一種數(shù)字孿生快速建模方法

周釗 崔厚學

摘要：提出了一種全新的快速建模方式——以自上而下、快速迭代相結(jié)合的建模方法，通過明確數(shù)字孿生各階段的迭代范圍、顆粒度以及通過二次開發(fā)構(gòu)造模型骨架具體實現(xiàn)這種建模思想，同時還利用構(gòu)造模型庫及二次開發(fā)等方式實現(xiàn)模型的復用，最終實現(xiàn)了數(shù)字孿生建模效率和質(zhì)量的提升，為汽車制造行業(yè)構(gòu)建數(shù)字孿生模型提供了一種新的解決方案。

關鍵詞：數(shù)字孿生；快速建模；CATIA

引言

數(shù)字孿生也叫數(shù)字雙胞胎（Digital Twin），2010年NASA（美國國家航空航天局）在其太空技術路線圖中首次引入了數(shù)字孿生的表述。隨著工業(yè)4.0概念的提出，傳統(tǒng)制造企業(yè)不斷向智能制造轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)智能制造的途徑之一就是數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生是真實世界的物理模型在虛擬空間中進行映射，以及兩者之間進行信息交互的過程，是以設備、生產(chǎn)線、廠房等物理實體的數(shù)字3D模型為基礎，融合物理實體的實時采集數(shù)據(jù)，仿真現(xiàn)實世界中物理實體的行為。通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，發(fā)揮連接現(xiàn)實物理世界和虛擬世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實時、高效及智能的服務。

數(shù)字模型是數(shù)字孿生系統(tǒng)的基石，需要準確表達真實的物理實體，并且應隨著物理實體的改造變更進行實時快速更新。傳統(tǒng)的數(shù)字孿生建模方式缺少統(tǒng)一的建模指導思想，依賴于人工建模，存在建模效率低且水平不均衡，后期數(shù)模修改困難的問題。不僅造成建模周期長，同時數(shù)字模型無法及時響應車間布局的變化。鑒于此，本文提出一種全新的高效建模思路和方法，以期有效解決這一難題。

新型快速建模方法

1.建模平臺

數(shù)字孿生建模有多種解決方案，例如達索公司的CATIA、DELMIA、SOLIDWORKS，西門子公司的Tecnomatix系列，Epic公司的UE4，Unity公司的UNITY3D，MAXON公司的C4D，芬蘭公司的VC系列以及RB設備商專用的Robotstudio、MotoSimEG等。CATIA軟件提供二次開發(fā)API接口，方便根據(jù)數(shù)字孿生業(yè)務需要定制開發(fā)軟件功能，進一步提升建模能力，該軟件涉及產(chǎn)品設計、設備和建筑類建模、各類仿真（產(chǎn)品、設備、物流等）各領域，其使用邏輯和建模能力得到行業(yè)好評，在汽車行業(yè)應用廣泛。為避免模型在多個軟件平臺之間格式轉(zhuǎn)換造成消參（模型轉(zhuǎn)格式消參也會導致后期修改困難），數(shù)字孿生建模與產(chǎn)品模型建議使用同一軟件平臺，綜合多種因素，本文采用達索CATIA軟件平臺。

2.迭代更新

迭代更新是一種開發(fā)模式，它要求根據(jù)業(yè)務階段的不同先做出一個初步的數(shù)模，然后隨著時間的推移持續(xù)改進和優(yōu)化。企劃、建設、投產(chǎn)三個階段的建模工作是相互聯(lián)系和依賴的，而不是孤立的。每個階段的建模都要在前一個階段的基礎上進行修正和提高，以達到更高的精度。

例如汽車涂裝車間的噴房，企劃階段先用簡單的方形塊表示汽車涂裝車間的噴房的外部尺寸，以便于進行整體布局。然后在建設階段，在原有的模型基礎上添加其他更詳細的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如動靜壓室、噴房、氣密室、干式或濕式集漆系統(tǒng)、閃干系統(tǒng)及機器人系統(tǒng)等，以便于設計詳細施工圖樣。最后在投產(chǎn)階段，只需要結(jié)合車型數(shù)據(jù)設置噴涂仿真環(huán)境，最終形成完整的數(shù)字孿生模型。這種分階段多次迭代更新的方式降低了工作量和建模難度，以最小的資源投入滿足各階段業(yè)務需求，是實現(xiàn)快速構(gòu)建數(shù)字孿生的基礎。

3.迭代的模型范圍及要求

數(shù)字化要把真實物理世界的構(gòu)成元素映射到虛擬空間，但是這些元素的種類和數(shù)量都非常多，比如制造車間，從車間廠房框架到設備緊固螺栓，總數(shù)量級在百萬以上，如果全部建模，現(xiàn)有水平的工作站/服務器可能無法承受。而且在實際工作應用中也不需要用到所有的元素，所以可以根據(jù)業(yè)務需求來選擇建模的范圍、元素和精度，并隨著業(yè)務進展不斷更新和優(yōu)化模型。圖1所示是不同階段的建模范圍與要求。

如圖1所示，從業(yè)務階段、重要程度這兩個維度分析數(shù)字孿生建模的范圍和要求。業(yè)務階段按照時間順序分為企劃、建設、投產(chǎn)三個階段，每個階段的建模范圍根據(jù)業(yè)務重點來確定。

1）企劃階段：重點是工廠布局，所以要建模的元素是尺寸大、分布廣、數(shù)量多的模型，比如作業(yè)室體、輸送等，這類模型對外觀、定位、尺寸精度都沒有過高的要求，內(nèi)部細節(jié)可以抽象化表示。

2）建設階段：重點是施工干涉，所以要建模的元素是形狀復雜且空間分布密集的模型，比如槽體、風管、機器人系統(tǒng)等，這些模型需要高精度的外部或內(nèi)部尺寸，其他細節(jié)可以抽象化表示。

3）投產(chǎn)階段：重點是生產(chǎn)相關，所以要建模的元素是工藝設備的內(nèi)部構(gòu)造，比如機器人運動關節(jié)、輸送運動機構(gòu)，工藝仿真環(huán)境及關聯(lián)信號等，這些模型通常不是3D數(shù)據(jù)，而是由各類參數(shù)組成的系統(tǒng)環(huán)境。

從重要程度維度進行分析，將建模元素劃分為特別重要、一般重要和不重要三個級別，其模型的顆粒度是依次遞減的。例如特別重要的元素是數(shù)字孿生的主體要優(yōu)先建模，一般重要的元素用于豐富模型應其次建模，相對不重要的元素一般是點綴作用，則應當免于建?；蛘吒鶕?jù)需要建模。

4.自頂而下的設計理念

汽車制造車間是一個復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，它由建筑、鋼構(gòu)、輸送、工藝設備、作業(yè)室體、倉儲物流及公用動力等元素組成。在企劃、建設階段車間布局變更頻繁，在投產(chǎn)階段也常有技術改造導致布局變化。行業(yè)內(nèi)通常使用平面CAD設計車間的2D Layout，這樣修改起來比較簡單，只要調(diào)整點、線段、塊等元素就可以了。但是2D Layout的變化要反映到3D模型上就不太容易了，因為3D模型比2D Layout展示了更多的特征，并且這些特征之間有關聯(lián)，改變1個特征可能會影響到其他多個特征。所以一旦3D建模成型就很難再修改了。有沒有方法可以方便地實現(xiàn)3D模型與2D Layout變化點的同步修改呢？自頂而下設計理念可以為解決這類問題提供思路（見圖2）。

自頂而下是一種利用關聯(lián)設計的理念，它的原理是先建立上層骨架，然后將其作為參考關聯(lián)到下層用于創(chuàng)建模型。如果發(fā)生二維設計變更，只需簡單修改上層骨架，就能實現(xiàn)模型的自動或半自動調(diào)整。具體操作是：在建模初期科學規(guī)劃產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)，并用抽象的點線面表示。然后將這些點線面結(jié)構(gòu)生成一個文件，放在所有部件的頂層形成上層骨架。上層骨架的點線面分別賦予下層各個部件，使上下層之間通過共有的點線面產(chǎn)生關聯(lián)。只需修改上層的點線面元素，下層部件就會跟隨變化。

這種自頂向下、從大到小、從整體到局部的思維方式非常符合人類的思維習慣，具有邏輯清晰的優(yōu)點。因此，它常用于復雜產(chǎn)品設計領域，如汽車數(shù)字樣機和飛機機體開發(fā)。雖然自頂向下的思想并不罕見，但在工程或工藝設備領域的數(shù)字孿生建模中尚未發(fā)現(xiàn)應用。本文是行業(yè)內(nèi)首次提出這一觀點。

CATIA軟件的二次開發(fā)

CATIA是一款功能強大的通用建模軟件，在航空、汽車、建筑等行業(yè)有廣泛的應用。這類通用軟件為了兼顧各行業(yè)的應用，建模功能比較通用，沒有專門針對數(shù)字孿生的建模進行優(yōu)化。數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)量巨大，通用的CATIA命令已經(jīng)不能滿足使用需求，建模效率低，后期修改難。如果多人同時協(xié)同建模，還會出現(xiàn)建模質(zhì)量不一、模型結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、模型復用困難、設計關聯(lián)混亂等問題，最終影響協(xié)同建模的效果。這時候就需要通過CATIA軟件二次開發(fā)來優(yōu)化數(shù)字孿生建模的命令。

CATIA二次開發(fā)就是開發(fā)新的軟件功能，讓它更適合技術人員的使用，更便捷和高效。二次開發(fā)人員可以利用軟件SDK（Software Develop Kit）中提供的API（Application Programming Interface）接口，訪問dll類庫文件，并調(diào)用或組合其中的函數(shù)，實現(xiàn)深層次的定制化命令。比如定制用戶界面、控制和編輯幾何圖形、上傳和下載模型屬性信息等。新開發(fā)的命令可以被封裝成exe可執(zhí)行文件，與他人共享，并且不需要另外配置軟件環(huán)境就可以運行，非常方便在公司加域的環(huán)境中實現(xiàn)成員協(xié)作。

二次開發(fā)的步驟是先明確建模的思路，提取需要的參數(shù)化條件，然后定制軟件窗口界面和調(diào)用Catia API運行相關函數(shù)，實現(xiàn)定制功能（命令），最后將新功能（命令）定制成工具條擴充軟件（見圖3）。

下面根據(jù)筆者的實際應用經(jīng)驗，舉例說明數(shù)字孿生模型可能用到的CATIA二次開發(fā)功能，希望起到拋磚引玉的作用。

1.批量格式轉(zhuǎn)換

數(shù)字孿生模型有多種來源，例如設備商的3D模型、CAD圖樣生成的3D模型、實物測量數(shù)據(jù)生成的3D模型、激光點云掃描逆向模型及生產(chǎn)品模型。這些模型來自多個軟件平臺，數(shù)據(jù)格式不同，需要轉(zhuǎn)換成CATIA的CATpart、CATProduct專用格式或輕量化處理成CGR等格式，方便統(tǒng)一管理。人工操作格式轉(zhuǎn)換需要先打開零件然后另存為操作，效率較低，數(shù)量一旦過多可能需要長達10多天才能完成。如果使用二次開發(fā)的批量格式轉(zhuǎn)換功能，則只需幾分鐘就可以完成操作。

2.建?？蚣軇?chuàng)建

開發(fā)者還可以將數(shù)字孿生建模的思路整合進軟件，形成建模的框架，讓團隊成員按照軟件框架進行建模，就相當于按照開發(fā)者的思路進行建模。這樣就可以標準化、流程化原本各自為政的建模方法。有利于厘清模型層次關系，方便模型的維護，形成了團隊協(xié)作建模的良好環(huán)境，提高了建模效率。例如，我們可以將所有實物的樓層、類別、位置信息通過二次開發(fā)功能存放在數(shù)據(jù)庫（Excel、Access等）里，將數(shù)據(jù)庫作為數(shù)字孿生模型的總的結(jié)構(gòu)框架。對實物建模時只用讀取數(shù)據(jù)庫對應行信息即可創(chuàng)建、移動模型或者改變其在結(jié)構(gòu)樹上的層次。如果模型發(fā)生人為修改，還可以將信息同步到數(shù)據(jù)庫中。通過統(tǒng)一管理建模數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)的多源導致的管理混亂，同時數(shù)據(jù)庫可以與2D Layout關聯(lián)，只要簡單的改變數(shù)據(jù)庫數(shù)值，3D模型即可進行快速改變，實現(xiàn)數(shù)字孿生模型的敏捷設計。

3.數(shù)據(jù)模型復用

現(xiàn)實中的實物很多結(jié)構(gòu)類似，只是尺寸和數(shù)量有差異，不同尺寸和數(shù)量的模型每一個都要單獨建模，工作量大且人力資源不允許。而Catia二次開發(fā)就可以復用相似模型數(shù)據(jù)：先創(chuàng)建基礎模型和設置可變屬性；然后，輸入不同的配置信息如尺寸、功能、數(shù)量等，改變基礎模型的可變屬性就可以生成對應同系列3D模型。

數(shù)字孿生技術在汽車制造中的應用與展望

1.在工廠企劃階段的應用

（1）同步驗證 同步驗證是指在2D layout和3D layout設計中，保持兩者的一致性，及時反映設計變更，驗證設計方案的可行性。過往的產(chǎn)線設計中，因為3D建模的效率、準確性、穩(wěn)定性問題，同步檢證往往無法正常開展。現(xiàn)在利用新的建模方式，提高了工作效率，可以實現(xiàn)2D Layout布局設變后的幾天內(nèi)完成3D模型同步修改，更有效地驗證2D布局的設計思路，提高企劃的質(zhì)量和效率。

（2）干涉檢證 干涉檢證是指在3D圖形中，檢測出2D layout中容易忽略的干涉問題，例如形狀復雜的地下管網(wǎng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空調(diào)風管、動力橋架支架及車身通過性干涉等。以消防和風道布局檢證為例，新能源工廠某工藝車間是在原有廠房基礎上進行的大型技改項目，新項目的消防和風道設計可能與原有設施沖突，同時基于成本最小化的考慮，要盡量利用原有土建鋼構(gòu)和地下風道。通過數(shù)字孿生建模清晰展示風道、煙道模型，共發(fā)現(xiàn)35處干涉點，并提出了更合理的管道布置方案。這樣可以加快整體方案的成熟，避免后期干涉對施工的影響（見表1）。

（3）土建載荷提資 為了保證廠房強度，設備放在樓層板上的載荷需要發(fā)送給土建單位進行校驗。某工藝車間2F樓板上增加了密封膠、上涂、雙色存儲區(qū)等設備，導致載荷增加，需要校核樓板強度。通過篩選數(shù)字孿生骨架數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，獲得設備的型號、質(zhì)量和數(shù)量，精確計算出設備和車身總質(zhì)量，為設計單位提供校核和設計加強方案的依據(jù)。

（4）設備BOM BOM是材料清單（Bill of material）的簡稱。汽車行業(yè)有EBOM、PBOM、MBOM表分別用于設計、工藝、生產(chǎn)環(huán)節(jié)。類似地，在數(shù)字孿生里也可以生成設備BOM表，設備BOM表可以包含模型的種類、型號、數(shù)量、功能及質(zhì)量等屬性。BOM可以導出為Excel發(fā)送給專業(yè)人員進行預算制定、資產(chǎn)統(tǒng)計、備件采購等應用（見圖4）。

2.在投產(chǎn)階段的應用展望

（1）數(shù)字孿生的框架 數(shù)字孿生的成熟應用是在數(shù)字模型的基礎上，全面展現(xiàn)和預測各種生產(chǎn)信息，例如在制品、設備、輔料備件的狀態(tài)，虛擬現(xiàn)實的同步展示等，用來輔助生產(chǎn)穩(wěn)定進行（見圖5）。

數(shù)字孿生的成熟框架分為硬件物理層、技術層、應用層。硬件物理層包括物理世界的設備和產(chǎn)品實體，它們安裝有各種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）傳感器，將數(shù)據(jù)上傳到技術層；技術層包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)（MES、ERP等）、數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)、數(shù)字孿生渲染系統(tǒng)，數(shù)字孿生渲染系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生模型運動并進行可視化渲染，數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)和IIoT數(shù)據(jù)用機器學習模型預測設備的狀態(tài)、保養(yǎng)周期、生產(chǎn)瓶頸等；應用層包括可視化信息集成平臺和工藝仿真平臺。可視化信息集成平臺接收生產(chǎn)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)、數(shù)字孿生渲染系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)信息、預測信息和虛擬現(xiàn)實的展示。工藝仿真平臺在數(shù)字孿生模型的基礎上對車型的通過性、機器人可達性、人工作業(yè)性做運動仿真，對底涂/上涂涂膜進行CAE分析并輸出分析報表。

簡而言之，數(shù)字孿生的成熟應用是實現(xiàn)上述功能的集成平臺。

（2）可視化和信息展示 數(shù)字孿生模型可以實現(xiàn)以下三種展示方式：

一是漫游展示和VR展示。漫游展示可以讓參觀者以第一人稱視角在模型中自由行走（見圖6），通過鼠標或鍵盤控制行進路徑，或者佩戴VR眼鏡感受身臨其境的效果。這種展示方式適合那些防塵封閉、空間狹小、不便對外開放的工藝車間，如某工藝車間。

二是虛實同步展示。數(shù)字孿生模型根據(jù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備或機器人的信號，驅(qū)動模型和現(xiàn)實設備同步運動，例如車身、AGV小車和機器人等。

三是信息展示。BI風格的可視化信息看板集成了以下信息：設備的運行信息，在設備圖例上方用不同顏色、形狀的氣泡圖標實時顯示相關參數(shù)，監(jiān)控設備狀態(tài)和處理報警信息；生產(chǎn)相關系統(tǒng)的信息，可以查詢在制品狀態(tài)、品質(zhì)信息等，方便品質(zhì)的回溯分析；物流和倉儲（備件、倉儲）的監(jiān)控信息，在庫存不足時提前預報并自動生成采購單據(jù)。

（3）AI預測 利用大量工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，建立AI預測模型，包括輸入層、中間層和輸出層。輸入設備運行的參數(shù)，模型可以預測設備的健康狀態(tài)和保養(yǎng)建議；輸入生產(chǎn)數(shù)據(jù)，模型可以預測生產(chǎn)瓶頸和工時平衡。AI預測模型需要大量的正向、反向的反饋數(shù)據(jù)學習才能提高精度。

新機種仿真及產(chǎn)線Loss仿真

1.新機種導入仿真

在新機種導入中，數(shù)字孿生的仿真功能可以實現(xiàn)三個方面的檢證：

1）車身通過性。讓搭載車身在車間內(nèi)流動，并生成搬送動畫，發(fā)現(xiàn)并報警干涉問題。

2）機器人可達性。設置仿真環(huán)境和編程軌跡，模擬機器人的運動和干涉情況。

3）人工作業(yè)性。結(jié)合Most系統(tǒng)工時，在系統(tǒng)內(nèi)模擬人工作業(yè)，確認生技性和工時精度。

2.產(chǎn)線LOSS仿真

生產(chǎn)仿真仿真又稱為離散事件仿真，是先導入數(shù)字孿生模型，再建立生產(chǎn)流程和邊界條件，然后輸入生產(chǎn)要素如人數(shù)、休息時間、物流頻率等，從第1臺車進線開始，模擬生產(chǎn)情況。常用于分析生產(chǎn)線的理論瓶頸，輸出仿真結(jié)果的產(chǎn)線LOSS，為精益生產(chǎn)、智能制造提供決策依據(jù)。

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