产品数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势（二）

发布时间：2017-06-02 作者：庄存波刘检华熊辉丁晓宇刘少丽瓮刚来源：计算机集成制造系统（CIMS）期刊

关键字：产品数字体系结构

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本文回顾了数字孪生体的产生背景，在此基础上提出了数字孪生技术的概念，然后对产品数字孪生体的内涵进行了系统阐述，建立了产品数字孪生体的体系结构，并给出了产品数字孪生体在产品设计阶段、制造阶段和服务阶段的实施途径，最后指出了产品数字孪生体的发展趋势。

7 产品数字孪生体的发展趋势

（1）拟实化——多物理建模

产品数字孪生体是物理产品在虚拟空间的真实反映，产品数字孪生体在工业领域应用的成功程度取决于产品数字孪生体的逼真程度，即拟实化程度。产品的每个物理特性都有其特定的模型，包括计算流体动力学模型、结构动力学模型、热力学模型、应力分析模型、疲劳损伤模型以及材料状态演化模型（如材料的刚度、强度、疲劳强度演化等）。如何将这些基于不同物理属性的模型关联在一起，是建立产品数字孪生体、继而充分发挥产品数字孪生体模拟、诊断、预测和控制作用的关键。基于多物理集成模型的仿真结果能够更加精确的反映和镜像物理产品在现实环境中的真实状态和行为，使得在虚拟环境中检测物理产品的功能和性能并最终替代物理样机成为可能，并且能够解决基于传统方法（每个物理特性所对应的模型是单独分析的，没有耦合在一起）预测产品健康状况和剩余寿命所存在的时序和几何尺度等问题。目前，美国空军研究实验室正试图构建一个集成了不同物理属性的机体数字孪生体，从而实现对机体寿命的精准预测。多物理建模将是提高产品数字孪生体拟实化程度、充分发挥数字孪生体作用的重要技术手段。

（2）全生命周期化——从产品设计和服务阶段向产品制造阶段延伸

现阶段，有关产品数字孪生体的研究主要侧重于产品设计或售后服务阶段，较少涉及产品制造阶段，例如NASA和美国空军研究实验室通过构建产品数字孪生体，在产品使用/服役过程中实现对潜在质量问题的准确预测，在产品出现质量问题时实现精准定位和快速追溯。未来，产品数字孪生体在产品制造阶段的研究与应用将会是一个热点。

例如，在产品制造阶段，将采集的制造过程数据与产品数字孪生体中对应的“单位模型”及“单位信息处理模型”关联，实现虚拟产品与物理产品的关联映射，形成的3D模型不仅能在屏幕上显示，而且可以从多个维度与物理产品进行互动，如高亮需要注意的异常点、自动完成实测数据和设计数据的比对、自动验证/分析后续操作的可行性等。这种虚拟产品和物理产品之间的实时互动将会在产品的制造阶段带来效率的提高和质量的提升。以导引头光学系统的精度分析为例，在导引头光学系统的生产过程中，一方面，检测系统将采集到的检测数据实时传递给虚拟空间中的产品数字孪生体，并基于产品数字孪生体实时展示实测数据及设计理论数据并进行直观比对。另一方面，基于实测数据计算和分析加工误差和装调误差，既可以通过调用产品数字孪生体内的工艺参数计算模块来确定工艺补偿量，并根据系统的稳定性和一致性要求对加工误差和装调误差进行实时补偿和控制，再根据工艺补偿确定整体系统补偿量，驱动执行机构发出指令，通过装配操作完成工艺补偿；也可以通过优化装配参数，基于现有实测数据，预测最终光学系统的光学性能和抗振动、温冲能力，并根据预测结果做出决策。

又如，基于物联网、工业互联网、移动互联等新一代信息与通信技术，实时采集和处理生产现场产生的过程数据（仪器设备运行数据、生产物流数据、生产进度数据、生产人员数据等），并将这些过程数据与产品数字孪生体和生产线数字孪生体进行关联映射和匹配，能够在线实现对产品制造过程的精细化管控（包括生产执行进度的管控、产品技术状态的管控、生产现场物流的管控以及产品质量的管控等）；同时结合智能云平台以及动态贝叶斯、神经网络等数据挖掘和机器学习算法，实现对生产线、制造单元、生产进度、物流、质量的实时动态优化与调整。

（3）集成化——与其它技术融合

数字纽带技术作为产品数字孪生体的使能技术，用于实现产品数字孪生体全生命周期各阶段模型和关键数据的双向交互，是实现单一产品数据源和产品全生命周期各阶段高效协同的基础。美国国防部将数字纽带技术作为数字制造最重要的基础技术，工业互联网联盟也将数字纽带作为工业互联网联盟需要着重解决的关键性技术。当前，产品设计、工艺设计、制造、检验、使用等各个环节之间仍然存在断点，并未完全实现数字量的连续流动；MBD技术的出现虽然加强和规范了基于产品三维模型的制造信息描述，但仍主要停留于产品设计阶段和工艺设计阶段，需要向产品制造/装配、检验、使用等阶段延伸。并且，现阶段的数字量流动是单向的，需要数字纽带技术实现双向流动。因此，融合数字纽带和数字孪生体是未来的发展趋势。

另外，与增强现实技术的融合也是产品数字孪生体的发展方向之一。增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。将增强现实技术引入产品的设计过程和生产过程，在实际场景的基础上融合一个全三维的浸入式虚拟场景平台，通过虚拟外设，开发人员、生产人员在虚拟场景中所看到的和所感知到的均与实体的物质世界完全同步，因此可以通过操作虚拟模型来影响物质世界，实现产品的设计、产品工艺流程的制定、产品生产过程的控制等操作。增强现实通过增强我们的见、声、闻、触和听，将打破人与虚拟世界的边界，加强人与虚拟世界的融合，进一步模糊真实世界与计算机所生成的虚拟世界的界限，使得人可以突破屏幕中的2D世界而直接通过虚拟世界来感官和影响实体世界，增强现实技术与产品数字孪生体的融合将是数字化设计与制造技术、建模与仿真技术、虚拟现实技术未来发展的重要方向之一，是更高层次的虚实融合。

8 结束语

数字孪生技术不仅仅是利用人类已有理论和知识建立虚拟模型，而且可利用虚拟模型的仿真技术探讨和预测未知世界，去发现和寻找更好的方法和途径、不断激发人类的创新思维、不断追求优化进步，因此，数字孪生技术给当前制造业的创新和发展提供了新的理念和工具。

数字孪生体的出现和发展为实现CPS提供了清晰的新思路、方法及实施途径，将对产品制造过程的智能化和产品本身的智能化有着巨大的推动作用。产品数字孪生体的建立，使得实体产品的加工/装配状态和运行状态能够实时、精确的反映在虚拟空间中，同时基于数字孪生体形成的优化决策信息，通过数字纽带技术传递到产品生产现场，实现了信息的双向流动，使得利用信息的反馈机制对产品制造进行精确控制成为可能。

未来的产品开发能否实现更个性、更快速、更灵活、更智能的目标，关键在于真实世界和虚拟世界的融合度。产品数字孪生体通过集成设计/仿真、生产制造及使用，能够实现产品业务流程全程可视化，规划细节，规避问题，闭合环路，优化整个系统。产品数字孪生体使得企业人员可以适应全新的工作方式，获得更高的灵活性，从而完成最艰巨的任务。最终，虚拟产品不仅在形状、特征（尺寸、公差等）上与实体产品完全相同，在内容（产品组成和物理特性）和性质（功能特性）上也与实体产品完全相同。产品数字孪生体的实现，为虚拟空间和实体空间深度融合、平行发展和平行控制提供了实施途径。在未来，在虚拟空间都将存在一个数字孪生体与实体空间里的实体完全一模一样，例如，物理工厂在虚拟空间有对应的工厂数字孪生体，物理车间在虚拟空间有对应的车间数字孪生体，物理生产线在虚拟空间有对应的生产线数字孪生体等。

目前产品数字孪生体的构建和应用还处于初级阶段，仍然有许多问题需要进一步的研究。同时，目前数字孪生体主要是应用在产品设计上，在生产系统和车间方面的应用较少报导，因此，探讨生产车间的数字孪生体构建理论和方法，并通过构建整合制造流程的数字孪生车间，真正实现从产品设计、生产计划到制造执行的全过程的数字化，会将产品创新、制造效率和有效性水平提升至一个新的高度。

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