數(shù)字孿生在制造中的應(yīng)用進(jìn)展綜述

1、 數(shù)字孿生在制造中的應(yīng)用進(jìn)展綜述 導(dǎo)語為了全面了解數(shù)字孿生研究進(jìn)展，本文梳理了數(shù)字孿生的基本概念，綜述了其在航空航天、產(chǎn)品、制造設(shè)備及制造車間等階段的應(yīng)用進(jìn)展，重點(diǎn)分析了數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、CPS之間的聯(lián)系與區(qū)別，最后指出了數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞: 數(shù)字孿生；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；信息物理系統(tǒng)隨著信息技術(shù)與通信技術(shù)的快速發(fā)展，歐美各國(guó)推出以“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和“工業(yè)4.0”為核心的制造業(yè)升級(jí)計(jì)劃，我國(guó)也在2015年提出了“中國(guó)制2025”發(fā)展戰(zhàn)略，并將智能制造作為“中國(guó)制造2025”的主攻方向1-2。為解決制造業(yè)向智能制造發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題，例如通訊、計(jì)算、數(shù)據(jù)采集與分析等問題，學(xué)術(shù)

2、界圍繞物聯(lián)網(wǎng)(Internetofthings，IoT)、大數(shù)據(jù)(Bigdata)和信息物理系統(tǒng)(Cyber physical systems，CPS)等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域開展了大量的研究工作。數(shù)字孿生也越來越多的被學(xué)者和工業(yè)企業(yè)所研究與運(yùn)用3-5，數(shù)字孿生是物理實(shí)體的數(shù)字化描述，它的出現(xiàn)使得企業(yè)可以對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。近年來數(shù)字孿生的概念和應(yīng)用已經(jīng)逐漸在智能設(shè)備和智能工廠中得到體現(xiàn)，同時(shí)Gartner公司也201年起連續(xù)三年將數(shù)字孿生技術(shù)列為十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)。本文中將圍繞數(shù)字孿生概念、研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)綜述，隨后將數(shù)字孿生與其緊密相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、CPS技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，最后指出

3、數(shù)字孿生技術(shù)在制造領(lǐng)域的研究與應(yīng)用趨勢(shì)。01數(shù)字孿生技術(shù)1數(shù)字孿生技術(shù)1.1數(shù)字孿生的背景數(shù)字孿生最早可以追溯到2003年密歇根大學(xué)MichaelGrieves教授的產(chǎn)品全生命周期管理(Productlifecyclemanagement，PLM)課程中5，初期的數(shù)字孿生包含三個(gè)部分：真實(shí)空間虛擬空間以及兩者的數(shù)據(jù)流連接，如圖1所示。圖1數(shù)字孿生的構(gòu)成5但當(dāng)時(shí)并未將此概念稱為數(shù)字孿生，MichaelGrieves在20032005年將這一概念模型稱為“鏡像空間模型”(Mirrored space dmodel)，在20062010年將其稱為“信息鏡像模型”(Information Mirror

4、ing model)3-4。2011年，Michael Grieves與美國(guó)宇航局JohnVickers合著的幾乎完美：通過PLM推動(dòng)創(chuàng)新和精益產(chǎn)品一書中正式將其命名為數(shù)字孿生6。美國(guó)宇航局為了解決飛行器開發(fā)過程中的潛在問題，開發(fā)了飛行器的硬件數(shù)字孿生體“鐵鳥”（飛控液壓系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架）作為飛行器的物理模型。隨著模擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，美國(guó)宇航局對(duì)“鐵鳥”進(jìn)行了全面的數(shù)字化，工程師可以利用虛擬模型對(duì)過去所發(fā)生的事件進(jìn)行分析或在飛行器建造前進(jìn)行必要的測(cè)試7-9。1.2數(shù)字孿生的定義自John Vickers與Michael Grieves提出數(shù)字孿生以來，學(xué)術(shù)界從產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造到全生命周期管理等

5、角度對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了定義，但由于制造系統(tǒng)涉及物理對(duì)象的多樣性，因此很難給出數(shù)字孿生的具體定義。對(duì)于不同的物理對(duì)象，例如工件制造設(shè)備工廠和員工，需要匹配不同的數(shù)字孿生模型，以配合特定的結(jié)構(gòu)、功能需求和建模策略。表1展示了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生的相關(guān)定義。表1學(xué)術(shù)工業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生的定義02數(shù)字孿生技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀2數(shù)字孿生技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀基于Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生的相關(guān)研究在近年呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，如圖2所示。數(shù)字孿生的應(yīng)用探索首先出現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域，其重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)力學(xué)10、材料科學(xué)14和對(duì)飛行器的長(zhǎng)時(shí)間性能預(yù)測(cè)15。隨著工業(yè)4.0、智能制造等研究的深入，數(shù)字孿生的

6、應(yīng)用探索逐漸向產(chǎn)品、制造設(shè)備和制造車間轉(zhuǎn)移。圖220132018年數(shù)字孿生文獻(xiàn)數(shù)量表2總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者從2011年至今數(shù)字孿生在飛行器、產(chǎn)品、制造設(shè)備和制造車間的相關(guān)研究情況。陶飛團(tuán)隊(duì)將數(shù)字孿生劃分三個(gè)階段16，從2003年Grieves提出數(shù)字孿生的模糊概念開始到2011年是數(shù)字孿生的形成階段；從2012年NASA給出數(shù)字孿生的定義到2014年第一份數(shù)字孿生白皮書正式發(fā)表是數(shù)字孿生的孵化階段；2014年至今是數(shù)字孿生的發(fā)展階段。表2 國(guó)內(nèi)外數(shù)字孿生研究情況2.1數(shù)字孿生在飛行器中的應(yīng)用2011年美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的EricJ.Tuegel等10利用超高保真的飛機(jī)數(shù)字孿生模型，根據(jù)飛行條件將飛機(jī)結(jié)

7、構(gòu)變形和溫度變化結(jié)合，在虛擬模型中模擬對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成的局部損傷和組織變化，以保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性并對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。Hochhalter等17和Tuegel等18分別采用數(shù)字孿生與感官粒子技術(shù)（Sensory particles technology）結(jié)合和基于數(shù)字孿生的機(jī)體分析，實(shí)現(xiàn)了飛行器的實(shí)時(shí)檢測(cè)與維護(hù)，降低了飛行器的維護(hù)成本。Chen zhao Li等19利用動(dòng)態(tài)貝氏網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)出基于飛機(jī)的數(shù)字孿生模型，建立了一種通用的診斷和預(yù)測(cè)概率方法。孿生模型通過收集每架飛機(jī)的制造與材料特性、任務(wù)歷史等來對(duì)飛機(jī)的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，并以飛機(jī)機(jī)翼疲勞裂紋擴(kuò)展為例進(jìn)行了分析。由于航空航天工業(yè)始終保持

8、著相當(dāng)高的自動(dòng)化、數(shù)字化及仿真水平，因此數(shù)字孿生概念的產(chǎn)生和發(fā)展在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間都集中在航空航天領(lǐng)域，特別是利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)飛行器進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和健康管理。但隨著美國(guó)、歐盟、中國(guó)、日韓等世界主要國(guó)家和地區(qū)紛紛開始進(jìn)行以智能制造為核心的制造業(yè)升級(jí)，以及云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和傳感器等信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)的探索與研究逐漸向制造業(yè)深度推進(jìn)。2.2 數(shù)字孿生在產(chǎn)品制造中的應(yīng)用現(xiàn)今企業(yè)的生產(chǎn)模式逐漸由大批量制造向小批量、個(gè)性化制造轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制造已成為智能制造的重要標(biāo)志，而完成個(gè)性化制造的必要條件是實(shí)現(xiàn)制造產(chǎn)品的全面數(shù)字化。建立產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型能夠減少產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中消耗的時(shí)間

9、，滿足客戶定制的需要，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期管理以提高對(duì)市場(chǎng)需求的反應(yīng)速度。大多數(shù)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中由于設(shè)計(jì)者無法和客戶實(shí)現(xiàn)充分快捷的溝通，設(shè)計(jì)者很難全方位考慮產(chǎn)品概念、美學(xué)以及主要功能的相互協(xié)調(diào)。陶飛等20提出了一種基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式，其中包含概念設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)和虛擬驗(yàn)證，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造和服務(wù)更加高效、智能和可持續(xù)。Soderberg等21利用一種產(chǎn)品裝配過程的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從規(guī)模生產(chǎn)到個(gè)性化生產(chǎn)的快速轉(zhuǎn)變。Jumyung Um等22研究了基于CPS的通用數(shù)字孿生模型。利用這一模型可以允許產(chǎn)品數(shù)據(jù)在產(chǎn)品模擬、生產(chǎn)和制造階段進(jìn)行流通，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配和制造過程的可擴(kuò)展與高度模塊化。S

10、chleich Benjamin等23提出了關(guān)于物理產(chǎn)品的數(shù)字孿生綜合參考模型，該綜合模型具備重要的模型屬性，如可伸縮性、互操作性、可擴(kuò)展性和高保真度，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行組合分解轉(zhuǎn)換和評(píng)估。產(chǎn)品數(shù)字孿生模型是在虛擬空間中對(duì)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)映射，通過互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)獲取物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)24，以及產(chǎn)品全生命周期中產(chǎn)生的各種信息。這些數(shù)據(jù)與信息可以用來改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和功能，同時(shí)產(chǎn)品數(shù)字孿生模型可以對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行模擬，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)。2.3數(shù)字孿生在制造設(shè)備中的應(yīng)用制造設(shè)備是生產(chǎn)加工過程的基本單元，對(duì)制造設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化改造是發(fā)展智能制造的必經(jīng)之路。目前能夠

11、進(jìn)行數(shù)字孿生改造的設(shè)備集中在數(shù)字化程度高可以進(jìn)行全自動(dòng)或半自動(dòng)加工的設(shè)備。DebRoyT等25探討了一種基于數(shù)字孿生的增材制造技術(shù)，數(shù)字孿生模型允許將材料的微觀結(jié)構(gòu)變化、加熱和冷卻速率、凝固參數(shù)、殘余應(yīng)力和變形等物理參數(shù)集成到一個(gè)可跟蹤的數(shù)值框架中，以減少部件的缺陷與實(shí)驗(yàn)次數(shù)。CaiYi等26構(gòu)建了一種數(shù)控機(jī)床的數(shù)字孿生模型，將制造數(shù)據(jù)和感官數(shù)據(jù)集成進(jìn)孿生模型中，以提高物理機(jī)床的可靠性和加工能力。Bruno Scaglioni等27以Mandelli M5機(jī)床的數(shù)字孿生模型為研究點(diǎn)，探索了基于有限元分析的機(jī)床結(jié)構(gòu)件柔度切削過程模型傳動(dòng)鏈模型和控制系統(tǒng)模型。DaryaBotkina等28開發(fā)了切

12、削刀具的數(shù)字孿生模型，通過收集刀具的數(shù)據(jù)信息來對(duì)刀具切削過程不斷進(jìn)行優(yōu)化。LuoWeichao等29設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)設(shè)備上查看機(jī)床的三維模型和監(jiān)控機(jī)床的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為用戶提供機(jī)床加工過程的實(shí)時(shí)可視化。目前基于數(shù)字孿生的制造設(shè)備研究主要是對(duì)現(xiàn)有的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行數(shù)字孿生改造，從而使生產(chǎn)設(shè)備在故障預(yù)測(cè)和維護(hù)中比傳統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備擁有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。傳統(tǒng)制造設(shè)備大多基于經(jīng)驗(yàn)，基于幾何物理模型進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，但這些方法過于依賴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)偶發(fā)性不確定性事件響應(yīng)率低，而基于數(shù)字孿生的設(shè)備可以通過幾何物理行為和規(guī)則建模來評(píng)估設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。因此開發(fā)具有數(shù)字孿生功能的制造

13、設(shè)備，對(duì)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)實(shí)現(xiàn)智能制造具有巨大的推動(dòng)作用。2.4 數(shù)字孿生在制造車間中的應(yīng)用車間與生產(chǎn)線級(jí)的數(shù)字孿生系統(tǒng)已經(jīng)得到實(shí)際的探索與研究。自動(dòng)化流水線在生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流，創(chuàng)建一個(gè)關(guān)于制造車間的數(shù)字孿生對(duì)不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析，如物理尺寸制造信息操作數(shù)據(jù)和分析軟件的信息流等。如果運(yùn)用得當(dāng)，數(shù)字孿生模型可以非常精確地模擬實(shí)體制造及其運(yùn)作方式。值得注意的是在某些復(fù)雜制造方案中單一產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型并不適用，因此研究人員提出了過程數(shù)字孿生30這一概念，過程數(shù)字孿生是產(chǎn)品數(shù)字孿生的擴(kuò)展和更高層次。過程數(shù)字孿生除包含單一產(chǎn)品外，還包括整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境，并使用虛擬現(xiàn)實(shí)人工智能和高性能計(jì)算機(jī)

14、來優(yōu)化制造設(shè)備和整個(gè)生產(chǎn)過程。陶飛等31-32針對(duì)制造車間物理空間與虛擬空間的相互作用與融合，提出了數(shù)字孿生車間(DigitalTwinShopFloor，DTS)的概念，并將數(shù)字孿生車間分為實(shí)體車間虛擬車間車間服務(wù)系統(tǒng)和車間孿生數(shù)據(jù)四個(gè)部分，并提出了DTS的運(yùn)行機(jī)制和實(shí)現(xiàn)方法。ZhangHao等33提出了一種基于數(shù)字孿生的中空玻璃生產(chǎn)線快速個(gè)性化設(shè)計(jì)方法，利用數(shù)字孿生模型融合系統(tǒng)模型和分布式實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)，可以在生產(chǎn)前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)威的數(shù)字化設(shè)計(jì)。由于成本或系統(tǒng)復(fù)雜性等問題，全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或方法無法在中小制造企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但采集制造過程中的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)字孿生能否在制造企業(yè)中成功應(yīng)用具有重要

15、影響。中小企業(yè)由于在發(fā)展數(shù)字孿生方面的能力不足、發(fā)展優(yōu)勢(shì)尚不明顯，導(dǎo)致中小企業(yè)進(jìn)行數(shù)字孿生轉(zhuǎn)型升級(jí)積極性不足。為此Thomas H J等34建立了以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)工廠，滿足中小企業(yè)對(duì)以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的易用可擴(kuò)展面向服務(wù)的控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)需求。同時(shí)為將生產(chǎn)員工視為綜合控制系統(tǒng)的一部分，GraesslerIris等35開發(fā)出一種基于員工的數(shù)字孿生生產(chǎn)系統(tǒng)。除包含員工的技能與經(jīng)驗(yàn)外，還包括員工情緒性格等個(gè)性化屬性，使系統(tǒng)具備更好的開放性和更高的舒適性。03數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、CPS關(guān)系分析3 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、CPS關(guān)系分析工業(yè)4.0是由物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)和CPS等新一代信息技術(shù)推動(dòng)的下

16、一輪工業(yè)浪潮，數(shù)字孿生作為未來智能制造的戰(zhàn)略技術(shù)，能使企業(yè)具備實(shí)時(shí)洞察物理對(duì)象的能力。自數(shù)字孿生這一概念在航空航天工業(yè)正式提出和發(fā)展以來，數(shù)字孿生的概念隨著時(shí)間的推移在不斷的發(fā)生變化。一方面，有研究者認(rèn)為數(shù)字孿生是仿真技術(shù)的下一代趨勢(shì)36。另一方面，有部分研究者則認(rèn)為數(shù)字孿生代表了網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）發(fā)展的必要條件37。本節(jié)在系統(tǒng)研究和調(diào)研的基礎(chǔ)上，探討了數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)以及CPS之間的相互關(guān)系。3.1 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)近年來，隨著嵌入式傳感器低功耗無線通信技術(shù)和高效信號(hào)處理技術(shù)的蓬勃發(fā)展38-40，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了爆炸性的發(fā)展與壯大。在探討數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)的相互關(guān)系時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在數(shù)字

17、孿生的不同定義中都將數(shù)據(jù)連接作為數(shù)字孿生的核心要素之一。其原因是數(shù)字孿生虛擬模型需要實(shí)時(shí)更新物理實(shí)體的數(shù)字信息，處理后的信息也必須從虛擬模型傳輸?shù)轿锢韺?shí)體，以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬模型的雙向?qū)崟r(shí)映射。在數(shù)字孿生技術(shù)的基本應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)虛擬模型與物理實(shí)體全方位同步是基本目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上數(shù)字孿生才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和產(chǎn)品/設(shè)備優(yōu)化等更高層次的目標(biāo)。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有識(shí)別跟蹤設(shè)備與物理對(duì)象的能力，能夠提供設(shè)備的精確實(shí)時(shí)信息，降低通訊成本簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)流程提高信息準(zhǔn)確性和效率41-42。因此基于現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展數(shù)字孿生將是一個(gè)十分便利途徑。同時(shí)數(shù)字孿生虛擬模型需要實(shí)時(shí)更新物理實(shí)體的數(shù)字信息，由于虛擬模型對(duì)物理實(shí)體

18、的行為做出分析與反饋的速度與信息流傳輸?shù)乃俣让芮邢嚓P(guān)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以為數(shù)字孿生提供實(shí)時(shí)全面的數(shù)據(jù)采集以及虛擬模型和物理實(shí)體之間的有效互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)無線局域網(wǎng)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這些連接網(wǎng)絡(luò)有利于提高數(shù)字孿生實(shí)體模型與虛擬模型間的通信能力數(shù)據(jù)采集能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)之一，圖3展示了數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)之間的相互關(guān)系。此外，數(shù)字孿生技術(shù)還應(yīng)集成人工智能、大數(shù)據(jù)分析和大數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，為設(shè)備操作者和設(shè)備供應(yīng)商提供更具說明性和可靠性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與交互服務(wù)。圖3 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)在聯(lián)系3.2 數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC

19、）的報(bào)告，在2011年全世界創(chuàng)造和復(fù)制的數(shù)據(jù)量是1.8ZB(1021B)，并在過去五年中增漲了近9倍43-44。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到大數(shù)據(jù)的重要性不僅在于數(shù)據(jù)量的巨大，而且在于數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的巨大價(jià)值。大數(shù)據(jù)起源于數(shù)據(jù)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而數(shù)字孿生則是為了滿足物理空間與虛擬空間之間的互聯(lián)互通。大數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生產(chǎn)生的大背景是相同的，即新一代信息技術(shù)的應(yīng)用和普及。國(guó)內(nèi)北航陶飛團(tuán)隊(duì)45將數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)的背景概念有益作用等進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比。大量結(jié)構(gòu)化半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)46可以通過大數(shù)據(jù)分析識(shí)別行為特征和模式，洞察行為趨勢(shì)幫助用戶做出決策。如圖4所示，數(shù)據(jù)也是數(shù)字孿生的重要組成部分，數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用中

20、，每一階段都需要物理實(shí)體與虛擬模型的持續(xù)互動(dòng)和虛擬模型的迭代優(yōu)化，而這一過程的媒介就是各種各樣的數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生的有益效果是高度重疊的，如提高生產(chǎn)管理效率，預(yù)測(cè)產(chǎn)品設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)及壽命預(yù)測(cè)等。圖4 產(chǎn)品數(shù)字孿生需要收集處理與分析的數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合是產(chǎn)品生命周期中單個(gè)階段各種數(shù)據(jù)的融合，設(shè)計(jì)者制造者和維修人員不來自同一企業(yè)，因此某一階段的數(shù)據(jù)只能用于該階段。并且由于企業(yè)對(duì)自身利益和數(shù)據(jù)共享安全性的擔(dān)憂，使得大數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品全生命周期中數(shù)據(jù)的連續(xù)流動(dòng)。而數(shù)字孿生則可以收集記錄積累和處理從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到退役的所有數(shù)據(jù)，因此數(shù)字孿生不僅有利于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造使用和維修

21、保養(yǎng)，也有助于下一代產(chǎn)品的開發(fā)47。數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)的差異在于，數(shù)字孿生能夠在虛擬世界中直觀地運(yùn)行和驗(yàn)證制造過程，在人機(jī)交互與產(chǎn)品全生命周期管理上比大數(shù)據(jù)更靈活更全面，而大數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理和分析上比數(shù)字孿生更專業(yè)、高效。雖然大數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生是兩種不同的應(yīng)用技術(shù)，并各有其優(yōu)點(diǎn)。但將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于孿生數(shù)據(jù)的處理和分析則可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同促進(jìn)數(shù)字孿生系統(tǒng)向智能化發(fā)展。因此本文將大數(shù)據(jù)技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生智能化的關(guān)鍵技術(shù)。3.3 數(shù)字孿生與CPS在探討數(shù)字孿生和CPS的關(guān)系時(shí)，有必要對(duì)CPS做一個(gè)簡(jiǎn)短的概述。2006年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National science fo

22、undation，NSF）正式提出CPS的概念，2008年Shankar Sastry48給出了一個(gè)復(fù)雜的CPS定義，CPS集成了計(jì)算通信和存儲(chǔ)，可以監(jiān)控和控制物理實(shí)體，同時(shí)必須可靠、安全、高效、實(shí)時(shí)。在制造領(lǐng)域，CPS是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，它與云計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等技術(shù)有著密切關(guān)系。一個(gè)被學(xué)者所廣泛認(rèn)同的觀點(diǎn)是，CPS主要包括兩個(gè)組成部分:1）可靠的連接性，確保從物理世界獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和從網(wǎng)絡(luò)空間獲得信息反饋；2）以智能數(shù)據(jù)管理分析和計(jì)算為核心的網(wǎng)絡(luò)空間。CPS更加詳細(xì)的構(gòu)成則包括：智能連接數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)連接認(rèn)知與決策執(zhí)行49。首先物理對(duì)象數(shù)據(jù)通過傳感器進(jìn)行測(cè)量或從控制器和企業(yè)制造系統(tǒng)中直接獲

23、取;數(shù)據(jù)分析將已獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以理解和顯示的信息;網(wǎng)絡(luò)是CPS的信息中心，信息從單一信息匯聚成機(jī)器網(wǎng)絡(luò)；認(rèn)知與決策幫助用戶利用已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)對(duì)結(jié)果做出正確的處理；最后通過執(zhí)行層實(shí)現(xiàn)虛擬模型到物理實(shí)體的反饋并控制物理對(duì)象動(dòng)作。比較數(shù)字孿生與CPS的概念和定義時(shí)可以發(fā)現(xiàn)兩者都強(qiáng)調(diào)物理對(duì)象、虛擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及物理對(duì)象與虛擬系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，最終目標(biāo)都是對(duì)物理對(duì)象或過程進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)字孿生更專注于物理實(shí)體與虛擬模型的實(shí)時(shí)映射，而CPS則是針對(duì)整個(gè)制造系統(tǒng)包括產(chǎn)品、設(shè)備和車間等的信息收集處理和反饋控制。因此可以將數(shù)字孿生視為一種簡(jiǎn)化的CPS系統(tǒng)，圖5展示了數(shù)字孿生與CPS的層級(jí)關(guān)系，即CPS的基本構(gòu)

24、成中包含了數(shù)字孿生是數(shù)字孿生的更高層次。圖5 CPS的5C體系結(jié)構(gòu)與數(shù)字孿生數(shù)字孿生的發(fā)展需要經(jīng)歷同步、數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化三個(gè)階段。1）實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬模型的雙向?qū)崟r(shí)映射是數(shù)字孿生的基本目標(biāo)，這需要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從設(shè)備主控系統(tǒng)和與設(shè)備直接相連的傳感器中獲取數(shù)據(jù)和傳遞數(shù)據(jù)；2）獲取到物理實(shí)體和虛擬模型中的數(shù)據(jù)后，需要利用大數(shù)據(jù)處理方法來挖掘?qū)\生數(shù)據(jù)的隱藏信息或分析物理對(duì)象的演變過程。尤其當(dāng)數(shù)字孿生對(duì)象從單一設(shè)備跨越到整個(gè)生產(chǎn)車間或生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)，通過物聯(lián)網(wǎng)所獲取的數(shù)據(jù)將會(huì)是巨大和復(fù)雜的。因此利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析將會(huì)得到更全面和更具價(jià)值的信息；3）數(shù)字孿生對(duì)制造過程的優(yōu)化，展現(xiàn)了CPS

25、系統(tǒng)的部分目標(biāo)：即構(gòu)成一個(gè)綜合物理實(shí)體網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算的多維復(fù)雜系統(tǒng)，并對(duì)產(chǎn)品設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知?jiǎng)討B(tài)控制與服務(wù)優(yōu)化。如圖6所示，物聯(lián)網(wǎng)即是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，大數(shù)據(jù)作為一種數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)運(yùn)用在數(shù)字孿生和CPS系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)處理和分析，數(shù)字孿生則可以被視為是CPS系統(tǒng)的一部分。圖6 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和CPS系統(tǒng)的相互關(guān)系04數(shù)字孿生發(fā)展趨勢(shì)目前，數(shù)字孿生的研究與應(yīng)用處于初級(jí)階段，在工業(yè)應(yīng)用方面仍然存在許多研究挑戰(zhàn)，如建模技術(shù)數(shù)據(jù)分析信息安全和隱私保護(hù)等。數(shù)字孿生的發(fā)展離不開物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的支持，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的高速發(fā)展，構(gòu)建一

26、個(gè)高效健壯的數(shù)字孿生系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)將數(shù)字孿生與新一代信息技術(shù)進(jìn)行融合。分析當(dāng)前數(shù)字孿生的發(fā)展現(xiàn)狀，本文總結(jié)了數(shù)字孿生在技術(shù)層與應(yīng)用層的發(fā)展趨勢(shì)。4.1數(shù)字孿生在技術(shù)層面發(fā)展趨勢(shì)1）現(xiàn)有的建模與模擬技術(shù)無法兼容，也無法查看模型全生命周期的所有信息。目前缺乏一種專有格式將物理實(shí)體的工程數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行整合，因此怎樣構(gòu)建一個(gè)涵蓋產(chǎn)品全生命周期管理、制造系統(tǒng)執(zhí)行和車間運(yùn)營(yíng)管理的數(shù)字孿生模型將是一個(gè)重要的研究趨勢(shì)。2）可以預(yù)見未來的孿生數(shù)據(jù)將具有多格式、高重復(fù)性和海量等特征，怎樣將大數(shù)據(jù)分析融入到數(shù)字孿生模型中，避免生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的覆蓋，實(shí)現(xiàn)智能分析和預(yù)測(cè)。同時(shí)怎樣將不同部門，如機(jī)械設(shè)計(jì)電氣設(shè)計(jì)

27、氣動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制單元等不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)基于孿生模型的虛擬調(diào)試將是另一個(gè)研究趨勢(shì)。3）智能決策系統(tǒng)的構(gòu)建也將是一個(gè)研究趨勢(shì)。數(shù)字孿生應(yīng)當(dāng)是一個(gè)可以不斷積累設(shè)計(jì)和制造知識(shí)的系統(tǒng)，這些知識(shí)可以重復(fù)使用和不斷改進(jìn)。在虛擬模型與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果存在差異或物理實(shí)體與虛擬模型出現(xiàn)不同步時(shí)，決策系統(tǒng)需要根據(jù)已有的知識(shí)做出最優(yōu)的反饋控制。4）數(shù)字孿生系統(tǒng)的安全性也將是一個(gè)重要的研究趨勢(shì)。數(shù)字孿生擁有整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的所有核心數(shù)據(jù)，因此數(shù)字孿生系統(tǒng)或平臺(tái)極易被攻擊和竊取。典型的案例包括：2011年伊朗核設(shè)施遭到電腦病毒“震網(wǎng)”選擇性攻擊；2012年，Saudi Aramco石油和天然氣公司的3萬臺(tái)電腦被一種名為

28、Shamon的惡意軟件感染和損壞50。因此，有必要認(rèn)識(shí)到安全性不是數(shù)字孿生的一個(gè)附加功能，它必須從整個(gè)孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就得到很好的開發(fā)與整合。4.2 數(shù)字孿生在應(yīng)用層面發(fā)展趨勢(shì)1）在產(chǎn)品研發(fā)方向，如何利用數(shù)字孿生模型構(gòu)建新型仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品狀態(tài)信息與數(shù)字孿生模型同步更新，在產(chǎn)品開發(fā)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的缺陷，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化；2）在產(chǎn)品制造加工方向，如何構(gòu)建工廠級(jí)別的設(shè)備集群數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全加工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、過程優(yōu)化和遠(yuǎn)程控制；3）在產(chǎn)品運(yùn)維方向，如何應(yīng)用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品運(yùn)行維護(hù)，特別是機(jī)械系統(tǒng)的日常運(yùn)行維護(hù)，比如電梯系統(tǒng)汽車系統(tǒng)大型裝備等；4）同時(shí)應(yīng)該注意到在許多制造企業(yè)，

29、尤其是中小型制造企業(yè)并不具備完全數(shù)字化的能力，僅能對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化，如智能倉(cāng)庫(kù)或供應(yīng)鏈管理。因此如何將數(shù)字孿生在弱數(shù)字化企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用也將是一個(gè)重要的研究方向。參考文獻(xiàn)1周濟(jì).智能制造“中國(guó)制造2025”的主攻方向J.中國(guó)機(jī)械工程,2015,26(17):2273-2284ZhouJ.IntelligentmanufacturingmaindirectionofMadeinChina2025J.ChinaMechanicalEngineering,2015,26(17):2273-2284(inChinese)2唐堂,滕琳,吳杰,等.全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化是通向智能制造的必由之路解讀智能制造之路:數(shù)

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