在復(fù)雜環(huán)境中的工程產(chǎn)品族設(shè)計(jì)和優(yōu)化是當(dāng)今面向智能制造的工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要瓶頸。數(shù)字孿生（DT）作為網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）的核心部分，可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制、高保真度的仿真和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式來進(jìn)行決策，從而增強(qiáng)工程產(chǎn)品全生命周期管理。盡管許多研究已經(jīng)證明DT可以高度滿足行業(yè)需求，但少有具備情境感知的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)和優(yōu)化功能的研究，這可能導(dǎo)致很多企業(yè)對(duì)DT的使用持懷疑態(tài)度。為了填補(bǔ)這一空白，本研究開發(fā)了一種通用的DT架構(gòu)參考模型，以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)情境感知的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，并以一個(gè)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的產(chǎn)品族重新配置為特征的案例研究，證明了所開發(fā)的參考模型在情境感知中的決策輔助能力。作者希望這項(xiàng)研究，能夠?yàn)閷W(xué)術(shù)界和工業(yè)界在改善工程產(chǎn)品族管理流程上提供有價(jià)值的見解。
復(fù)雜的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)和優(yōu)化一直是當(dāng)今大規(guī)模定制范例中的主要挑戰(zhàn)。從現(xiàn)有文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的研究將產(chǎn)品族的設(shè)計(jì)和優(yōu)化視為工程生命周期中的兩個(gè)獨(dú)立問題。在設(shè)計(jì)過程初期就啟動(dòng)的常規(guī)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)方法具有現(xiàn)有的逐步映射過程，以得出最終的設(shè)計(jì)解決方案，但沒有任何現(xiàn)有的基準(zhǔn)測(cè)試工具或圖形信息以用戶友好和情境感知的方式協(xié)助設(shè)計(jì)人員 。盡管DT作為一種主流技術(shù)可以促進(jìn)PLM方面的發(fā)展，尤其是在設(shè)計(jì)和使用階段，但幾乎沒有以整體的方式對(duì)產(chǎn)品族的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行補(bǔ)充，并輔以真實(shí)案例的研究。
為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，本研究提出了幾種新穎的方法。首先通過參照和交互機(jī)制，利用環(huán)境信息來建立情境感知的DT系統(tǒng)，以加快設(shè)計(jì)過程。在設(shè)計(jì)階段，參照機(jī)制使設(shè)計(jì)人員能夠以用戶友好的方式更好地設(shè)計(jì)虛擬/數(shù)字模型，而交互機(jī)制則代表了更高級(jí)別的設(shè)計(jì)過程，其環(huán)境信息可幫助設(shè)計(jì)人員考慮產(chǎn)品/服務(wù)在生態(tài)系統(tǒng)的表現(xiàn)。通過基于項(xiàng)目約束（例如資源可用性，持續(xù)時(shí)間和成本）為產(chǎn)品族配置提供決策支持，這種方法減少了對(duì)第三方專家的依賴，而啟用3D的環(huán)境可以在充分的維度考量下有效地規(guī)劃產(chǎn)品族安裝。在使用階段，使用情境感知的DT系統(tǒng)有助于以更高的準(zhǔn)確性進(jìn)行產(chǎn)品族流的進(jìn)一步評(píng)估，從而生成可行的解決方案。這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的解決方案使操作員能夠預(yù)先計(jì)劃和可視化產(chǎn)品族運(yùn)營(yíng)，并糾正安全監(jiān)督措施，以防止發(fā)生事故。此外，這些屬性使DT驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品族能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中以最少的人工監(jiān)督來自動(dòng)執(zhí)行人力相關(guān)任務(wù)。
本文介紹了DT技術(shù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)及優(yōu)化通用體系結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)具有情境感知功能的系統(tǒng)構(gòu)建。該系統(tǒng)遵循 “數(shù)據(jù)-信息-知識(shí)-智慧（DIKW）”的方法，并闡述了DT增強(qiáng)的塔式起重機(jī)可視化設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用。通過集成數(shù)字化模型，表達(dá)模型和計(jì)算模型，通過分層方法確保了DT系統(tǒng)可以保持靈活性，并可進(jìn)行配置以滿足利益相關(guān)者的要求。利用知識(shí)圖來實(shí)現(xiàn)情境感知的生成，可以將DT系統(tǒng)復(fù)制并重新應(yīng)用于管理相關(guān)的項(xiàng)目，同時(shí)生成的知識(shí)可以為設(shè)計(jì)下一代產(chǎn)品提供了必要的信息。
圖1 基于產(chǎn)品族DT及環(huán)境DT的設(shè)計(jì)和優(yōu)化概念框架
圖2 DT增強(qiáng)的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)參照機(jī)制和交互機(jī)制
圖3 DT賦能的產(chǎn)品族自重構(gòu)和優(yōu)化再設(shè)計(jì)機(jī)制
圖4 DT三模型（數(shù)字、計(jì)算、表示）的構(gòu)建框架
圖5塔吊設(shè)備產(chǎn)品族數(shù)字化模型和環(huán)境數(shù)字化模型示例
圖6基于DT的塔吊設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)示例
