數(shù)字孿生模型在產(chǎn)品構(gòu)型管理中應(yīng)用探討

于 勇，范勝廷，彭關(guān)偉，戴 晟，趙 罡

（1. 北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2. 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065；）

基于模型定義MBD（Model Based Definition，MBD）技術(shù)是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進的數(shù)字化定義方法?；谀Ｐ投x的技術(shù)自波音787飛機首次引入并向其他行業(yè)進行推廣已經(jīng)日趨成熟，其效益已經(jīng)被國內(nèi)外知名公司和機構(gòu)反復(fù)驗證。目前國外相關(guān)研究的重點是實現(xiàn)面向產(chǎn)品生命周期全過程全要素的制造信息集成共享和協(xié)同環(huán)境，最終建立基于模型的企業(yè)MBE（Model Based Enterprise）。在此基礎(chǔ)上，美國開展了數(shù)字線DT（Digital Thread）技術(shù)研究，進而又提出了數(shù)字孿生DT（Digital Twin）的概念。數(shù)字孿生概念的產(chǎn)生和應(yīng)用是MBD技術(shù)的進一步發(fā)展，使數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)邁向了一個新的臺階，是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)[1-3]。目前，我國制造企業(yè)已經(jīng)較好地實現(xiàn)了二維研制模式下的產(chǎn)品構(gòu)型管理和控制過程，然而，隨著MBD技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用，如何實現(xiàn)全三維模式下的產(chǎn)品構(gòu)型管理又成為產(chǎn)品構(gòu)型管理領(lǐng)域中的新議題，數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用為全三維研制模式下產(chǎn)品構(gòu)型管理提供了一個可借鑒的技術(shù)方案。

數(shù)字線與數(shù)字孿生的概念與應(yīng)用

數(shù)字線最早是由洛克希德·馬丁公司提出的[1]，他們在生產(chǎn)F-35中將MBD數(shù)據(jù)直接輸入計算機數(shù)控機床加工成零件，或通過編程系統(tǒng)完成復(fù)合材料的敷設(shè)，并將這種新的工作模式稱之為“數(shù)字線”。“數(shù)字線”為F-35的3種構(gòu)型節(jié)省了6000套工裝，還省去了這些工裝的管理和與零件相互配置的時間，以及工裝的配送和向機床上裝夾所花費的時間。數(shù)字線產(chǎn)生的背景建立在“模型為中心”的基礎(chǔ)上，這里的模型是具備信息完整豐富、按照統(tǒng)一的開放標準建立的、規(guī)范的和語義化的數(shù)字化模型，并且可被機器（或系統(tǒng)）穩(wěn)定無歧義地讀取。在此基礎(chǔ)上，數(shù)字線集成并驅(qū)動現(xiàn)代化的產(chǎn)品設(shè)計、制造和保障流程，使各環(huán)節(jié)的模型都能夠及時進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的雙向同步和溝通。其原理如圖1所示?？梢钥吹剑谠O(shè)計與生產(chǎn)的過程中，仿真分析模型的參數(shù)傳遞給產(chǎn)品定義的全三維幾何模型和數(shù)字化生產(chǎn)線加工成真實的物理產(chǎn)品，然后通過在線的數(shù)字化檢測/測量系統(tǒng)反映到產(chǎn)品定義模型中，進而再反饋到仿真分析模型中，從而實現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)的雙向傳遞過程[4]。數(shù)字線的核心就是如何搭建一個涵蓋產(chǎn)品研制全過程的協(xié)同環(huán)境，使統(tǒng)一的模型在產(chǎn)品研制各個階段實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流動、重用和不斷豐富的過程。

數(shù)字孿生也被稱為數(shù)字鏡像、數(shù)字雙胞胎和數(shù)字化映射[5-6]。數(shù)字孿生是MBD技術(shù)的深入發(fā)展和應(yīng)用，其根源在于企業(yè)在實施基于模型的系統(tǒng)工程MBSE（Model Based System Engineering）過程中，產(chǎn)生了大量的基于物理的、數(shù)學(xué)的模型被忽視。由此，最早的數(shù)字孿生思想由密歇根大學(xué)的Michael Grieves命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后擴展為“數(shù)字孿生”的術(shù)語[7-9]。2012年NASA公布的技術(shù)路線圖中給出了數(shù)字孿生的概念描述[10]：數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應(yīng)物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。

隨后，美國國防將數(shù)字孿生應(yīng)用于航空航天飛行器的健康維護與保障中。其目的是在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。隨后數(shù)字孿生的概念被擴展到制造領(lǐng)域，美國國防采辦大學(xué)對數(shù)字孿生的定義是充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(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)實作產(chǎn)品的全生命周期過程。其中實作產(chǎn)品（As-built Product）模型的內(nèi)容可包括物理產(chǎn)品構(gòu)型、材料微觀結(jié)構(gòu)、瑕疵、制造異常等。圖2為飛機產(chǎn)品的數(shù)字孿生示例[11-12]。

圖1 數(shù)字線原理Fig.1 Principle of digital thread

圖2 數(shù)字孿生定義示例Fig.2 Example of digital twin difinition

表1 數(shù)字樣機與數(shù)字孿生區(qū)別

可以看到飛機的數(shù)字孿生模型與飛機物理產(chǎn)品建立了一對一的映射，不僅包括傳統(tǒng)的幾何模型，還包括材料屬性、生產(chǎn)、檢驗、力學(xué)分析、空氣動力、健康維護以及試飛等物理實現(xiàn)環(huán)節(jié)所反饋的一系列數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線建立的雙向通道向研制的上游和下游不斷反饋、解析和利用，從而形成了設(shè)計制造的智能閉環(huán)。也可以說數(shù)字孿生是虛擬制造和數(shù)字樣機技術(shù)的深入和拓展，從定義范圍來看，其不僅僅進行了產(chǎn)品的數(shù)字化定義，而是擴展了包含產(chǎn)品研制的所有實體裝備的數(shù)字化定義；從涉及范圍來看，其向后延拓至生產(chǎn)研制的終端——實作產(chǎn)品的數(shù)字化定義，兩者的定義和應(yīng)用目標如表1所示。

由此可以看到，數(shù)字孿生的核心問題是如何定義包含產(chǎn)品研制全過程的全要素產(chǎn)品模型，如何為研制全過程提供數(shù)據(jù)準備或者反饋，從而實現(xiàn)“基于模型驅(qū)動”的產(chǎn)品研制模式。

全三維研制模式下產(chǎn)品構(gòu)型管理

構(gòu)型管理是一種面向產(chǎn)品全生命周期的，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為組織方式，將各階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來并對其進行管理和控制，從而保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)一致性和有效性的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)，有些行業(yè)也稱之為技術(shù)狀態(tài)管理和配置管理。構(gòu)型管理通過5個關(guān)鍵要素，即構(gòu)型管理計劃、構(gòu)型標識、構(gòu)型更改控制、構(gòu)型紀實、構(gòu)型審核和驗證，建立起一套科學(xué)的、可靠的產(chǎn)品質(zhì)量保障體系。總地來說，實施構(gòu)型管理的主要目的包括以下幾點：

（1）從宏觀上把握大型復(fù)雜產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)，建立產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)，并充分利用已有的設(shè)計成果，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期；

（2）協(xié)調(diào)更改，建立產(chǎn)品完整的更改歷史記錄，進行有效的版本管理和控制，維護產(chǎn)品數(shù)據(jù)的全部有用版本，確保在各個階段能夠獲得產(chǎn)品的完整的技術(shù)描述；

（3）控制、檢查、調(diào)整交付狀態(tài)構(gòu)型要求與真實生產(chǎn)后的構(gòu)型偏差，確保產(chǎn)品的性能、功能特性和物理特性與產(chǎn)品的需求、設(shè)計和使用信息之間的一致性。

目前來看，大多制造企業(yè)在實施構(gòu)型管理過程中，已經(jīng)改變了原來基于圖紙的構(gòu)型管理模式，逐步建立了基于零件或模塊的構(gòu)型管理模式，即通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并以之為主線建立產(chǎn)品各環(huán)節(jié)和各組成部分的關(guān)聯(lián)，進行產(chǎn)品的構(gòu)型管理和控制。但在構(gòu)型紀實、構(gòu)型驗證和審核驗證環(huán)節(jié)中，其本質(zhì)和還是沿用了傳統(tǒng)模式下的構(gòu)型管理機制，尤其是在物理構(gòu)型的審核環(huán)節(jié)，其分為功能構(gòu)型審核和物理構(gòu)型審核，功能構(gòu)型審核是檢查構(gòu)型項是否實現(xiàn)了需求定義的性能、功能和接口特性要求；物理構(gòu)型審核是檢查物理構(gòu)型項是否與圖紙或模型、技術(shù)規(guī)范、技術(shù)數(shù)據(jù)、質(zhì)保數(shù)據(jù)和試驗記錄等的一致性要求。其最終目的是為了保證最終的物理產(chǎn)品構(gòu)型與需求、設(shè)計、制造和交付整個生命周期的閉環(huán)?，F(xiàn)有的構(gòu)型管理方法往往是通過對研制過程中的文件、產(chǎn)品和記錄（包括構(gòu)型清單、規(guī)范、二維圖樣、三維模型、操作檢驗記錄等）的逐項檢查，以及對各種程序、流程和操作系統(tǒng)的評估，來檢驗產(chǎn)品的設(shè)計是否滿足性能和功能要求，以及產(chǎn)品的狀態(tài)是否已被準確地記錄在文件之中[13]?；谶@種工作模式，雖然有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)的輔助，技術(shù)人員和構(gòu)型審核人員也需要花費大量的時間聚焦在產(chǎn)品圖紙、產(chǎn)品模型和各種數(shù)據(jù)報表之間的比對和維護當(dāng)中，效率極低且容易出錯。

隨著全三維研制模式和智能制造技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用，對產(chǎn)品構(gòu)型管理提出了更高的要求：

（1）客戶個性化需求增強，產(chǎn)品的設(shè)計構(gòu)型多變，產(chǎn)品構(gòu)型管理過程需要動態(tài)響應(yīng)；

（2）智能化設(shè)備的大量采用，要求產(chǎn)品研制過程中構(gòu)型數(shù)據(jù)的快速收集、提取和實時反饋；

（3）產(chǎn)品研制的全生命周期過程中，產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)需要進行全面分析和維護，以改善設(shè)計和制造工藝過程，改善產(chǎn)品質(zhì)量。

顯然傳統(tǒng)的構(gòu)型管理方法已不能適應(yīng)當(dāng)前構(gòu)型管理的高效的動態(tài)響應(yīng)要求，因此需要一種高效可控的構(gòu)型數(shù)據(jù)管理和控制機制，來實現(xiàn)產(chǎn)品研制全生命周期過程中產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)的快速收集、提取和高效追溯。

基于數(shù)字孿生模型的產(chǎn)品構(gòu)型管理

數(shù)字孿生通過在虛擬空間中構(gòu)建真實物理世界中的產(chǎn)品模型，通過物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋，實現(xiàn)了閉環(huán)的研制過程。數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字化定義、數(shù)據(jù)檢測與采集、大數(shù)據(jù)分析、多物理場建模等諸多技術(shù)，其中最基礎(chǔ)也是關(guān)鍵的是如何構(gòu)建一個包含產(chǎn)品全生命周期全過程的全要素的產(chǎn)品模型，這個產(chǎn)品模型能夠?qū)崿F(xiàn)與物理真實世界的一一映射。這樣包含了產(chǎn)品物理研制全過程全要素的產(chǎn)品模型，則可以在產(chǎn)品構(gòu)型驗證和審核的過程中，建立與相關(guān)研制數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，省去了原來傳統(tǒng)構(gòu)型紀實和構(gòu)型驗證審核過程中人工進行模型和研制數(shù)據(jù)之間的對比工作，大大增加了審核效率和一致性判斷。同時，產(chǎn)品數(shù)字孿生模型中包含了產(chǎn)品的構(gòu)型狀態(tài)數(shù)據(jù)也為也為構(gòu)型更改控制過程中實現(xiàn)快速動態(tài)響應(yīng)，預(yù)見產(chǎn)品質(zhì)量和制造過程、推進設(shè)計和制造的高效協(xié)同、確保設(shè)計和制造的準確執(zhí)行提供了基礎(chǔ)?；诋a(chǎn)品數(shù)字孿生模型的產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)定義與反饋過程如圖3所示。構(gòu)型項在研制的全生命周期過程中，一般會經(jīng)歷設(shè)計、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)制造、檢驗檢測等全過程，相關(guān)的構(gòu)型數(shù)據(jù)會在產(chǎn)品不斷演變和向后拓延的過程中，不斷豐富和完善，相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計和研制數(shù)據(jù)與模型特征建立關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)模型驅(qū)動的產(chǎn)品研制過程。針對構(gòu)型管理過程中的構(gòu)型標識、構(gòu)型控制、構(gòu)型紀實、構(gòu)型審核與驗證而言，也恰恰實現(xiàn)了模型驅(qū)動的產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)的收集、采集和實時反饋的過程。

在基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)定義與反饋過程中，一個非常重要的關(guān)鍵技術(shù)就是需要實現(xiàn)基于語義的產(chǎn)品模型表達。所謂的本體是為了描述真實世界中客觀對象所隱含的語義信息而誕生的。W3C推薦采用OWL語言作為一種本體描述語言，其具有統(tǒng)一語法格式、明確語義。對于特定領(lǐng)域和應(yīng)用范圍，根據(jù)領(lǐng)域知識，利用OWL本體語言，可以定義OWL類及OWL屬性，實現(xiàn)領(lǐng)域本體構(gòu)建。在基于本體的產(chǎn)品數(shù)字孿生模型建模過程中，可以構(gòu)建以設(shè)計模型為父類，幾何特征和構(gòu)型數(shù)據(jù)為子類的組織形式，其中幾何特征子類用來描述模型的實體信息和尺寸與公差信息；構(gòu)型數(shù)據(jù)子類描述產(chǎn)品的構(gòu)型技術(shù)狀態(tài)信息。圖4為包含構(gòu)型數(shù)據(jù)的零件數(shù)字孿生模型的本體表達框架。

圖3 基于數(shù)字孿生模型的構(gòu)型數(shù)據(jù)定義與反饋過程Fig.3 Configuration data definition and feedback based on digital twin model

圖4 包含構(gòu)型數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生模型本體表達Fig.4 Digital twin ontological model with configuration data

幾何特征子類的本體表達抽取了5類常見特征作為研究對象，包括凸臺（Pad）、凹槽（Pocket）、旋轉(zhuǎn)體（Shaft）、加強筋（Stiffener）和孔（Hole），建立了基于草圖的特征本體分類及數(shù)據(jù)屬性。以“Hole”類為例，可將其分為簡單孔（Simple-Hole）與復(fù)雜孔（Complex-Hole）。對于“Simple-Hole”類，包括兩個屬性：

·孔深度（has-Holedepth）；

·孔直徑（has-Holediameter）。

對于“Complex-Hole”，以沉頭孔（Counterbored-Hole）為例，包括4個屬性：

·沉頭直徑（has-Boreddiameter）

·沉頭深度（has-Boreddepth）

·孔直徑（has-Holediameter ）

·孔深度（has-Holediameter）

構(gòu)型數(shù)據(jù)子類包括設(shè)計數(shù) 據(jù)（Design-Data）、制造數(shù)據(jù)（Manufacture-Data）和檢測數(shù)據(jù)（Inspection-Data）。以“Inspection-Data”的檢測反饋（Inspection-Spaceholder）子類為例，可包括3個屬性：

·內(nèi)容（has-Content）

·鏈接（has-URL）

·對象關(guān)聯(lián)（has-reliance）

其中內(nèi)容（has-Content）屬性用來描述檢測反饋的數(shù)據(jù)，鏈接（has-URL）用來描述檢測用到的外部鏈接；對象關(guān)聯(lián)（has-reliance）屬性用來描述特征與構(gòu)型反饋數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。由此，構(gòu)建的基于本體的產(chǎn)品數(shù)字孿生模型可以與相應(yīng)的構(gòu)型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)在一起，實際的物理產(chǎn)品研制過程中的相關(guān)技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)也可以與之建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而可以基于產(chǎn)品數(shù)字孿生模型實現(xiàn)構(gòu)型數(shù)據(jù)的紀實，進而實現(xiàn)全三維研制模式下模型驅(qū)動的構(gòu)型數(shù)據(jù)快速追溯和快速響應(yīng)。

結(jié)束語

全三維研制模式下對產(chǎn)品的構(gòu)型管理提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。產(chǎn)品數(shù)字孿生模型能持續(xù)積累產(chǎn)品設(shè)計、制造和檢驗全生命周期過程的相關(guān)數(shù)據(jù)和知識，并可以不斷地實現(xiàn)重用和改進，其通過動態(tài)感知、存儲和呈現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的構(gòu)型信息，從而可以實現(xiàn)產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)的管理、追蹤和一致性維護，實現(xiàn)產(chǎn)品構(gòu)型在全生命周期過程中的可視化和透明化。本文目前僅探索了一種包含產(chǎn)品構(gòu)型信息的產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的構(gòu)建框架和基于本體的表達方式，以期為全三維研制模式下的產(chǎn)品構(gòu)型管理提供一個可行的技術(shù)解決方案。隨著研究的逐步深入，基于產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的構(gòu)型管理方法不僅可以高效實時地記錄和反映產(chǎn)品的構(gòu)型狀態(tài)，而且可以基于反饋回的產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，從而改進產(chǎn)品研制流程，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。

參 考 文 獻

[1] LEE J, BAGHERI B, KAO H A.A cyber-physical systems architecture for industry 4.0-based manufacturing systems[J].Manufacturing Letters, 2015,3:18-23.

[2] PIASCIK B, VICKERS J, LOWRY D,et al. Technology area 12: materials, structures,mechanical systems, and manufacturing roadmap[M]. Washington: NASA Headquarters,2010.

[3] MINTCHELL G. GE, the digital thread, the digital twin, the digital company[EB/OL]. (2015-10-07)[2017-02-08]. http://themanufacturingconnection.com/2015/10/ge-the-digital-thread-the-digital-twin-thedigital-company/.[4] 工四100術(shù)語編寫組.數(shù)字主線（編號301）[EB/OL]. （2016-03-31）[2016-11-04]. http://www.360doc.com/conte nt/16/0331/22/22368478_546927596.shtml.

Editing Group for Terminology of Industry 4.0. Digital thread (NO.301) [EB/OL]. (2016-03-31)[2016-11-04]. http://www.360doc.com/conte nt/16/0331/22/22368478_546927596.shtml.

[5] Digital twin[EB/OL]. [2017-01-04].https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Twin.

[6] 工四100術(shù)語編寫組.數(shù)字孿生（編號308）[EB/OL]. （2016-03-31）[2016-11-04].http://www.hysim.cc/view.php?id=81.Editing Group for Terminology of Industry 4.0. Digital twin (NO.308) [EB/OL]. （2016-03-31）[2016-11-04]. http://www.hysim.cc/view.php?id=81.

[7] GRIEVES M. Product lifecycle management: the new paradigm for enterprises[J].International Journal of Product Development,2005, 2(1-2):71.

[8] GRIEVES M. Product lifecycle management - driving the next generation of lean thinking[M].New York:McGraw-Hill Companies,2006.

[9] GRIEVES M. Digital twin:manufacturing excellence through virtual factory replication[EB/OL]. [2017-03-06].http://innovate.fit.edu/plm/documents/doc_mgr/912/1411.0_Digital_Twin_White_Paper_Dr_Grieves.pdf.

[10] SHAFTO M, CONROY M, DOYLE R, Glaessgen E, et al. NASA technology roadmap:modeling, simulation, information technology &processing roadmap technology area 11[EB/OL].2012-04. https://www.nasa.gov/pdf/501321main_TA11-ID_rev4_NRC-wTASR.pdf.

[11] TUEGEL E J, INGRAFFEA A R, EASON T G, et al. Reengineering aircraft structural life prediction using a digital twin[J].International Journal of Aerospace Engineering,2011,2011:1-14.

[12] KRAFT E M. The US air force digital thread/digital twin-life cycle integration and use of computational and experimental knowledge[C]//Proceeding of 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting. San Diego,California, USA, 2016.

[13] 趙艷麗, 宋啟明, 趙靜, 等. 民機機載成品系統(tǒng)的制造構(gòu)型審核及驗證[J]. 航空制造技術(shù), 2014(4):77-80.ZHAO Yanli, SONG Qiming, ZHAO Jing, et al. As-built configuration audit and verification methodology of airborne system for commercial aircraft[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2014(4):77-78.