基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備全生命周期管理

李博，王寧，葉慶恩

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司，北京 100027； 2.中海油信息科技有限公司，廣東 惠州 516083)

0 引言

目前，數(shù)字技術(shù)、人工智能技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的主要技術(shù)，智能化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備甚至是整個生產(chǎn)系統(tǒng)中。

其中，通過數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品與物理車間之間建立聯(lián)系，對傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式進行優(yōu)化，是實現(xiàn)工業(yè)制造業(yè)企業(yè)深刻智能化轉(zhuǎn)型升級的重要突破口之一。企業(yè)借助數(shù)字孿生技術(shù)能夠以數(shù)字驅(qū)動角度重新審視自身企業(yè)生產(chǎn)模式中的缺陷，并對此進行改進創(chuàng)新。同時，數(shù)字孿生技術(shù)不僅能夠運用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，更能夠覆蓋整個企業(yè)的全生命周期，為企業(yè)的生產(chǎn)各階段提供新思路和新方法。

針對上述數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)企業(yè)全生命周期中的優(yōu)勢，文章著重探討數(shù)字孿生技術(shù)與傳統(tǒng)仿真技術(shù)的關(guān)聯(lián)和差異，分析面向企業(yè)全生命周期的數(shù)字孿生關(guān)鍵應(yīng)用和方法。

1 傳統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生

1.1 傳統(tǒng)仿真技術(shù)概念

隨著CAD系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的普及，現(xiàn)代設(shè)計問題的復(fù)雜性以及計算機圖形學(xué)和人工智能等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，三維建模技術(shù)在市場需求的推動下應(yīng)運而生。早期制造企業(yè)普遍采用三維建模技術(shù)，通過采集現(xiàn)實物體或場景的三維數(shù)據(jù)的方式，在計算機中以虛擬模型的形式還原現(xiàn)實物體或場景，從三維視角展開分析和評價方案的可行性及未來產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。但由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展和社會的不斷進步，簡單的三維建模技術(shù)已經(jīng)很難滿足制造企業(yè)的設(shè)計需要。在這樣的背景下，虛擬現(xiàn)實建模是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維建模技術(shù)相結(jié)合，以滿足社會發(fā)展需要的一種仿真技術(shù)。通過虛擬現(xiàn)實建模實現(xiàn)的虛擬制造能夠以數(shù)字化形式對實際制造過程進行無差別實現(xiàn)，其動態(tài)仿真的結(jié)果能夠為實際生產(chǎn)制造系統(tǒng)提供接近實際的數(shù)據(jù)信息，也能通過快速評估多種制造情況和工作效率、檢查流程可靠度來達到優(yōu)化生產(chǎn)過程資源配置、提高生產(chǎn)制造效率的目的[1]。

1.2 數(shù)字孿生概念

在信息技術(shù)不斷發(fā)展、智能制造成為行業(yè)必然發(fā)展趨勢的進程下，出現(xiàn)了依靠傳統(tǒng)數(shù)字建模技術(shù)及仿真技術(shù)無法解決的制造新問題。數(shù)字孿生技術(shù)正是在該背景下出現(xiàn)的新技術(shù)。在工業(yè)制造領(lǐng)域，它的主要應(yīng)用方法是：通過物理世界中的傳感器接收來自物體和環(huán)境的信號，借助各種技術(shù)集成手段，利用人工智能、機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等方法，實現(xiàn)信息世界與現(xiàn)實世界之間的數(shù)據(jù)傳輸，信息空間與物理空間之間的數(shù)據(jù)融合，創(chuàng)建物理單元和流程的數(shù)字分析模型，并最終使用驅(qū)動程序為執(zhí)行生產(chǎn)和運營活動提供說明。

2 面向制造企業(yè)全生命周期的數(shù)字孿生

2.1 領(lǐng)域現(xiàn)狀與應(yīng)用背景

由于技術(shù)限制，工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)模式下的生產(chǎn)過程往往依賴于人的經(jīng)驗，需要車間生產(chǎn)人員耗費大量時間和精力進行生產(chǎn)線調(diào)試，導(dǎo)致效率低下且經(jīng)濟效益極低。同時，市場需求從“滿足功能”的基本需求轉(zhuǎn)變?yōu)閭€體多樣化、個性化的“滿足差異化需求”。相應(yīng)地，制造企業(yè)的生產(chǎn)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模、小批量、多品種的定制模式。因此，準(zhǔn)備時間長、實施成本高、人員素質(zhì)要求高的傳統(tǒng)仿真技術(shù)在制造業(yè)存在便利性和靈活性限制。就我國制造企業(yè)來說，生產(chǎn)現(xiàn)場廣泛存在情況復(fù)雜的問題，從而導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)管不及時、車間決策與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息交互不全面、生產(chǎn)計劃執(zhí)行錯位。

數(shù)字孿生為當(dāng)今制造模式向智能制造的轉(zhuǎn)變提供巨大潛力，能夠解決當(dāng)下傳統(tǒng)仿真技術(shù)存在的信息集成融合不足、虛實交互不足、生產(chǎn)決策滯后等問題，通過構(gòu)建復(fù)雜工業(yè)制造過程狀態(tài)感知、實時分析、智能決策、協(xié)同優(yōu)化的關(guān)鍵理論與技術(shù)體系，對智能制造的實現(xiàn)存在指向性意義[2]。

2.2 制造企業(yè)中的數(shù)字孿生

由于資源和流程等不確定因素造成的復(fù)雜動態(tài)生產(chǎn)環(huán)境，意味著市場對大型制造企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的整體操作和控制精度提出了更高的要求。通過數(shù)字合作，制造公司可以使用數(shù)據(jù)建模來監(jiān)控和分析整個生產(chǎn)過程，而無需進行現(xiàn)場風(fēng)險測試。在生產(chǎn)制造過程中，數(shù)字孿生不僅可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷，進行同步維修和改進，還借助虛擬模型中生產(chǎn)線的等效圖像，提前優(yōu)化生產(chǎn)過程中的資源和要素配置，捕捉并移除線上的阻塞點，預(yù)測并消除平衡因素中的約束和障礙，提前發(fā)現(xiàn)并糾正生產(chǎn)過程中的錯誤和偏差，控制制造過程中的干擾因素，確保公司的基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)能力在最佳狀態(tài)下逐步進步，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的風(fēng)險隔離和健康管理。通過數(shù)字孿生將物理世界制造虛擬映射到虛擬車間，必須結(jié)合車間人員、設(shè)備、材料和其他元素的靜態(tài)模型數(shù)據(jù)和動態(tài)操作數(shù)據(jù)。

2.3 面向全生命周期的數(shù)字孿生

推動智能制造縱深發(fā)展，不僅需要對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行改革升級，而且應(yīng)當(dāng)從全局視角對企業(yè)的全生命周期進行管理，因此目前亟需支撐全生命周期活動智能決策優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)體系。

全生命周期管理是一種在產(chǎn)品全生命周期管理和服務(wù)全生命周期管理概念基礎(chǔ)上發(fā)展的、源于社會需求的全新服務(wù)型制造發(fā)展理念和理論。近年來在技術(shù)革命沖擊下的制造企業(yè)已經(jīng)大大顛覆過去的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)構(gòu)成和生產(chǎn)全過程正在發(fā)生革命性的變化。同時由于產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，一體化進程促使制造企業(yè)不斷向創(chuàng)新服務(wù)型制造企業(yè)轉(zhuǎn)變，全生命周期管理正是為引導(dǎo)制造企業(yè)向服務(wù)型制造創(chuàng)新企業(yè)發(fā)展而產(chǎn)生的概念。一般來說，制造企業(yè)的全生命周期可劃分為設(shè)計環(huán)節(jié)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)和服務(wù)環(huán)節(jié)。不同環(huán)節(jié)的管理目標(biāo)和控制目標(biāo)不同，且對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的影響程度也大不相同。

集成物理世界與信息世界、融合多種高新技術(shù)的數(shù)字孿生已被證明是一種可行的辦法。數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域的研究不應(yīng)該僅僅局限于制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而是應(yīng)當(dāng)運用全局思想，在對產(chǎn)品本身及其生產(chǎn)制造過程進行優(yōu)化的同時，面向制造企業(yè)的全生命周期。制造企業(yè)使用數(shù)字孿生進行全生命周期管理，從產(chǎn)品設(shè)計、工藝流程的設(shè)計環(huán)節(jié)，到生產(chǎn)計劃與排程、關(guān)鍵工藝與控制系統(tǒng)設(shè)定、質(zhì)量管控等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，再到供應(yīng)鏈管理、運維服務(wù)的運營環(huán)節(jié)，在面向企業(yè)全生命周期的數(shù)字孿生技術(shù)中獲取的數(shù)字主線貫穿制造企業(yè)多環(huán)節(jié)生產(chǎn)系統(tǒng)的全過程，是整體而非局部、集成而非孤立的，能夠?qū)φ麄€多單元復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)進行監(jiān)管、分析、預(yù)測，以達到實現(xiàn)企業(yè)全生命周期管理最優(yōu)決策的目的。面向制造企業(yè)全生命周期的數(shù)字孿生在理論建設(shè)指導(dǎo)方面為企業(yè)的生產(chǎn)各階段提供新思路和新方法，在實際應(yīng)用方面為制造企業(yè)的全生命周期各階段提供具體的數(shù)字孿生工廠構(gòu)建方法，從而促進經(jīng)濟運籌學(xué)、管理學(xué)與仿真技術(shù)、機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的交叉融合，提高制造企業(yè)產(chǎn)品規(guī)劃、生產(chǎn)控制、流程再造情境下的設(shè)計、生產(chǎn)、服務(wù)一體化程度。

2.4 數(shù)字孿生的特點與功能

根據(jù)階段和功能，數(shù)字孿生的生命周期可分為三個階段：

(1)數(shù)字胚胎階段，其功能基于虛擬現(xiàn)實；

(2)數(shù)字地圖階段，它們的功能是利用虛擬現(xiàn)實來反映現(xiàn)實；

(3)孿生相互發(fā)展的階段。

數(shù)字孿生的整個生命周期如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生體全生命周期

2.5 數(shù)字化孿生體的發(fā)展趨勢

數(shù)字孿生產(chǎn)品是另一種具有鮮明特征的產(chǎn)品生命周期。在分析數(shù)字孿生產(chǎn)品全生命周期和數(shù)字孿生產(chǎn)品現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)了數(shù)字孿生產(chǎn)品存在的問題及未來發(fā)展趨勢，包括全系列數(shù)字孿生產(chǎn)品、數(shù)字孿生產(chǎn)品、信息技術(shù)的高度物化和集成。

3 相關(guān)案例

3.1 造船業(yè)數(shù)字孿生及其服務(wù)全生命周期研究

3.1.1 問題的提出

造船業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展是建設(shè)造船大國的重要動力。隨著下一代信息技術(shù)與造船技術(shù)的跨境融合，造船業(yè)為提高質(zhì)量和效率開辟了新的機遇。數(shù)字化、互聯(lián)化、智能化制造技術(shù)的發(fā)展已成為世界造船業(yè)的重要發(fā)展趨勢。造船行業(yè)將整個設(shè)計生命周期與制造控制和運營管理聯(lián)系起來。

3.1.2 造船業(yè)數(shù)字孿生概念及組成

基于新一代信息技術(shù)與造船技術(shù)的跨界融合，造船業(yè)數(shù)字孿生實現(xiàn)了物理空間的信息交互和數(shù)據(jù)融合。信息空間和服務(wù)系統(tǒng)通過造船工業(yè)在物理空間和信息空間的雙向映射和實時交互，采用一種新的工業(yè)模型來實現(xiàn)造船工業(yè)在虛擬空間和真實空間的設(shè)計，對整個生產(chǎn)經(jīng)營過程進行迭代優(yōu)化。

如圖2所示，數(shù)字造船孿生主要包括智能造船、虛擬造船、服務(wù)系統(tǒng)和配對數(shù)據(jù)。其中，智能造船和虛擬造船屬于物理空間和信息空間。孿生數(shù)據(jù)屬于數(shù)據(jù)層，是感知數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)和空間融合數(shù)據(jù)的集合。服務(wù)系統(tǒng)屬于服務(wù)層，是造船工業(yè)數(shù)字孿生各個層次的各種智能服務(wù)的集成。

圖2 造船業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.3 造船業(yè)數(shù)字孿生運行機制

在物理空間上，物理造船工業(yè)包括船舶簡化、船舶建造、航行船舶建造和作業(yè)船舶建造四個階段。同時，信息空間中的虛擬造船業(yè)包括四個模型：工藝模型、過程模型、監(jiān)控模型和交通模型。在每個階段，將虛擬空間和真實空間生成的海量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到孿生數(shù)據(jù)中進行集成、提取和發(fā)布?；跀?shù)據(jù)孿生驅(qū)動的數(shù)字孿生業(yè)務(wù)系統(tǒng)為造船業(yè)全生命周期提供智能化服務(wù)。

3.1.4 造船業(yè)數(shù)字孿生服務(wù)造船業(yè)全生命周期展望

考慮到造船業(yè)在第四個發(fā)展階段所面臨的挑戰(zhàn)，造船業(yè)數(shù)字孿生可以利用具有多物理特性的高保真虛擬造船模型，多尺度、多學(xué)科，從設(shè)計到生產(chǎn)檢驗，再到運營管理，貫穿整個生命周期。

在造船業(yè)生命周期的各個階段，將物理空間、信息空間和水平空間的雙重數(shù)據(jù)結(jié)合起來，驅(qū)動服務(wù)系統(tǒng)。向相關(guān)機構(gòu)開放，彌合行業(yè)利益相關(guān)者之間的信息鴻溝，推動造船業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

3.2 基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機全生命周期管理

3.2.1 航空發(fā)動機數(shù)字孿生體的全生命周期體系框架

傳統(tǒng)的航空發(fā)動機開發(fā)模式已不能滿足日益增長的發(fā)動機性能的要求，數(shù)字化、智能化的信息化發(fā)展模式是未來的發(fā)展趨勢。

航空發(fā)動機數(shù)字孿生體應(yīng)用框架，如圖3所示。值得注意的是，數(shù)字孿生在生命周期的不同階段有不同的表現(xiàn)形式。在制造和運行階段，物理發(fā)動機對應(yīng)于航空發(fā)動機的數(shù)字孿生，通過將測量的參數(shù)，從物理電機實時傳輸?shù)綌?shù)字孿生體，實現(xiàn)了虛擬和真實的高度融合。在回收步驟中，可以將數(shù)據(jù)和信息管理庫等數(shù)字孿生體，在其整個生命周期中擴展到下一個周期的開發(fā)過程，以形成閉環(huán)的全生命周期管理。

圖3 航空發(fā)動機數(shù)字孿生體應(yīng)用框架

3.2.2 航空數(shù)字孿生需克服的困難

建立航空發(fā)動機數(shù)字孿生體，需要克服許多關(guān)鍵技術(shù)難題：

(1)多尺度、多物理場耦合模型的建立；

(2)傳感器測量；

(3)不確定性的量化、模擬和控制；

(4)大規(guī)模數(shù)據(jù)庫處理；

(5)高性能計算能力。

4 結(jié)語

制造型企業(yè)未來的發(fā)展方向，是通過高度自動化、數(shù)字化、可視化和集成化一體化來實現(xiàn)生產(chǎn)控制優(yōu)化?，F(xiàn)在企業(yè)全生命周期管理普遍采用BIM、工裝編碼或其他技術(shù)，基于數(shù)字孿生對制造企業(yè)全生命周期進行管理的方式還沒有得到廣泛應(yīng)用。

但從宏觀發(fā)展趨勢來看，在制造業(yè)向綠色制造、智能制造方向發(fā)展的戰(zhàn)略要求下，以高度集成的方式對工藝、設(shè)備與生產(chǎn)線協(xié)同進行調(diào)試，不需要通過實際生產(chǎn)測試而是在虛擬環(huán)境中進行功能實現(xiàn)和代碼驗證，能夠降低制造企業(yè)的生產(chǎn)風(fēng)險、運營成本，優(yōu)化管理、決策方案，延長企業(yè)價值鏈，高效率低成本實現(xiàn)制造企業(yè)全生命周期管理的數(shù)字孿生是必然的選擇方向。