數(shù)字孿生體在產(chǎn)品生命周期管理中的應(yīng)用探究

張長(zhǎng)信

摘 要：目前，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中可獲得包括設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)在內(nèi)各階段的大數(shù)據(jù)，但有關(guān)產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)的研究主要還是圍繞物理產(chǎn)品而非虛擬模型進(jìn)行。產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)需要來(lái)自物理產(chǎn)品、虛擬模型以及這兩者間的連接數(shù)據(jù)來(lái)支持。基于數(shù)字孿生體的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文分析了如何獲得和使用交互性的虛擬數(shù)據(jù)更好地服務(wù)產(chǎn)品生命周期，從而推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)更加高效、智能化地進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生體;產(chǎn)品生命周期;設(shè)計(jì);制造;服務(wù);大數(shù)據(jù)

1 概述

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)在生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的收集、處理與管理中的應(yīng)用，[1，2]大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)制造的時(shí)代即將到來(lái)。

產(chǎn)品生命周期管理（Product lifecycle management，PLM）作為一種高效的商業(yè)產(chǎn)品管理方式，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生到其報(bào)廢淘汰，貫穿其整個(gè)生命周期。盡管PLM可以獲得包括設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)在內(nèi)的各階段生命周期相關(guān)大數(shù)據(jù)，但其中仍存在諸如各階段數(shù)據(jù)通常呈現(xiàn)孤立、分散、停滯特征、用戶在產(chǎn)品使用過(guò)程中制造商難以對(duì)產(chǎn)品保持實(shí)時(shí)控制與響應(yīng)等缺陷。[3]

這些問(wèn)題導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)階段的效率不高，智能化和可持續(xù)性水平較低。數(shù)字孿生體（Digital Twin）作為有效的解決方案，是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理產(chǎn)品的虛擬模型，以數(shù)據(jù)模擬實(shí)體在生產(chǎn)系統(tǒng)中的表現(xiàn)，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力;[4]其面向產(chǎn)品全生命周期全過(guò)程，以提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)。

2 產(chǎn)品生命周期管理與現(xiàn)存問(wèn)題

2.1 產(chǎn)品生命周期及相應(yīng)數(shù)據(jù)

產(chǎn)品生命周期類比于生物學(xué)理念，指從產(chǎn)品被市場(chǎng)接受到最終淘汰的過(guò)程，其分為導(dǎo)入，生長(zhǎng)，成熟和衰退四個(gè)階段。[5]隨著并行工程的興起，產(chǎn)品生命周期擴(kuò)展到工程領(lǐng)域。這一概念從產(chǎn)品需求分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造、銷售與售后服務(wù)的流線過(guò)程延伸為一種再循環(huán)過(guò)程。

產(chǎn)品生命周期作為一個(gè)迭代過(guò)程，其任何階段，都會(huì)收集、處理和運(yùn)用大量數(shù)據(jù)，最終覆蓋整個(gè)周期過(guò)程，形成大數(shù)據(jù)。

2.2 產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)現(xiàn)存的相關(guān)問(wèn)題

在制造業(yè)走向大數(shù)據(jù)時(shí)代時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘與分析在企業(yè)管理中所扮演角色的重要性愈加凸顯。當(dāng)前，大數(shù)據(jù)主要通過(guò)關(guān)聯(lián)、預(yù)測(cè)和控制三個(gè)步驟來(lái)驅(qū)動(dòng)智能制造業(yè)。通過(guò)有效地收集和分析整個(gè)產(chǎn)品生命周期中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)可以為相應(yīng)生產(chǎn)活動(dòng)提供系統(tǒng)指導(dǎo)，幫助企業(yè)管理者解決跟運(yùn)營(yíng)和決策有關(guān)的問(wèn)題。目前仍存在如下問(wèn)題影響PLM的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用。

1）由于目的和任務(wù)的不同，產(chǎn)品生命周期中各個(gè)階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能形成相互之間缺少聯(lián)系的信息孤島（information islands）。

2）產(chǎn)品生命周期的不同階段之間存在大量重復(fù)數(shù)據(jù)，這些重復(fù)數(shù)據(jù)可能造成資源浪費(fèi)，影響數(shù)據(jù)共享。

3）大數(shù)據(jù)分析與整個(gè)產(chǎn)品生命周期中各種活動(dòng)之間缺少相應(yīng)的的交互和迭代，造成大數(shù)據(jù)分析與實(shí)際制造過(guò)程間無(wú)法并行比較。

4）目前大數(shù)據(jù)應(yīng)用偏重于物理產(chǎn)品數(shù)據(jù)的分析，而非虛擬模型的數(shù)據(jù)分析。

針對(duì)上述問(wèn)題，數(shù)字孿生體被視為一種有效的解決辦法，其實(shí)施是產(chǎn)品生命周期中信息空間與物理空間相互促進(jìn)過(guò)程。數(shù)字孿生體可以直接分析大數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，并將其跟產(chǎn)品生命周期活動(dòng)的真實(shí)價(jià)值進(jìn)行比較;其信息空間能做到模擬、監(jiān)控和優(yōu)化整個(gè)周期中的各種活動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)周期中各分過(guò)程的無(wú)縫協(xié)調(diào)，避免信息孤島以及數(shù)據(jù)重復(fù)。

3 數(shù)字孿生體及其應(yīng)用

3.1 數(shù)字孿生體的概念

數(shù)字孿生體的普適定義由E Glaessegen和D Stargel于2012年提出：[6]數(shù)字孿生體（Digital Twin）是復(fù)雜產(chǎn)品綜合了多物理量、多尺度、概率性的模擬仿真（multi-physics，multiscale，and probabilistic simulation），其充分利用有效物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等來(lái)反映產(chǎn)品實(shí)體/孿生體的生命周期過(guò)程。同時(shí)，數(shù)字孿生體由三部分組成：物理產(chǎn)品、虛擬模型以及兩者間的鏈接數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)字孿生體的這些解釋和定義，總結(jié)了數(shù)字孿生體的以下特征：

1）實(shí)時(shí)反映。數(shù)字孿生體中并存著物理空間和信息空間兩大空間，后者作為物理空間的真實(shí)反映，可以保持與物理空間的超高同步性和保真度。

2）交互和聚斂（Interaction and convergence）。該特點(diǎn)可以從三個(gè)方面來(lái)解釋。

（a）物理空間中的交互和聚斂。數(shù)字孿生體作為一種全流量、全元素、全業(yè)務(wù)的集成，物理空間中各個(gè)階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都可以相互關(guān)聯(lián)。

（b）歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之間的交互和聚斂。數(shù)字孿生體在依靠專家知識(shí)的同時(shí)，還實(shí)時(shí)收集所有已配置數(shù)字孿生體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。該特性可使數(shù)據(jù)得以深入挖掘及充分利用。

（c）物理空間與信息空間之間的交互和聚斂。數(shù)字孿生體中物理空間和信息空間之間存在光滑的連接通道而非相互隔離，這使得它們很容易實(shí)現(xiàn)交互。[11]

3）自我進(jìn)化。數(shù)字孿生體可以實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，以便虛擬模型可以通過(guò)其跟物理空間的并行比較進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

3.2 數(shù)字孿生體的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

自數(shù)字孿生體概念被提出以來(lái)，已被應(yīng)用于諸多工業(yè)領(lǐng)域，并展現(xiàn)出大的潛力。

美空軍研究實(shí)驗(yàn)室E J T uegel[7]等人運(yùn)用數(shù)字孿生體對(duì)飛行器建立了超高保真飛行模型，通過(guò)將虛擬數(shù)據(jù)與實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，做出精確的疲勞壽命預(yù)測(cè);該實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)物理空間具有高保真度的模型框架，整合了各種相關(guān)數(shù)據(jù)，以模擬和評(píng)估氣動(dòng)熱模型預(yù)測(cè)中耦合氣動(dòng)熱彈性問(wèn)題的可信度。B Bielefeldt等人[8]建立了一個(gè)基于數(shù)字孿生體概念的模型來(lái)監(jiān)測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷，他們使用飛機(jī)機(jī)翼的狀況案例驗(yàn)證模型的有效性。E J Tuegel [9]提出了機(jī)身數(shù)字孿生體（Airframe Digital Twin，ADT）模型的概念，以降低飛機(jī)維護(hù)成本，他指出了模型實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于實(shí)施過(guò)程中通過(guò)貝葉斯升級(jí)（Bayesian updating）來(lái)降低模型的不確定性。K Reifsnider和P Majumdar[10]將數(shù)字孿生體與車載健康管理系統(tǒng)、維修歷史記錄以及歷史車隊(duì)數(shù)據(jù)相匹配，以此進(jìn)行車輛的生命周期管理，顯著提高了安全性和可靠性。

此外，美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，PTC）正在嘗試建立一個(gè)信息空間作為對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中所用實(shí)體的一對(duì)一表示。另外諸如達(dá)索（Dassault Systèmes）、西門子工業(yè)軟件（Siemens PLM Software）等知名企業(yè)對(duì)于數(shù)字孿生體的應(yīng)用及其潛力也表示了極大的肯定。[11]

根據(jù)上述數(shù)字孿生體的應(yīng)用情況，目前數(shù)字孿生體主要應(yīng)用于航空航天、車輛工程等領(lǐng)域的故障預(yù)測(cè)，實(shí)施于產(chǎn)品維修和維護(hù)階段。鑒于數(shù)字孿生體的特點(diǎn)，特別是物理產(chǎn)品與相應(yīng)虛擬產(chǎn)品之間的同步聯(lián)動(dòng)和超高保真度，數(shù)字孿生體解決PLM存在的上述問(wèn)題具有很大的潛力，同時(shí)有望在更多工程領(lǐng)域取得應(yīng)用突破。

4 產(chǎn)品數(shù)字孿生體在全生命周期各階段的實(shí)施途徑

4.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段

為實(shí)現(xiàn)物理產(chǎn)品的數(shù)字孿生體，必須有一種準(zhǔn)確、高效的數(shù)字化表達(dá)方式，其可以支持包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工裝配、使用維修在內(nèi)的產(chǎn)品生命周期各階段的數(shù)據(jù)定義與傳輸。近年出現(xiàn)的產(chǎn)品定義模型（Model Based Definition，MBD）作為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字孿生體的有效途徑，遵從產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的并行協(xié)同理念和單一數(shù)據(jù)源原則，可將產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝流程、過(guò)程管理等信息全部整合在其虛擬三維模型中，保證了產(chǎn)品被賦予的定義數(shù)據(jù)能夠驅(qū)動(dòng)處于制造過(guò)程下游的各個(gè)環(huán)節(jié)。[12]

MBD技術(shù)主要包括兩類數(shù)據(jù)：（1）產(chǎn)品的幾何信息，即廣義的設(shè)計(jì)模型;（2）產(chǎn)品的非幾何信息，其跟產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）軟件（兼容于3D設(shè)計(jì)軟件）協(xié)同存儲(chǔ)和管理設(shè)計(jì)信息。另外，實(shí)現(xiàn)基于三維模型的產(chǎn)品定義后，需基于該定義模型進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)，以及制造過(guò)程規(guī)劃，有時(shí)還要對(duì)產(chǎn)品功能測(cè)試進(jìn)行交互仿真以及后期優(yōu)化;為保證仿真、優(yōu)化過(guò)程的有效性，需考慮以下三點(diǎn)。

4.1.1 虛擬模型的高保真度

產(chǎn)品建模不僅要考慮形狀、尺寸、公差等幾何特征信息，還要關(guān)注物理環(huán)境中的應(yīng)力分析，還原產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)特性，及材料的剛度、塑性、疲勞強(qiáng)度等物理性質(zhì)?？蛇\(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等方法，參照同類產(chǎn)品群的歷史數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行定期優(yōu)化，以取得接近于現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境中實(shí)體產(chǎn)品的功能、特性。

4.1.2 仿真的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性

如上述的應(yīng)力分析、材料力學(xué)模擬，都可以通過(guò)ANSYS、Abaqus等實(shí)用的仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行優(yōu)化。

4.1.3 模型輕量化技術(shù)

模型輕量化技術(shù)極大減少了模型的存儲(chǔ)空間，從而便于直接從三維模型中提取工藝設(shè)計(jì)和交互仿真所需要的幾何信息、特征信息和屬性信息，避免附帶不必要的冗余信息。[2]另外，通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的產(chǎn)品的可視化仿真、復(fù)雜系統(tǒng)與生產(chǎn)線仿真可全部實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，輕量化的模型減少了系統(tǒng)間的信息傳輸時(shí)間與成本，促進(jìn)了價(jià)值鏈的端到端集成、供應(yīng)鏈上下游企業(yè)間的信息共享與業(yè)務(wù)流程集成。

4.2 產(chǎn)品制造階段

產(chǎn)品數(shù)字孿生體跟其實(shí)體的不斷交互是其發(fā)展的關(guān)鍵。在產(chǎn)品制造階段，現(xiàn)實(shí)世界中檢測(cè)、制造進(jìn)度、物流等多方面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)被不斷傳遞到虛擬信息空間中進(jìn)行實(shí)時(shí)展示;同時(shí)進(jìn)行實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值、實(shí)際所用物料與設(shè)計(jì)物料、實(shí)際完成進(jìn)度與計(jì)劃完成進(jìn)度的多方面比對(duì)，實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品模型的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控與生產(chǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。此外，根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、制造資源使用、制造進(jìn)度的智能預(yù)測(cè)與分析;與此同時(shí)，智能決策模塊根據(jù)上述預(yù)測(cè)與分析的結(jié)果更新相應(yīng)的制造解決方案并反饋給實(shí)體產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)控制與優(yōu)化，達(dá)到虛擬空間實(shí)時(shí)操控現(xiàn)實(shí)制造的目的。

綜合上所述，在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)實(shí)體空間中實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集，以及有效信息的提取與傳輸是實(shí)現(xiàn)制造階段數(shù)字孿生體的前提條件。近十年，包括物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、語(yǔ)義分析與識(shí)別在內(nèi)的信息技術(shù)的迅速發(fā)展為此提供了一套切實(shí)可行的解決方案;此外，數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的探索，也提供了重要的技術(shù)支持。[13]

4.3 產(chǎn)品服務(wù)階段

產(chǎn)品的使用和維護(hù)階段，仍需對(duì)包括產(chǎn)品的空間位置、使用環(huán)境、質(zhì)量狀況、功能狀態(tài)等產(chǎn)品信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控，并根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成使用及維護(hù)歷史記錄，從而對(duì)產(chǎn)品性能、健康狀況、壽命期限進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，并對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題發(fā)出預(yù)警。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)故障或是質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品空間位置的及時(shí)定位，并對(duì)其故障和質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行原因分析、維護(hù)與升級(jí)，或是報(bào)廢替換等，同時(shí)生成相關(guān)記錄。一方面，在物理空間，采用物聯(lián)網(wǎng)、傳感技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)將與物理產(chǎn)品相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（最新的傳感數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、外部環(huán)境感知數(shù)據(jù)等）、產(chǎn)品使用數(shù)據(jù)和維護(hù)數(shù)據(jù)等關(guān)聯(lián)映射至虛擬空間的產(chǎn)品數(shù)字孿生體。另一方面，在虛擬空間，采用模型可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理產(chǎn)品使用過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并結(jié)合歷史使用數(shù)據(jù)、歷史維護(hù)數(shù)據(jù)、同類型產(chǎn)品相關(guān)歷史數(shù)據(jù)等，采用動(dòng)態(tài)貝葉斯、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)挖掘方法和優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品模型、結(jié)構(gòu)分析模型、熱力學(xué)模型、產(chǎn)品故障和壽命預(yù)測(cè)與分析模型的持續(xù)優(yōu)化，使產(chǎn)品數(shù)字孿生體和預(yù)測(cè)分析模型更加精確、仿真預(yù)測(cè)結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)制造時(shí)代的到來(lái)，面向制造業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、和云計(jì)算等許多新技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于PLM。但是，目前的技術(shù)主要關(guān)注物理產(chǎn)品數(shù)據(jù)，而不是虛擬模型的數(shù)據(jù)。為產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段產(chǎn)生數(shù)據(jù)形成的信息孤島與數(shù)據(jù)重疊，提高大數(shù)據(jù)分析與產(chǎn)品生命周期中的各種活動(dòng)間的交互和迭代，將具有超高同步性和保真度的數(shù)字孿生體，運(yùn)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)階段。

但目前產(chǎn)品數(shù)字孿生體的構(gòu)建和應(yīng)用在全球范圍內(nèi)尚處于初級(jí)階段，其應(yīng)用主要局限于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，在產(chǎn)品制造和生產(chǎn)管理方面缺少實(shí)踐。因此，探討產(chǎn)品制造與生產(chǎn)的數(shù)字孿生體構(gòu)建與應(yīng)用，整合產(chǎn)品生產(chǎn)全周期的數(shù)字化交互，會(huì)將產(chǎn)品創(chuàng)新、制造效率提升至一個(gè)新的高度。

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