引言

　　1.什么是數(shù)字孿生

　　數(shù)字孿生以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則，是解決智慧工廠信息物理融合難題，踐行智能制造理念與目標(biāo)的關(guān)鍵使能技術(shù)。數(shù)字孿生的概念最初于2003年由Grieves教授在美國密歇根大學(xué)產(chǎn)品生命周期管理課程上提出，早期主要被應(yīng)用在軍工及航空航天領(lǐng)域。如美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國國家航空航天局(NASA)基于數(shù)字孿生開展了飛行器健康管控應(yīng)用，美國洛克希德•馬丁公司將數(shù)字孿生引入到F-35戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)過程中，用于改進(jìn)工藝流程，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。由于數(shù)字孿生具備虛實(shí)融合與實(shí)時(shí)交互、迭代運(yùn)行與優(yōu)化、以及全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，目前已被應(yīng)用到產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)與運(yùn)維等。

　　2.數(shù)字孿生企業(yè)案例背景

　　我公司的業(yè)務(wù)是典型的離散制造業(yè)，可以通過數(shù)字孿生技術(shù)為企業(yè)搭建智能制造的部署、運(yùn)營、服務(wù)、安全的完整體系，促進(jìn)信息邏輯和工業(yè)邏輯相融合，用數(shù)字孿生讓真實(shí)工廠映射到數(shù)字世界，匯聚分散在各封閉組織內(nèi)的數(shù)據(jù)，從工業(yè)大數(shù)據(jù)中發(fā)掘工業(yè)機(jī)理和規(guī)律，從而以虛實(shí)之間有效協(xié)同縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化重構(gòu)生產(chǎn)制造流程，提升設(shè)備維護(hù)效率，加快組織內(nèi)外協(xié)同合作，帶來生產(chǎn)力的變革，觸發(fā)新型設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù)模式的演進(jìn)。具體的應(yīng)用場景分述如下。基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真通過全生命周期的虛實(shí)融合，以及超高擬實(shí)度的虛擬仿真模型建立等方法，全面提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

　　1.面向數(shù)字孿生的起落架生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)與仿真

　　以多源CAD(ComputerAidedDesign,CAD)模型為數(shù)字孿生模型(DigitalTwin,DT)數(shù)據(jù)源，基于設(shè)計(jì)任務(wù)分配功能實(shí)現(xiàn)智能協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)起落架生產(chǎn)線物理與實(shí)物模型的信息實(shí)時(shí)交互與可視化。

　　2.起落架生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)與仿真的工藝知識(shí)庫

　　構(gòu)建起落架生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)與仿真的工藝知識(shí)庫，包括實(shí)時(shí)工藝修正與優(yōu)化、工藝過程優(yōu)化、工藝知識(shí)提煉與總結(jié)、沉浸式工藝設(shè)計(jì)與仿真，全面有效地挖掘和總結(jié)工藝“設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)”和“設(shè)計(jì)知識(shí)”，結(jié)合產(chǎn)品運(yùn)維階段的質(zhì)量狀況、使用狀況、技術(shù)狀態(tài)等，從產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的角度對產(chǎn)品研制階段采用的工藝方法進(jìn)行評價(jià)和比較。

　　3.基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)

　　虛擬樣機(jī)是建立在數(shù)字世界的、可反映物理樣機(jī)真實(shí)性的數(shù)字模型，通過多領(lǐng)域的綜合仿真和設(shè)備的性能衰減仿真，在物理樣機(jī)制造之前對裝備的性能進(jìn)行測試和評估，改進(jìn)其設(shè)計(jì)缺陷，可以縮短其設(shè)計(jì)改進(jìn)周期。基于系統(tǒng)級數(shù)字孿生的生產(chǎn)線生產(chǎn)過程建模與控制通過生產(chǎn)線的數(shù)字孿生融合生產(chǎn)核心智能裝備(設(shè)備層)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES和企業(yè)資源計(jì)劃ERP(系統(tǒng)層)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化與信息化的緊密集合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化分析和管控。

　　1.基于數(shù)字孿生的車間生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化

　　通過數(shù)字孿生的虛實(shí)映射和交互融合，實(shí)時(shí)獲取制造裝備狀態(tài)、生產(chǎn)過程進(jìn)度以及質(zhì)量參數(shù)控制的第一手信息，傳遞給管控層，實(shí)現(xiàn)車間制造透明化;支持向現(xiàn)場工業(yè)計(jì)算機(jī)、智能終端及制造設(shè)備下發(fā)過程控制指令，正確、及時(shí)地傳遞設(shè)計(jì)及工藝意圖。

　　2.基于數(shù)字孿生的設(shè)備故障診斷與遠(yuǎn)程運(yùn)維

　　在孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，基于物理設(shè)備與虛擬設(shè)備的同步映射與實(shí)時(shí)交互以及精準(zhǔn)的設(shè)備故障診斷服務(wù)，實(shí)現(xiàn)快速捕捉故障現(xiàn)象，準(zhǔn)確定位故障原因，合理設(shè)計(jì)并驗(yàn)證維修策略。

　　3.基于數(shù)字孿生的車間裝備虛擬調(diào)試

　　通過各模型軟件的應(yīng)用程序接口(ApplicationProgrammingInterface,API)可以將設(shè)備模型與仿真系統(tǒng)進(jìn)行集成，將設(shè)備的PLC系統(tǒng)與設(shè)備的模型進(jìn)行集成。在仿真系統(tǒng)中對模型進(jìn)行編程，根據(jù)實(shí)際需求將邏輯指令寫入到仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)虛擬模型的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。再通過OPC技術(shù)，將虛擬模型的運(yùn)動(dòng)邏輯傳遞到PLC中，通過設(shè)備模型的運(yùn)動(dòng)結(jié)果判斷運(yùn)動(dòng)邏輯指令正確與否。

　　4.基于數(shù)字孿生的車間人機(jī)交互

　　構(gòu)建與實(shí)際物理車間完全映射的數(shù)字孿生虛擬車間，通過工業(yè)級通信技術(shù)識(shí)別操作人員下達(dá)的指令，機(jī)器能夠迅速調(diào)整工作計(jì)劃，以做出能夠配合工人生產(chǎn)作業(yè)的動(dòng)作，并實(shí)時(shí)更新虛擬車間的制造進(jìn)程。

　　5.基于數(shù)字孿生的測試/檢測

　　在數(shù)字孿生的虛擬空間中構(gòu)建高保真度的測試系統(tǒng)及被測對象虛擬模型，借助測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、測試指令傳輸執(zhí)行技術(shù)，在歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)物理被測對象和虛擬被測對象的多學(xué)科/多尺度/多物理屬性的高逼真度仿真與交互，從而直觀、全面地反映生產(chǎn)過程全生命周期狀態(tài)，有效支撐基于數(shù)據(jù)和知識(shí)的科學(xué)決策。

　　基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)(Productservicesystem，PSS)是在數(shù)字孿生的支撐下，通過不同“物理產(chǎn)品和/或服務(wù)”組合的智能分析決策、快速個(gè)性化產(chǎn)品服務(wù)配置和服務(wù)過程體驗(yàn)與快速供給等，借助要素間的虛實(shí)同步，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置與融合。

　　建立基于數(shù)字孿生模型的PSS，充分利用數(shù)字化與信息化系統(tǒng)，有效支持復(fù)雜產(chǎn)品與服務(wù)生命周期的智能決策提供、快速供給、智能服務(wù)、價(jià)值與環(huán)境分析等。基于數(shù)字孿生的PSS使服務(wù)管理呈現(xiàn)出新的轉(zhuǎn)變，即響應(yīng)方式由客戶響應(yīng)向服務(wù)商主動(dòng)服務(wù)轉(zhuǎn)變;服務(wù)配置與價(jià)值分析方式由人為主觀配置與評估向?qū)崟r(shí)精確配置與評估轉(zhuǎn)變;服務(wù)理念由為自己創(chuàng)造價(jià)值轉(zhuǎn)變?yōu)榕c客戶一起共同創(chuàng)造價(jià)值轉(zhuǎn)變;過程管理由傳統(tǒng)服務(wù)管理模式向?qū)崟r(shí)化、遠(yuǎn)程化、集成化的生命周期管理轉(zhuǎn)變。

　　數(shù)字孿生工廠的技術(shù)架構(gòu)研究深圳華龍訊達(dá)信息技術(shù)股份有限公司是國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的數(shù)字孿生技術(shù)廠商，其數(shù)字孿生技術(shù)被推薦參加國家改革開放四十周年大型展覽。經(jīng)過與華龍訊達(dá)的技術(shù)研討，要建設(shè)數(shù)字孿生工廠，必須攻克三個(gè)方面的技術(shù)難關(guān)：一是以虛擬仿真引擎、數(shù)字孿生工具集、模型仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、產(chǎn)線工藝與孿生對象數(shù)據(jù)雙向同步與控制、高性能感知接入等產(chǎn)品特性，打造全流程、全要素、全鏈條、全生態(tài)的生產(chǎn)線管控?cái)?shù)字化孿生系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用;二是突破基于數(shù)字孿生的工廠線數(shù)字孿生系統(tǒng)時(shí)變動(dòng)態(tài)多維模型構(gòu)建、生產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)多時(shí)空尺度模型融合與計(jì)算求解技術(shù)、動(dòng)態(tài)生產(chǎn)任務(wù)的自組織生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)字化孿生系統(tǒng)原型開發(fā)等技術(shù)，形成云化、高性能、多組織、多線程、易擴(kuò)展、移動(dòng)化、跨平臺(tái)的先進(jìn)技術(shù)架構(gòu);三是以微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)封裝模塊構(gòu)成的工具集，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)系統(tǒng)的集成，助力企業(yè)形成閉環(huán)賦能體系。

　　數(shù)字孿生工廠的整體技術(shù)架構(gòu)從下至上分為物理實(shí)體層、物理虛擬映射層、資源虛擬化層、匯聚層、基礎(chǔ)服務(wù)層、多維虛擬模型層數(shù)字孿生應(yīng)用層共7層構(gòu)成。(1)物理實(shí)體層：為平臺(tái)提供最原始的物理實(shí)體數(shù)據(jù)。(2)物理虛擬映射層：提供終端邊緣計(jì)算能力，完成指令下發(fā)，達(dá)到控制實(shí)體設(shè)備的目的。(3)資源虛擬化層：為平臺(tái)部署提供基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)硬件資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度。(4)匯聚層：完成數(shù)據(jù)采集、集中儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)與物理虛擬映射層的互聯(lián)互通。

　　(5)基礎(chǔ)服務(wù)層：提供構(gòu)建系統(tǒng)的基礎(chǔ)工具，可幫助平臺(tái)和開發(fā)人員快速創(chuàng)建應(yīng)用程序。(6)多維度虛擬模型層：多維度虛擬模型分為數(shù)據(jù)多維度虛擬模型和數(shù)據(jù)孿生多維度虛擬模型。數(shù)據(jù)多維度虛擬模型是基礎(chǔ)，通過它可完成對數(shù)據(jù)孿生多維度虛擬模型的驅(qū)動(dòng)。(7)數(shù)字孿生應(yīng)用層：提供數(shù)字孿生產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)、工藝規(guī)劃、物流的精準(zhǔn)配送、車間裝備智能控制、人機(jī)交互、測試檢測、能耗管理、質(zhì)量分析與追溯、預(yù)測與健康管理等應(yīng)用功能服務(wù)模塊。

　　結(jié)束語——評估與展望

　　目前，我公司應(yīng)用華龍訊達(dá)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和木星工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，較好的解決了工業(yè)數(shù)據(jù)采集的難題。下一步，將與華龍訊達(dá)等技術(shù)廠商緊密合作，探索實(shí)現(xiàn)單元級、系統(tǒng)級和SoS(SystemofSystem)級數(shù)字孿生，努力提高全要素生產(chǎn)率，挖掘發(fā)展?jié)摿Γ�加快傳統(tǒng)制造轉(zhuǎn)型升級步伐，催生智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制、服務(wù)化延伸、數(shù)字化管理等新型制造模式，推動(dòng)起落架公司加快“智能+”進(jìn)程。

　　航天方向論文投稿刊物：《航天標(biāo)準(zhǔn)化》Aerospace Standardization(季刊)1983年創(chuàng)刊，貫徹技術(shù)民主與爭鳴的原則,開展標(biāo)準(zhǔn)化理論研究與標(biāo)準(zhǔn)化情報(bào)交流;促進(jìn)航天標(biāo)準(zhǔn)化事業(yè)的發(fā)展。以從事航天行業(yè)的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)和廣大的工程技術(shù)、科技管理和標(biāo)準(zhǔn)化專業(yè)人員為主要閱讀對象。