蘇 彬， 姜 釗

（中電科能源有限公司， 天津 300384）

引言

數(shù)字孿生技術(shù)因其在產(chǎn)品生產(chǎn)制造與技術(shù)運(yùn)用過程中，可將物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界進(jìn)行實(shí)時(shí)交匯和良好互動(dòng)，而越來(lái)越受到普遍關(guān)注與廣泛應(yīng)用。預(yù)計(jì)到2025 年，全球數(shù)字孿生市場(chǎng)將達(dá)到260.7 億美元，年應(yīng)用增長(zhǎng)率為38.2%。究其原因，是由于制造業(yè)越來(lái)越多地采用網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，為低成本、系統(tǒng)性地實(shí)施數(shù)字孿生技術(shù)鋪平了道路，同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)、機(jī)器和設(shè)備健康監(jiān)測(cè)以及產(chǎn)品支持和服務(wù)等方向產(chǎn)生著巨大影響。數(shù)字孿生的成功實(shí)施將在企業(yè)的生產(chǎn)透明度、協(xié)同性、靈活性、生產(chǎn)速度、可擴(kuò)展性與制造效率等方面得到大幅提升[1]。

1 數(shù)字孿生技術(shù)研究進(jìn)展

智能制造的實(shí)現(xiàn)，需要生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理流程內(nèi)部的傳感、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源等各種信息的相互協(xié)作和自主交互，其中從物理系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)主要用于提供可操作的決策建議和提供預(yù)測(cè)性服務(wù)[2]。數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式來(lái)創(chuàng)建物理實(shí)體的數(shù)字模型，這種數(shù)字模型可以在虛擬世界中借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，進(jìn)而為設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化零件、對(duì)產(chǎn)品加工工藝、生產(chǎn)設(shè)備提供數(shù)字化的流程模擬[3]。數(shù)字孿生技術(shù)映射關(guān)系，如圖1 所示。

數(shù)字孿生利用從安裝在實(shí)體對(duì)象上的傳感器反饋的數(shù)據(jù)，來(lái)映射實(shí)體最接近真實(shí)狀態(tài)下的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)和性能等信息。并通過虛實(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[4]。數(shù)字孿生技術(shù)數(shù)據(jù)類型，如圖2 所示。

2 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)在國(guó)外航空航天領(lǐng)域的最早應(yīng)用是在2010 年左右，目前對(duì)其概念的解讀與所屬學(xué)科范疇依舊沒有達(dá)到統(tǒng)一的意見，仍舊屬于制造行業(yè)中比較前沿的技術(shù)領(lǐng)域。由前所述，數(shù)字孿生的應(yīng)用以多方面、多維度的系統(tǒng)成熟建設(shè)為前提，具有投資大，建設(shè)周期長(zhǎng)、短期應(yīng)用效果不明顯，長(zhǎng)期效果顯著的特點(diǎn)[5]。應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）良好的參觀演示效果，可配合VR 眼鏡、指揮中心艙進(jìn)行輔助數(shù)據(jù)演示，具有最為真實(shí)的直觀性與實(shí)時(shí)性。

2）可對(duì)能耗、OEE 進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)時(shí)效統(tǒng)計(jì)與分析，配合所采集的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)線層級(jí)進(jìn)行統(tǒng)籌、控制、決策、異常處理。

3）數(shù)據(jù)集成方面，可對(duì)全流程的智能化生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，如：工藝創(chuàng)新、設(shè)備優(yōu)化等。

2.1 智能規(guī)劃方面

在工廠規(guī)劃、改造、運(yùn)營(yíng)階段使用數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)工廠物流、布局、控制策略和人機(jī)工程等的在線與離線仿真與驗(yàn)證，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以代替真實(shí)的物理系統(tǒng)提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、模擬試驗(yàn)、分析優(yōu)化、預(yù)測(cè)和驗(yàn)證等方面的服務(wù)。通過研發(fā)大數(shù)據(jù)用以實(shí)現(xiàn)處理、分析、挖掘、可視化等技術(shù)產(chǎn)品的深度應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類別設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與分析，并對(duì)車間制造執(zhí)行系統(tǒng)開展適應(yīng)性研究與開發(fā)[6]。還可通過二維碼、RFID 及各類傳感器等介質(zhì)對(duì)物料和產(chǎn)品進(jìn)行全方位的信息采集，并通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行全流程跟蹤。通過融合云計(jì)算、人工智能、深度機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的網(wǎng)絡(luò)信息化進(jìn)行賦能，進(jìn)而提升企業(yè)決策效率，航空航天企業(yè)可結(jié)合自身特點(diǎn)進(jìn)行合理應(yīng)用[7]。航空航天產(chǎn)品制造可應(yīng)用于數(shù)字孿生技術(shù)的環(huán)節(jié)，如圖3 所示。

2.2 航天領(lǐng)域

在航天領(lǐng)域，建立真實(shí)條件的測(cè)試環(huán)境與平臺(tái)往往是耗時(shí)并投入巨大的復(fù)雜過程，這時(shí)可通過借助數(shù)字孿生技術(shù)，通過傳感器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從物理實(shí)體傳送到數(shù)字環(huán)境中，并加載相應(yīng)算法進(jìn)行數(shù)字環(huán)境中各個(gè)場(chǎng)景的測(cè)試工作。例如，在新型航天器設(shè)計(jì)與生產(chǎn)驗(yàn)證時(shí)，新模型的生產(chǎn)與測(cè)試成本非常高[8]，所需要的樣本量與測(cè)試數(shù)據(jù)同樣是巨大的，為平衡成本收益與減少預(yù)測(cè)樣本量，可將飛行器中數(shù)千個(gè)傳感器每秒所產(chǎn)生的數(shù)萬(wàn)億字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與處理，結(jié)合預(yù)測(cè)模型進(jìn)行逐一分析，可為制造廠商提供動(dòng)能、安全、穩(wěn)定各個(gè)層面的預(yù)測(cè)與建議，還可進(jìn)行必要的決策性維護(hù)工作[9]。

衛(wèi)星及附屬系統(tǒng)在航天領(lǐng)域具有十分重要的意義，在一項(xiàng)涉及衛(wèi)星系統(tǒng)故障診斷和健康監(jiān)測(cè)（FD-HM）的開放式可執(zhí)行數(shù)字孿生方法研究中，數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)算法可用于執(zhí)行故障診斷和維護(hù)決策。結(jié)果表明，采用數(shù)字孿生系統(tǒng)可大幅提升衛(wèi)星系統(tǒng)診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，并可提升產(chǎn)品量化性能指標(biāo)與決策性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，不同于傳統(tǒng)意義上基于啟發(fā)式經(jīng)驗(yàn)和最壞情況的傳統(tǒng)維護(hù)方法[10]，數(shù)字孿生技術(shù)使用高精度的主動(dòng)虛擬模型，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)的超高保真模擬，有助于衛(wèi)星上的電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃，并基于大數(shù)據(jù)創(chuàng)建最為合理的維護(hù)策略，可根據(jù)主觀單一或多個(gè)變量的條件變化快速輸出結(jié)果。據(jù)研究表明，數(shù)字孿生方法可應(yīng)用于衛(wèi)星子系統(tǒng)，并可推廣至所有具有完善數(shù)據(jù)傳感與深度學(xué)習(xí)技術(shù)的其他衛(wèi)星系統(tǒng)中。衛(wèi)星的數(shù)字孿生應(yīng)用概念場(chǎng)景如圖4 所示。

2.3 航空領(lǐng)域

近幾年來(lái)，飛機(jī)的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用被認(rèn)為是航空領(lǐng)域最重要、最受關(guān)注的發(fā)展方向之一。據(jù)悉，美國(guó)軍方所使用的數(shù)字化仿真軟件可以生成數(shù)字孿生技術(shù)所需數(shù)據(jù)，并在研發(fā)制造F-35 戰(zhàn)斗機(jī)過程中，采用了數(shù)字“克隆”技術(shù)，用來(lái)預(yù)測(cè)戰(zhàn)機(jī)關(guān)鍵核心部件的預(yù)期性能、壽命和故障率。目前美軍擁有的1.4 萬(wàn)架軍用飛機(jī)，年度維護(hù)成本約為750 億美元。在過去十多年期間，美國(guó)國(guó)防部與衛(wèi)奇塔州立大學(xué)合作，開始數(shù)字孿生技術(shù)的研究，現(xiàn)已完成了黑鷹直升機(jī)與B-1轟炸機(jī)的拆卸數(shù)字虛擬映射工作，并在飛機(jī)研制過程使用了數(shù)字孿生技術(shù)，這不僅有助于戰(zhàn)機(jī)的早期故障檢測(cè)和性能提升，還可以顯著節(jié)省戰(zhàn)機(jī)的維護(hù)成本。數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬環(huán)境下的裝配應(yīng)用，如圖5 所示。

此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障率對(duì)乘客及財(cái)產(chǎn)安全有著十分重要的影響，傳統(tǒng)飛機(jī)控制室也存在各類別的分析檢測(cè)功能。通過成功運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，大幅提升了乘客安全方面可能出現(xiàn)危險(xiǎn)的預(yù)測(cè)頻率，在降低成本的同時(shí)，還可為工程師提供遠(yuǎn)程維護(hù)與大修的虛擬環(huán)境和條件。

3 數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展方向

數(shù)據(jù)是基于數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的核心元素，它主要通過智能傳感器、執(zhí)行器、控制器等相關(guān)硬件從車間或真實(shí)產(chǎn)品中獲得，另一部分則從企業(yè)資源規(guī)劃、供應(yīng)鏈管理、協(xié)同制造管理和客戶關(guān)系管理等制造鏈系統(tǒng)來(lái)獲取。數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展方向同樣也是基于數(shù)據(jù)收集、篩選和運(yùn)用等方面來(lái)進(jìn)行，主要集中于以下幾個(gè)方面[11-12]：

1）不同數(shù)據(jù)來(lái)源之間的數(shù)據(jù)同步；

2）數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)分析性，與云端傳輸?shù)牡脱舆t性；

3）數(shù)據(jù)的安全和隱私；

4）數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕瑴p少數(shù)據(jù)丟包率；

5）數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湍芎模?/p>

6）不同智能對(duì)象之間的互連性與數(shù)據(jù)共融性。

預(yù)計(jì)5G、6G 等先進(jìn)通信技術(shù)將滿足制造領(lǐng)域的許多要求。5G 可提供超高速、高可靠性、低能耗和高安全性的通信和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。此外，采用區(qū)塊鏈技術(shù)和微云作為補(bǔ)充工具，將進(jìn)一步增強(qiáng)智能數(shù)據(jù)的互聯(lián)需求[13]。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)是對(duì)真實(shí)物理實(shí)體的虛擬映射與數(shù)字化信息的應(yīng)用再造，在容錯(cuò)能力較低的航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵系統(tǒng)中，數(shù)字孿生技術(shù)因其高效率、高可靠性、低成本等優(yōu)勢(shì)，在眾多新興技術(shù)中脫穎而出，并得到了廣泛應(yīng)用。隨著數(shù)字化技術(shù)在航空航天制造行業(yè)的重要性日漸凸顯，預(yù)計(jì)近幾年數(shù)字孿生技術(shù)將成為新一代信息技術(shù)的主要發(fā)展方向，并成為技術(shù)性投資的主要目標(biāo)。