呂亞楠

【摘要】今天的數(shù)字化技術(shù)正在不斷地改變每一個(gè)企業(yè)。未來(lái)，所有的企業(yè)都將成為數(shù)字化的公司，這不只是要求企業(yè)開(kāi)發(fā)出具備數(shù)字化特征的產(chǎn)品，更指的是通過(guò)數(shù)字化手段改變整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和服務(wù)過(guò)程，并通過(guò)數(shù)字化的手段連接企業(yè)的內(nèi)部和外部環(huán)境。數(shù)字孿生技術(shù)是CPS體系的關(guān)鍵組成部份，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。本文主要針對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行分析和討論。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字孿生技術(shù);企業(yè)生產(chǎn);應(yīng)用

一、數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin，簡(jiǎn)稱(chēng)DT）是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體物的全生命周期過(guò)程。DT是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴(lài)的系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)防部為了航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障，最早提出并利用了DT技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)有時(shí)候也用來(lái)指代將一個(gè)工廠的廠房及產(chǎn)線，在沒(méi)有建造之前，就完成數(shù)字化模型，繼而在虛擬空間中對(duì)工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)（從這層應(yīng)用上講，數(shù)字孿生功效類(lèi)似國(guó)內(nèi)提出的半實(shí)物仿真技術(shù)）。而工房和生產(chǎn)線建成后的日常運(yùn)維中二者繼續(xù)進(jìn)行信息交互，貫穿產(chǎn)品全生命周期的全時(shí)空。

二、數(shù)字孿生技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)會(huì)幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測(cè)試，在生產(chǎn)過(guò)程中也可同步優(yōu)化整個(gè)企業(yè)流程，最終實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競(jìng)爭(zhēng)力。數(shù)字孿生技術(shù)是制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)將掌握產(chǎn)品信息及其生命周期過(guò)程的數(shù)字思路將所有階段（產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制造規(guī)劃、生產(chǎn)和使用）銜接起來(lái)，并連接到可以理解這些信息并對(duì)其做出反應(yīng)的生產(chǎn)智能設(shè)備。

（一）產(chǎn)品數(shù)字孿生

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，利用數(shù)字孿生可以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并驗(yàn)證產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中的性能。這個(gè)階段的數(shù)字孿生，關(guān)鍵能力包含，第一：數(shù)字模型設(shè)計(jì)，使用CAD工具開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)格的產(chǎn)品虛擬原型，精確的記錄產(chǎn)品的各種物理參數(shù)，以可視化的方式展示出來(lái)，并通過(guò)一系列的驗(yàn)證手段來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)程度;第二：模擬和仿真：通過(guò)一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品在不同外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)階段就驗(yàn)證產(chǎn)品的適應(yīng)性。

（二）生產(chǎn)數(shù)字孿生

在產(chǎn)品的制造階段，生產(chǎn)數(shù)字孿生的主要目的是確保產(chǎn)品可以被高效、高質(zhì)量和低成本的生產(chǎn)，它所要設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證的對(duì)象主要是生產(chǎn)系統(tǒng)，包括制造工藝、制造設(shè)備、制造車(chē)間、管理控制系統(tǒng)等。利用數(shù)字孿生可以加快產(chǎn)品導(dǎo)入的時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品的交付速度。產(chǎn)品階段的數(shù)字孿生是一個(gè)高度協(xié)同的過(guò)程，通過(guò)數(shù)字化手段構(gòu)建起來(lái)的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來(lái)。

（三）設(shè)備數(shù)字孿生

產(chǎn)品作為客戶(hù)的設(shè)備資產(chǎn)在運(yùn)行過(guò)程中，將設(shè)備運(yùn)行信息實(shí)時(shí)傳送到云端，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化，進(jìn)行設(shè)備可預(yù)測(cè)性維護(hù)與保養(yǎng)，通過(guò)設(shè)備運(yùn)行信息，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝和制造迭代優(yōu)化。包含設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、可預(yù)測(cè)性維護(hù)、維修與保養(yǎng)、設(shè)計(jì)、工藝與制造迭代優(yōu)化。

三、數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用發(fā)展態(tài)勢(shì)

（一）數(shù)字孿生應(yīng)用已滲透到資產(chǎn)、車(chē)間、企業(yè)各個(gè)層級(jí)

數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，當(dāng)前覆蓋“NIST智能制造系統(tǒng)”中的產(chǎn)品、生產(chǎn)和商業(yè)三大領(lǐng)域，并朝著實(shí)現(xiàn)三大領(lǐng)域價(jià)值鏈條全面優(yōu)化的方向發(fā)展。一是面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦產(chǎn)品全生命周期優(yōu)化。如AFRL與NASA合作構(gòu)建F-15數(shù)字孿生體，基于戰(zhàn)斗機(jī)試飛、生產(chǎn)、檢修全生命數(shù)據(jù)修正仿真過(guò)程機(jī)理模型，提高了機(jī)體維護(hù)預(yù)警準(zhǔn)確度;二是面向車(chē)間的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦生產(chǎn)全過(guò)程管控。如空客通過(guò)在關(guān)鍵工裝、物料和零部件上安裝RFID，生成了A350XWB總裝線的數(shù)字孿生體，使工業(yè)流程更加透明化，并能夠預(yù)測(cè)車(chē)間瓶頸、優(yōu)化運(yùn)行績(jī)效;三是面向企業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦業(yè)務(wù)綜合評(píng)估與管理。如Software AG基于ARIS業(yè)務(wù)流程建模功能構(gòu)建了面向企業(yè)業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生體，并通過(guò)模擬評(píng)估業(yè)務(wù)流程預(yù)見(jiàn)企業(yè)未來(lái)成本和績(jī)效。

（二）數(shù)字孿生應(yīng)用由虛擬驗(yàn)證向虛實(shí)交互的閉環(huán)優(yōu)化發(fā)展

數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展歷程依次經(jīng)歷虛擬驗(yàn)證、單向連接、智能決策、虛實(shí)交互四大階段。一是虛擬驗(yàn)證，能夠在虛擬空間對(duì)產(chǎn)品/產(chǎn)線/物流等進(jìn)行仿真模擬，以提升真實(shí)場(chǎng)景的運(yùn)行效益。如ABB推出PickMaster Twin，客戶(hù)能夠在虛擬產(chǎn)線上對(duì)機(jī)器人配置進(jìn)行測(cè)試，使拾取操作在虛擬空間進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化;二是單向連接，在虛擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上疊加了IOT，實(shí)現(xiàn)基于真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)仿真模擬，大大提升了仿真精度。如PTC和ANSYS合作，構(gòu)建了泵的仿真模型，并將其與真實(shí)的泵連接，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真，優(yōu)化模擬;三是智能決策，在單向連接的基礎(chǔ)上疊加了AI，將仿真模型和數(shù)據(jù)模型很好的融合，優(yōu)化分析決策水平。如杭汽輪通過(guò)三維掃描構(gòu)建幾何形狀，與平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)理模型對(duì)比，并疊加人工智能分析，實(shí)現(xiàn)葉片的檢測(cè)試驗(yàn)從2～3天降低至3～5分鐘。四是虛實(shí)交互，在智能決策的基礎(chǔ)上疊加了反饋控制功能，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)自執(zhí)行的全閉環(huán)優(yōu)化。如在西門(mén)子提供的產(chǎn)品體系中，設(shè)計(jì)仿真軟件NX具備虛擬驗(yàn)證功能，MindSphere具備IOT連接功能，Omneo具備數(shù)據(jù)分析功能，TIA具備自動(dòng)化執(zhí)行功能。未來(lái)，西門(mén)子有望基于以上產(chǎn)品整合，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的虛實(shí)交互閉環(huán)優(yōu)化。

四、結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)是正在高速發(fā)展的新技術(shù)，為復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理信息融合提供了解決思路，是智能制造與智能自動(dòng)化重要的解決方案之一。隨著新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的加速融合，工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化演進(jìn)趨勢(shì)日益明顯，催生了一批制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型新模式、新業(yè)態(tài)，其中數(shù)字孿生日趨成為產(chǎn)業(yè)各界研究熱點(diǎn)，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗麗，陳金鷹，馮光男.VR/AR技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].通信與信息技術(shù)，2016（6）：64-65，76.

[2]蔡遠(yuǎn)利，高鑫，張淵.數(shù)字孿生技術(shù)的概念、方法及應(yīng)用[A].第二十屆中國(guó)系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]，2019.

[3]楊明娣，陳廣美.探析化工教學(xué)中仿真技術(shù)的應(yīng)用[J].化工管理，2014（32）：145.