數字孿生技術在工業制造中的應用研究綜述

趙瑤瑤

（江蘇永豐機械有限責任公司，江蘇 淮安 211722）

數字孿生技術的應用領域廣泛而多樣，可應用于制造、航空航天、能源、醫療、城市規劃等領域。該技術為這些領域提供了更加精準、高效的數字化解決方案，促進了其智能化、可持續化、綠色化發展。隨著數字孿生技術的不斷發展，數字孿生技術將成為數字時代的重要趨勢，其應用更加廣泛，研究也更加深入。例如，全球最大的武器制造商洛克希德·馬丁公司已經將數字孿生技術列為未來國防和航天工業六大前沿技術之首。此外，GE 公司基于Predix 平臺構建了面向產品預測的數字化生命周期系統，使制造商和運營商能夠對產品的整個生命周期進行預測。

數字孿生技術在制造業中具有巨大的應用潛力。在產品設計開發方面，利用數字孿生模型可以在零部件物理生產前對其進行虛擬加工和驗證，避免了迭代設計帶來的高成本和長周期。在產品全生命周期管理中，數字孿生模型可以檢測產品損傷并提供實時反饋，以改進預測性維護并指導實際生產。隨著數字孿生技術的不斷發展，有望給制造業帶來革命性變革。因此，本文圍繞數字孿生廣泛應用的制造業，分析其關鍵技術及其在工業制造領域的應用。最后，總結了數字孿生技術在制造業中的研究方向和應用趨勢。

1 數字孿生技術的特征與應用

數字孿生是一種快速發展的技術，受到越來越多學者的關注。數字孿生技術的關鍵特征之一是其對虛擬現實技術的依賴。這使得創建一個與物理世界相對應的虛擬世界成為可能。通過利用虛擬世界模擬各種場景，從不同角度分析原始對象或系統的性能。這使得該技術對物理對象或系統的分析可以用于實際工程中的決策和優化。數字孿生的概念提出至今已有數年，但至今仍沒有一個全面而具體的定義涵蓋該技術的各個方面。

數字孿生技術在不同行業和部門有著廣泛的應用。例如，在制造業中用于優化生產流程和減少生產耗材，在醫療保健中用于模擬和測試醫療過程，在交通中用于模擬和分析交通運輸。除了實際應用，數字孿生技術也一直是計算機科學、工程、管理等各個領域學術研究的主題。研究人員探討了技術的不同方面，如它對創新和競爭力的潛在影響，它在實現可持續發展方面的作用，以及它改變我們設計和操作復雜系統的方式的潛力。總之，數字孿生是一項對未來具有巨大前景的技術。它能夠創建物理對象或系統的精確數字副本，并從不同的角度對其進行模擬和分析，有可能徹底改變學者設計、操作和分析的方式。

2 數字孿生技術在工業制造應用中的關鍵技術

數字孿生技術是工業制造中利用數字化建模、數據采集與傳輸、數據處理與分析、虛擬現實、人工智能等關鍵技術實現制造過程數字化、智能化、可視化、高效化的新興技術。具體涉及的關鍵技術如下。

2.1 數字化建模技術

數字孿生技術的核心在于數字建模技術，即利用數字技術創建物理對象的精確數字模型。這些數字模型包括幾何模型、物理模型和行為模型，能夠對實物進行全方位、多維度的數字化管理和仿真分析。數字化建模技術的關鍵是準確性和完整性，要求根據實物的特點和用途選擇合適的建模方法和工具，以保證數字化模型的準確性和完整性。

2.2 數據采集和傳輸技術

數字孿生技術依靠從物理對象中實時采集數據并將這些數據傳輸到數字孿生系統中，實現數字孿生系統與物理對象的實時連接。數據采集和傳輸技術必須考慮數據的準確性、穩定性和安全性，采用合適的傳感器和通信技術保證數據的實時可靠傳輸。

2.3 數據處理和分析技術

數據處理與分析是數字孿生技術中的關鍵技術之一。在應用數字孿生技術時，必須考慮數據的質量、數量和多樣性。只有保證數據質量，才能保證數字孿生系統的準確性和可靠性。數據的數量和多樣性也對數字孿生技術的應用產生了重大影響。更多的數據可以提供更全面和詳細的信息，而多樣的數據可以提供不同的視角，使得數字孿生系統更加可靠和適用。

2.4 虛擬現實技術

數字孿生技術強調了虛擬實體與設備管理者之間的互動。而VR 技術允許將系統結構、運行狀態、流程和機制動態映射到3D 空間，為設備管理者提供更逼真的感官體驗，并促進與虛擬實體的沉浸式交互。通過利用VR 技術，設備管理者可以獲得系統運行的實時反饋，直觀展示設備的優劣，為設備改進提供啟發和指導。在高危制造環境中，VR 技術可以提供最直接的設備監測狀態信息，從而增強設備的可靠性和安全性。在數字孿生的整個生命周期中，VR 技術可以極大地促進設備管理、性能優化和維護。

2.5 人工智能技術

人工智能技術的應用則可以進一步提高數字孿生系統的效果。通過對數字孿生系統中的數據進行分析和預測，人工智能技術可以幫助管理者及時發現并解決可能出現的問題，提高制造效率和質量。然而，要充分利用人工智能技術，需要考慮數據量、數據質量和算法選擇等因素，并采用合適的人工智能技術和算法。只有在這些因素得到充分考慮的情況下，才能充分利用數字孿生系統和人工智能技術，提高生產效率和產品質量。

3 數字孿生技術與工業制造

近年來，互聯網、大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等新一代信息技術的快速發展使得數字孿生成為可能。目前，數字孿生已經廣泛應用于航空、交通、健康管理、智慧城市等各個領域，尤其是在工業制造行業。數字孿生作為一種新興技術，被公認為工業4.0 的重要支撐技術之一。國內外對工業制造業數字孿生的研究主要集中在產品設計、生產和維護3 個方面。

3.1 產品設計

隨著市場上的小批量、個性化、定制化制造的興起。如何有效縮短產品的設計和生產周期對各個企業有較高的要求。為了解決這一難題，許多研究者開始著手研究如何借助數字孿生系統提高產品的響應周期，為產品的設計和研發提供有效的指導。Yan 等人開發了一種基于數字孿生技術的生產設計平臺，并進一步應用了虛實聯動技術，加速了產品的生產和設計周期。李浩等人提出了一種有效的數字孿生產品設計循環框架，并進一步探索了復雜產品的開發-制造-疲勞-破損的全生命周期過程。李琳利等人在基于已有的產品數字化建模的基礎，進一步地改進并提出了一種多學科協同的建模參考框架，另外，她還提出了一種面向機電一體化的多學科協同設計和虛擬工程方法。傳統的產品設計和開發過程依賴于設計人員或工程師的經驗和知識，涉及冗長的開發、測試和修改過程，甚至可能需要反復迭代。在產品測試失敗的情況下，需要進一步修改設計和創建新的模型，顯然這需要大量的財力、物力和人力。然而，數字孿生技術集成了產品設計和生產過程，利用元素之間的虛擬和物理同步，利用數字化和信息系統，可以根據工程需求進行產品測試和虛擬驗證。基于測試結果，利用人工智能和高保真模型模擬方法可以消除誤差，減少實際分析時間。

3.2 生產制造

在生產制造階段，可以利用數字孿生技術對生產設備、制造過程、生產工序進行模擬。這可以改善工藝流程，提高生產效率，并支持產品生命周期管理。數字孿生驅動的工藝規劃涉及產品資源和整個過程的虛擬映射和交互反饋，產生迭代協同優化。它可以實時預測加工后產品的形狀和性能，并根據實際生產結果和裝配效果提出修改措施。李仁旺提出了數字孿生技術驅動的大數據制造服務模式架構，為推動傳統制造業生產模式和企業轉型提供了指導。孫玉成等人實現了生產過程的可視化控制，并進一步提出了面向生產過程的智能車間數字孿生建模與應用系統。

3.3 安全維護

隨著數字孿生技術的不斷發展，有望給制造業帶來革命性變革，帶來效率、質量和成本效益的顯著提升。其潛在的應用領域非常廣泛，從產品設計與開發到生產計劃與優化，甚至到預測性維護和故障診斷。在智能制造中，利用數字孿生、大數據分析等信息技術，可以將工業設備的實時感知數據傳輸到相應的數字孿生模型中進行仿真建模和數據分析。實現設備健康狀態的智能診斷和故障預警，設備整體性能的準確監測，人員及時決策，避免嚴重故障和災害的發生，最終實現生產線的穩定運行。王炎提出了一種利用數字孿生技術建立并驗證齒輪箱數字孿生模型準確性的框架。閆天紅[7]等利用數字孿生技術對平臺結構安全評估和壽命預測模型進行修正，了解海洋管道平臺在其整個服役生命周期內的結構行為，實現科學預測和預防性維護，延長平臺壽命。目前數字孿生技術已應用于齒輪箱、海洋管道平臺等各個領域，以提高精度、預測和預防維修需求，延長設備壽命。

4 數字孿生技術面臨的挑戰及其發展方向

數字孿生技術對推動智能制造、智慧城市、數字化轉型具有重要的指導作用。隨著工業物聯網、5G、人工智能等新一代高科技信息技術的深度融合，其在各行業領域具有良好的未來前景和發展潛力。特別是，隨著工業4.0 時代的到來，數字孿生在工業制造領域展現出良好的前景，但理想的前景距離當前的制造技術水平仍有較大差距。本文認為，數字孿生技術將面臨以下問題。

（1）老牌企業產業線革新的成本較高。企業還需要投入大量的時間和資金來培訓員工，使其適應新的生產流程和設備操作。這也會對企業的生產效率和盈利能力造成影響，需要在轉型過程中做好平衡和規劃。因此，在企業進行產業線革新時，需要綜合考慮成本、效益和風險，制定出合理的轉型計劃，逐步推進產業升級和轉型。

（2）部分國家的復雜系統數據價值較低。在一些發展中國家，制造業尚處于起步階段，制造過程依靠大規模的生產線，無須復雜的產品設計和生產過程。因此，產品的生產和設計周期并不是制造企業重點考慮的問題。在這些國家，數字孿生技術看不到應用的前景。（3）行業整體的數字化設計水平也較低。數字孿※生技術依賴現代技術的支持。雖然航空航天和機器人產業在全球范圍內具有較高的技術發展水平，但制造業的平均水平仍然在平均水平附近。要全面提升產業的技術水平，在各個層面應用數字孿生技術，需要大力發展基礎制造業。

（4）垂直領域交互水平較低。由于目前各個垂直耦合的軟件之間交互水平較低，從而導致了不同領域的不同軟件之間無法實現有效的耦合，數據庫無法真實地共享，從而在一定程度上阻礙了數字孿生技術的推廣。另外，需要注意的是，垂直軟件交互方面人才的缺失在一定程度上也阻礙了數字孿生系統的建設。

（5）數據訪問權限的優先級。在數字孿生系統中，虛擬模型的精確評估需要從實際物理模型中獲取精確的數據。因此，在兩端之間是數據發送和更新的權限問題是值得推敲的，該問題限制了大數據平臺和云計算能力的應用。因此，如何讓管理者和建設者平等的共享數據是未來需要重點考慮的問題之一。