度。數字孿生技術的應用能夠在產品設計階段就對其虛擬產品進行仿真，模擬實體產品在不同環境、不同生產工況下的性能表現和運行狀態，以盡可能地了解實際生產出的產品是否滿足預期目標設定。數字孿生不僅大幅縮短驗證反饋的時間，縮短設計周期，而且大大降低了樣機試制與運行驗證的成本。

3.2 在工業生產中的應用

工程生產是一個系統工程，過程復雜。數字孿生技術應用在工業生產中，將真實世界中的物理實體設備與虛擬空間中的虛擬設備依托信息服務平臺，實現信息數據的連接和交互，虛擬設備可以對實體設備的運行環境、運行狀態、生產過程進行在線實時動態的反映和控制，同時還可以預測可能發生的故障，及時做出決策指導，提高生產效率。面向生產車間提出應用數字孿生技術對車間運行進行三維可視化實時動態監控，基于車間運行數據驅動建立虛擬車間運行模型，實現車間生產全流程的動態監控。基于模型仿真的良好反饋開發出實例并進行實際運行驗證，效果良好。

3.3 在制造服務中的應用

產品在生產制造的過程中，整個生產系統的運行會產生海量的數據，應用數字孿生技術對數據進行分析處理，提取有價值的信息，為生產設備的運行提供反饋和預測，為生產人員提供技術指導，為企業管理決策提供信息服務。面向機電設備維修應用數字孿生技術建立維修指導模型，物流維修空間與虛擬維修空間相互融合，雙向映射。對物理維修空間進行設備故障預警、快速診斷、維修指導等方面發揮了重要的作用。

4 數字孿生在智能制造領域的發展趨勢

近年來，隨著數字孿生技術在智能制造領域取得的重要成果越來越多，技術優勢越來越明顯，數字孿生技術發展迅速，各國對數字孿生技術加大關注和研究力度，不僅在制造領域，在多個行業領域都有所應用。數字孿生技術已成為十大國家戰略規劃中的重點技術，給予高度的重視并開始深入研究與應用。

數字孿生技術以設備全生命周期的數據為基礎來進行建模，沉浸式交互方式對設備的運行情況進行實時狀態監測和反饋。數字孿生系統具有的自識別、自計算、自學習、自決策能力解放了人類的一部分腦力工作，并對研究人員的生產研發、攻克難題提供幫助。智能化程度的提升、延長設備使用壽命、提高制造效率是數字孿生技術對于設備智能化管理中的發展方向。

數字孿生技術對產品生產的全流程進行建模，在虛擬空間對產品的生命周期進行模擬仿真，預測產品流程中某一個環節可能出現的問題，提早防范，消除隱藏風險，流程中的每個環境都保持在一個最優化的狀態，從而生產出優質的產品。未來最優的狀態不僅僅限于產品的生產，還包括產品的最優存儲、最優運輸等，產品全生命周期智能化管理也是數字孿生在智能制造領域的發展趨勢。隨著工業大數據、物聯網、人工智能、虛擬現實等技術的不斷融合和快速發展，相信未來數字孿生技術在智能制造領域的發展必然前景廣闊。

5 結束語

隨著數字孿生技術研究的不斷深入，數字孿生技術應用于智能制造領域取得的成果越來越多，其技術優勢也越來越明顯。即便如此，數字孿生技術還處于成長期，應用于智能制造領域的時間并不長，還需要在日后的實踐應用中不斷去檢驗、去探索。特別是在關鍵技術方面，還有很多難點有待進一步突破，與其他學科之間的融合也是未來研究的重點方向之一。至今為止，關于數字孿生技術還沒有建立起明確的標準，學科體系也有待進一步完善。相信隨著對數字孿生技術研究力度不斷加大，數字孿生技術在智能制造領域的應用也必將取得更好的效果。

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