智能制造管理 課件 第十章 數(shù)字孿生與智能制造

第十章數(shù)字孿生與智能制造1數(shù)字孿生技術(shù)的概念與其理論發(fā)展2從智能制造發(fā)展看數(shù)字孿生3數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的條件與驅(qū)動數(shù)字孿生技術(shù)的概念與其理論發(fā)展大規(guī)模定制化生產(chǎn)、柔性制造、預(yù)測性維護(hù)都是工業(yè)4.0提出的新型智能制造的場景。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和基于模型的設(shè)計仿真的普及，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的新型制造形式正在呈現(xiàn)。其中一個趨勢就是數(shù)字孿生。數(shù)字孿生（DigitalTwin）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)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(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。作為一種充分利用模型數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實(shí)時、高效、智能的服務(wù)。數(shù)字孿生近期得到了廣泛和高度關(guān)注。全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner連續(xù)兩年將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。世界最大的武器生產(chǎn)商洛克希德馬丁公司2017年11月將數(shù)字孿生列為未來國防和航天工業(yè)6大頂尖技術(shù)之首;2017年12月8日中國科協(xié)智能制造學(xué)術(shù)聯(lián)合體在世界智能制造大會上將數(shù)字孿生列為世界智能制造十大科技進(jìn)展之一。10.1.1數(shù)字孿生定義數(shù)字孿生技術(shù)的概念與其理論發(fā)展數(shù)字孿生的概念最初由Grieves教授于2003年在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，并被定義為三維模型，包括實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者之間的連接，但由于當(dāng)時技術(shù)和認(rèn)知上的局限，數(shù)字孿生的概念并沒有得到重視。直到2011年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和NASA合作提出了構(gòu)建未來飛行器的數(shù)字孿生體，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(shí)體的功能、實(shí)時狀態(tài)及演變趨勢等，隨后數(shù)字孿生還應(yīng)包含專家知識以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)模擬，Rios等認(rèn)為數(shù)字孿生不僅面向飛行器等復(fù)雜產(chǎn)品，還應(yīng)面向更加廣泛通用的產(chǎn)品。在數(shù)字孿生概念不斷完善和發(fā)展過程中，學(xué)術(shù)界主要針對數(shù)字孿生的建模、信息物理融合、交互與協(xié)作及服務(wù)應(yīng)用等方面展開了相關(guān)研究。10.1.2數(shù)字孿生的發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)的概念與其理論發(fā)展10.1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用場景在建模方面當(dāng)前在數(shù)字孿生建模的框架和建模流程上已開展了一定研究，但還沒有一致的結(jié)論。在建模相關(guān)理論上，包括物理行為研究、無損材料測定技術(shù)、量化誤差與置信評估研究，已取得一定進(jìn)展，這些輔助技術(shù)將有助于模型參數(shù)的確定、行為約束的構(gòu)建以及模型精度的驗(yàn)證。在信息物理融合方面在數(shù)字孿生信息物理融合上，目前僅在數(shù)據(jù)融合方面的降維處理傳感器數(shù)據(jù)與制造數(shù)據(jù)集成融合上有初步研究，而針對數(shù)字孿生信息物理融合理論與技術(shù)的研究仍是空白。在交互與協(xié)同方面已經(jīng)開展的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時采集理論和人機(jī)交互的研究有助于實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界的交互與協(xié)同，但當(dāng)前幾乎沒有機(jī)器間以及服務(wù)間交互協(xié)同的相關(guān)研究。在服務(wù)應(yīng)用方面目前對數(shù)字孿生在疲勞損傷預(yù)測、結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測、實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)檢測、故障定位等方面的服務(wù)應(yīng)用已開展一定研究，而在實(shí)現(xiàn)服務(wù)融合協(xié)同上仍有很多問題有待研究解決。數(shù)字孿生技術(shù)的概念與其理論發(fā)展10.1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用場景盡管數(shù)字孿生的很多方面，例如，數(shù)字孿生建模、信息物理融合、交換與協(xié)同等方面有待系統(tǒng)深入地研究。但工業(yè)界已經(jīng)開始了初步的嘗試。主要為：（1）產(chǎn)品的數(shù)字孿生?；谀Ｐ偷漠a(chǎn)品參數(shù)、質(zhì)量測量參數(shù)定義，可以數(shù)字化三維展現(xiàn)產(chǎn)品的使用功能機(jī)理、部件的結(jié)構(gòu)和相互作用。（2）流程孿生。流程孿生的目的是模擬產(chǎn)品的可制造性和制造能力。通過流程孿生可以知道制造的節(jié)拍、瓶頸等。從智能制造發(fā)展看數(shù)字孿生10.2.1智能制造發(fā)展趨勢和重點(diǎn)數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化推進(jìn)智能制造范式演進(jìn)：數(shù)十年來，智能制造在實(shí)踐演化中形成了許多不同的范式，包括精益生產(chǎn)、柔性制造、并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、計算機(jī)集成制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造、智能化制造等，在指導(dǎo)制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型中發(fā)揮了積極作用。面對智能制造不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)、新理念、新模式，綜合已經(jīng)出現(xiàn)的智能制造相關(guān)范式，經(jīng)過總結(jié)歸納，可以綜合為三種基本范式，即數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。從智能制造發(fā)展看數(shù)字孿生10.2.1智能制造發(fā)展趨勢和重點(diǎn)柔性化生產(chǎn)需求激增促進(jìn)制造過程軟硬件深度協(xié)同：我國是制造業(yè)大國，但是面對國際上制造業(yè)“雙向回流”的局面，如何提升我國制造業(yè)柔性化水平，將決定我國本土保留中高端制造能力的多少。柔性化生產(chǎn)的發(fā)展，不僅僅需要企業(yè)在生產(chǎn)過程中更多使用智能制造裝備，更要通過快速換模、單件流等生產(chǎn)方式的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展推動智能制造系統(tǒng)集成高速興起：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是自動化與信息化深度融合的突破口，在工廠內(nèi)部主要實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)備與企業(yè)信息化管理系統(tǒng)的連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理；在工廠外部，則依托工業(yè)云平臺提供數(shù)據(jù)采集、云端分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的聯(lián)動協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系中各企業(yè)間的價值協(xié)同共贏。從智能制造發(fā)展看數(shù)字孿生10.2.2智能制造發(fā)展尚存在難以解決的問題國內(nèi)智能制造發(fā)展基礎(chǔ)參差不齊亟待強(qiáng)基固本國內(nèi)各區(qū)域、各產(chǎn)業(yè)之間發(fā)展水平參差不齊，以京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)為代表的發(fā)展先行區(qū)域，在個別產(chǎn)業(yè)方向、個別產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)已經(jīng)具備了國際先進(jìn)水平，但是在東北、西北、西南等地區(qū)，還存在諸多高耗能、高污染、低產(chǎn)出的落后生產(chǎn)方式，“一刀切”式地鼓勵企業(yè)瞄準(zhǔn)智能化進(jìn)行改造升級，難以有的放矢地深入展開，更可能出現(xiàn)違背工業(yè)發(fā)展規(guī)律的揠苗助長，逐步夯實(shí)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)，才是提升我國制造業(yè)綜合實(shí)力的主要方向。軟件硬件發(fā)展脫節(jié)導(dǎo)致智能化升級進(jìn)程緩慢智能制造發(fā)展的核心是新一代信息技術(shù)與先機(jī)制造技術(shù)的深度融合，因此搭建完整的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，普及MES、ERP、PLM等工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)軟件與設(shè)備更新同等重要，甚至在成本降低、流程縮短、效率提升等方面取得的效果較機(jī)器換人有過之而無不及。單獨(dú)更新硬件設(shè)備猶如四肢發(fā)達(dá)但是不受大腦控制，而單獨(dú)完善軟件系統(tǒng)則猶如高位截癱毫無行動力可言，因此軟件與硬件發(fā)展的脫節(jié)將極大阻礙智能化升級過程。智能化改造投入需求過高阻礙中小型企業(yè)發(fā)展如此動輒百萬、千萬甚至上億元的資金投入讓眾多企業(yè)望而卻步，而且受到建設(shè)周期、生產(chǎn)周期及資金回流周期的影響，企業(yè)難以在短時間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的大幅提升和投資資金的快速回籠，甚至?xí)霈F(xiàn)企業(yè)由于盲目重金布局設(shè)備更新而導(dǎo)致資金鏈緊張或斷裂，最終迫使企業(yè)倒閉的極端案例。從智能制造發(fā)展看數(shù)字孿生10.2.3數(shù)字孿生有望推動智能制造實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展兼顧數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化雙向賦能智造升級數(shù)字孿生（DigitalTwin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生的兩大基礎(chǔ)要素便是數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化，即通過智能傳感器的數(shù)據(jù)捕捉以及現(xiàn)有的工業(yè)原理，將人、機(jī)器的物理動作轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可接收、可編輯、可分析的數(shù)字信號，同時將所有數(shù)據(jù)捕獲終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化鏈接，從而實(shí)現(xiàn)虛擬空間中各層線路、各臺設(shè)備的有機(jī)整合，使得物理空間中的所有信息都能夠有效地反饋在虛擬數(shù)字空間中，完成完整的映射過程。有效連接實(shí)體生產(chǎn)車間與數(shù)字虛擬空間數(shù)字孿生的核心是使數(shù)字虛體空間中的虛擬事物與物理實(shí)體空間中的實(shí)體事物之間具有可以聯(lián)接通道、可以相互傳輸數(shù)據(jù)和指令的交互關(guān)系。數(shù)字孿生技術(shù)能夠有效地將物理空間實(shí)體與虛擬數(shù)字模型進(jìn)行協(xié)同，這種連接不是簡單的信息拷貝和流程形態(tài)的簡單呈現(xiàn)，而是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)和信息，在數(shù)字虛擬空間進(jìn)行未來工作流程的演繹和模擬，通過數(shù)字模擬先行的方式提前預(yù)知可能出現(xiàn)的技術(shù)漏洞、工藝瑕疵和質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)“先預(yù)防”模式對于打破實(shí)體生產(chǎn)過程中“后維修”模式的升級。投入低、見效快有助于技術(shù)快速普及由于數(shù)字孿生并不是一個極度復(fù)雜并且系統(tǒng)龐大的技術(shù)，既不會因?yàn)槁L的設(shè)計過程而導(dǎo)致過多的資金投入從而影響企業(yè)現(xiàn)實(shí)收益，也不會因?yàn)槌霈F(xiàn)技術(shù)問題而導(dǎo)致生產(chǎn)線大面積停產(chǎn)，為企業(yè)帶來不可估量的損失。從智能制造發(fā)展看數(shù)字孿生10.2.4數(shù)字孿生未來主要發(fā)展方向離散型制造仍是主要方向：由于數(shù)字孿生技術(shù)能夠在數(shù)字虛擬空間中對于制造流程的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)模擬、任意整合，使得以汽車、電子制造、機(jī)械制造為代表的離散型制造與數(shù)字孿生技術(shù)匹配度極高。同時，成熟度越高的產(chǎn)業(yè)越能夠有效地總結(jié)出通用型生產(chǎn)流程和工藝原理，為實(shí)體制造過程虛擬數(shù)字化提供更加便利的條件。因此，目前國內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)均主要應(yīng)用于汽車制造、電子制造、機(jī)械制造等產(chǎn)業(yè)方向，代表企業(yè)包括西門子、GE、吉利等，而在未來，隨著AI算法的不斷提升，數(shù)字孿生可應(yīng)用的領(lǐng)域也將迅速擴(kuò)大，并最終實(shí)現(xiàn)智慧城市等超復(fù)雜架構(gòu)的完美映射。由設(shè)備工序數(shù)字化向流程系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展：現(xiàn)階段數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用在智能工廠這一制造業(yè)場景中，專注于實(shí)體設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)字虛擬化，而隨著大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生將逐步由設(shè)備工序數(shù)字化向流程系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展，即通過反復(fù)的模擬計算，自主生成數(shù)據(jù)資源庫，并利用深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生對于實(shí)體流程的自適應(yīng)、自決策，從而在生產(chǎn)需求、業(yè)務(wù)場景發(fā)展新變化時，生