數(shù)字孿生技術(shù)及其研究進展

王會霞
數(shù)字孿生技術(shù)是一種典型的新一代數(shù)字模型技術(shù)。它是傳統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)的延伸和發(fā)展,其它軟件/系統(tǒng)與其虛擬物直接交互,而不是實際對象,以改善實際對象的維護、升級、修復(fù)和操作。

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概念

數(shù)字孿生(Digital Twin)(又稱數(shù)字雙胞胎、數(shù)字化雙胞胎等)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型,借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為,通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,為物理實體增加或擴展新的能力。充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學科,數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期,實現(xiàn)物理世界和信息世界的互聯(lián)互通,提供更加實時、高效、智能的服務(wù)。2011年,美國空軍研究實驗室和NASA合作提出了構(gòu)建未來飛行器的數(shù)字孿生,并定義數(shù)字孿生為一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型,能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應(yīng)的實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢等。2015年NASA技術(shù)發(fā)展路線圖中把數(shù)字孿生技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一。2017年10月,Gartner公司公布了將在2018年對大部分企業(yè)機構(gòu)產(chǎn)生顯著影響的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢中數(shù)字孿生是其中之一,同時并列的還有人工智能基礎(chǔ)、沉浸式體驗、區(qū)塊鏈等。2018年、2019年Gartner公司都將其列入十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢。2019年、2020年數(shù)字孿生概念得到了認同和技術(shù)爆發(fā),越來越多的學者研究并利用數(shù)字孿生技術(shù)解決工程實際問題。

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內(nèi)涵

數(shù)字孿生技術(shù)是一種典型的新一代數(shù)字模型技術(shù)。它是傳統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)的延伸和發(fā)展,其它軟件/系統(tǒng)與其虛擬物直接交互,而不是實際對象,以改善實際對象的維護、升級、修復(fù)和操作。數(shù)字孿生的基本要素包括現(xiàn)實空間的實際產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品,連接虛擬空間和現(xiàn)實空間的數(shù)據(jù)和信息。關(guān)鍵技術(shù)包括:多域模型建模技術(shù)、高性能仿真技術(shù)、集成化與自適應(yīng)模型更新系統(tǒng)、快速方案決策技術(shù)、故障預(yù)測與診斷技術(shù)、在線仿真技術(shù)等。

圖1 數(shù)字孿生模型

數(shù)字孿生借力新一代信息技術(shù),實現(xiàn)物理世界和信息世界的互聯(lián)互通與智能化操作,是實現(xiàn)智能制造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的有效解決途徑。利用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等新一代信息與通信技術(shù),實時采集和處理生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)(儀器設(shè)備運行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)物流數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進度數(shù)據(jù)、生產(chǎn)人員數(shù)據(jù)等),并將這些過程數(shù)據(jù)與產(chǎn)品數(shù)字孿生體和生產(chǎn)線數(shù)字孿生體進行關(guān)聯(lián)映射和匹配,能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品制造過程和制造產(chǎn)品的在線精細化管控;同時結(jié)合人工智能學習算法,實現(xiàn)對生產(chǎn)線、制造單元、生產(chǎn)進度、物流、質(zhì)量等全流程全要素的實時動態(tài)優(yōu)化與調(diào)整。

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應(yīng)用

在產(chǎn)品設(shè)計方面,針對復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計,達索公司建立了基于數(shù)字孿生的3D體驗平臺,利用用戶交互反饋的信息不斷改進信息世界中的產(chǎn)品設(shè)計模型,并反饋到物理實體產(chǎn)品改進中。

在生產(chǎn)制造方面,西門子公司通過這項技術(shù)構(gòu)建了整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)模型,形成了基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術(shù)的企業(yè)鏡像,可以實現(xiàn)在虛擬的環(huán)境中精確模擬產(chǎn)品、環(huán)境、機器和人,能模擬出產(chǎn)品從構(gòu)思到實現(xiàn)再到應(yīng)用的整個流程中的物理特性及性能特征。該項技術(shù)幫助企業(yè)在實際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中仿真、優(yōu)化和測試,從而降低研發(fā)成本,提高研發(fā)效率,提升新產(chǎn)品的質(zhì)量。

在故障預(yù)測與健康管理方面,美國NASA將物理系統(tǒng)與其等效的虛擬系統(tǒng)相結(jié)合,研究了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜系統(tǒng)故障預(yù)測與消除方法,并應(yīng)用在飛機、飛行器、運載火箭等飛行系統(tǒng)的健康管理中。美國空軍研究實驗室結(jié)構(gòu)科學中心采用數(shù)字孿生技術(shù)建立了飛行模型,并將虛擬模型數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)相結(jié)合,從而做出更精確的壽命預(yù)測。數(shù)字孿生技術(shù)還被用于建立飛機結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型用于監(jiān)測飛機結(jié)構(gòu)的損傷以及多機器人的協(xié)同研究。

圖2 基于數(shù)字孿生的制造工廠

數(shù)字孿生技術(shù)概念提出的較早,近年來隨著信息技術(shù)的發(fā)展引起更多重視,越來越多的制造型企業(yè)將使用更成熟的數(shù)字孿生避免設(shè)備故障和運行設(shè)備維修計劃,優(yōu)化制造的工藝流程,提高對設(shè)備故障的預(yù)測和提高運營效率,增強對產(chǎn)品的開發(fā)和維護。

圖3 數(shù)字孿生在能源領(lǐng)域的應(yīng)用 圖4 數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域的應(yīng)用

參考文獻

[1] 陶飛等,數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索, 計算機集成制造系統(tǒng),2018年1月

[2] Michael Grieves,Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication

[3] David Kadle?ek ,Digital Twin,IBM Cognitive IoT

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