数字孪生在智能制造领域的应用

数字孪生在智能制造领域的应用

廖欢,卓志,邹纯彬

四川中烟工业有限责任公司什邡卷烟厂  四川德阳什邡 618400

摘要：近年来，数字孪生科技已成为各界所关心的热门话题，大家经常谈论新产品和虚拟测试、电动控制器和产品的虚拟现实运行、新产品远程监测与运维管理等场景。从数字孪生的内容入手，详尽介绍了数字孪生的技术，主要涉及模型、仿真、先进计算技术等;阐述了数字孪生技术的实现过程，及其在汽车工业生产、智慧工厂和航空发动机及智能生产线等智慧制造行业中的运用应用。阐述了数字孪生的理论和功能以及在智慧生产方面的应用，简要总结了它在开发中面临的若干困难，并对其发展进行了预测。

关键词:数字孪生；智能制造；模拟；应用

引言

随着中国制造强国战略的深入实施，新一代信息技术和人工智能技术与制造业深度融合，推动制造企业转型升级，大力发展智能制造。因此，“数字孪生”近期得到了广泛的关注，实现制造物理世界与信息世界的交互与共融，是当前国内外实践智能制造理念和目标的核心。“数字孪生"是指以数字化方式创建一个物理对象，借助数据模拟对象在现实环境中的行为，对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真，从而提高制造企业设备研发、制造的生产效率，数字孪生面向产品全生命周期，为解决物理世界与信息世界的交互与共融提供有效的解决途径。

一、数字孪生的概念

数据双胞技术是指利用物理数据模式、传感器的信息、企业运行历史中的信息，实现多领域、多物理量、多维度、多事件的模拟活动，在新闻空间内实现互动，从而反映相对应的实物技术的整个企业生命周期过程。而数据信息双胞技术是企业目标、市场、装置、员工、生产流程、供应链，以及整个企业生态系统中的一个虚拟副本。它是根据从物联网(IoT)传感器网络中派生出来的数据信息而产生的，将这些信息附着在并嵌入到原始数据中。通过这些和云相连的信息，可以实时地观察其所发生的过程和企业运行视图，进而让工程师们能够控制整个系统和为其动态建模。在对原体系作出任何修改前，可对一个孪生体作出改变，并观察其在现实生活中的改变【1】。

二、数字孪生技术在智能制造业中的作用

数字孪生物的主要目的是通过对物理实体进行数字化和模拟化，在数据基础上形成与现实物体等比例的虚拟物，从而达到对物理实体全寿命各项特征的实时把握和预知。所以，构建物理实体的数字化模型是实现数学双孪生的核心问题。但由于实际中面临的模拟课题，常常包括多物理量、多维度的多源异构数以及从多学科的综合问题，所以，在数学双胞体的模拟问题中，不可仅仅关注于单个维度、单一物理量数据以及从单个学科视角的模拟问题，若要达到高度逼真模拟则需要从多维度、多物理量以及从多学科混合模型的视角考虑。如果说模型是对物理实体或现象的某种概括和抽象理解，模拟便是对这些概括和抽象是否真实的检验。所以，模型的仿真技术是实现数学双胞体对物理实体真实反映的关键。对于结构很复杂的一个孪生的体系，如果仅仅单纯通过对物理模型进行其硬性建模，往往也只能够获得较差的模拟效应。而如果单纯通过机器学习、深度学习等由信息驱动的模型手段处理更复杂的系统模型问题，则因为机器学习与深度学习的模型原理就如同黑盒子，而没有对模型机理描述，因此更容易产生对整体模型无法理解的现象。

三、数字孪生在智能制造领域中的应用

(一)数字孪生在生产车间的应用

传统上生产车间的各要素大多依靠工人管理，而所有数据信息也大多通过人工录入、计算、检索、使用和分析，由此造成了数据品质较差、利用率低下、无法即时跟踪实际的生产状况等问题。为解决这种问题，对部分工作实行了数字化、系统化的管理模式，将部分数据采集工作做到了自动化，但只是远达不了现实车间和虚拟车间之间的信息交流与共融。正是根据这种问题，陶飞等人提出了数字的孪生车间。DTW通过集合物理学现实空间和虚幻空间结构中各过程、各业务领域的有效性数据分析，在厂房内孪生模式和双胞数据的双重驱使下，不断更新和改进物理厂房的生产经营要素管理体系、生产规划、工艺流程以及与工业生产经营有关的活动，以便于在满足降低成本、产品质量、自身产生效益等约束要求下，实现一种厂房工业生产经营中的最佳生产经营模式【2】。

(二)数字孪生在智能工厂的应用

数字孪生将在传统纺纱工艺中的清梳、并粗、细纱和络简，视为构成纺纱智能车间的四项基本智慧模块，并同时提供了相应的智慧纺纱车间模块;将传统纺织智能生产中所有组件的状态信号、信息传输过程、生产流程、计算过程等与现代纺织生产相关信息技术融为一体，利用数字孪生信息技术建立以纺纱流程为基本单位的现代纺织生产的虚拟纺织车间，从而实现了具有自认知、自分析、自决定、自运行功能的纺织品智能生产。同时，还提供了一个基于数字孪生的智能化生产车间，从而形成了一个完全由大数据技术驱动的中空玻璃智能生产，可以提升设计速度并进行更多目标优化，从而实现了个性化模式下的玻璃生产。

(三)数字孪生在宇航引擎智能制造工艺中的运用

航空引擎是典型的高难度产物，技术发展必须在极限状态下不断尝试。数字孪生针对传统航天发动机设计中研究周期长、费用高、技术风险大的弊端，提供了可以运用数字孪生形成物理实体等一定数量的虚拟实体，同时利用模拟程序构建整机、子系统与零部件的设计模型，实现了设计质量和可靠性的因，从而减少了研制投入、缩短了研制时间。

四、数字孪生技术在智能制造行业中的发展趋势

(一)设备全生命周期智能化管理

数字孪生技术通过采集整合设备开发、生产、保养、报废、再利用等整个产品生命周期数据，并进行设备可视化模拟，在虚拟空间中等比例地形成了目标物体的虚拟实物，同时利用VR技术进行人机沉浸式互动，以掌握设备的真实情况;并运用机械学习、深度学习、强化教学等新一代人工智能方式，实时监控检测设备寿命的全过程情况。数据双胞服务平台通过各种专家和各类技术反馈的数据，对现实系统和虚拟实体进行创新与优化。所以，在系统整个寿命内，数据双胞体是有相当程度.上具备的自认知、自学习和管理的功能将有机会代替部分人工专家的头脑劳动，对现场出现的难题给出解决办法，帮助研发技术人员克服困难，进而在达到相当高度智能水平的同时，减少技术研发成本、提升生产效率和品质、建立良好的维修计划和报废制度、延长设备寿命和减少产品管理问题等，这也正是数字孪生技术在设备安全寿命智能控制中的发展目标所在【3】。

(二)产品安全寿命智能化控制

通过将商品的设计、制造、仓储、物流、营销等整个生命周期信息的整合，运用图形孪生方法对商品的整个过程模型，以虛拟空间高质量反映商品的整个生命周期过程。即通过对生产虚拟全过程中各种状况的有效监控和预警、并对整个生产全过程统一控制和管理，以达到企业能够正确预见某个过程将发生的问题，从而减少潜在经营风险，使所有生产过程都以最佳方案进行，进而使产品在整个生产生命周期中过程都以最佳的状态运行，包括最佳的制造策略、最优化的仓储方法、最佳的物流路径等，这也是数字孪生科技在产业全生命周期自动化管理中的一个重要发展方向。

结语

随着基础科学技术研究的不断深入，数字孪生科技在智能制造方面获得了更多的进展，表现了其重要的科技特色。但是，数字孪生在智能制造应用领域目前仍仅仅处于实践的初级阶段，主要问题就是它的核心技术没有根本攻克，信息获取与管理不够完善，各领域整合存在较大困难，数字孪生的标准没有完善，研究也尚未形成系统。但是，随着有关公司、研发单位在数字孪生方面的探索更加深入，加之我国对数字孪生的研发和运用的日益注重，相信在不久的将来，数字孪生必然会实现突破，它在智能制造行业中也必然会取得更大进展。

参考文献：

[1]肖文磊， 曹宪， 赵罡，等. 数字孪生的智能制造内涵及其在数控加工的应用[J].  2021.

[2]丁凯， 张富强， 张旭东，等. 一种基于数字孪生的车间级智能制造系统及其配置方法:， CN108427390A[P].

[3]关辉. 面向智能终端结构件加工的数字孪生车间关键技术研究及应用[D]. 华中科技大学.