基于数字孪生的设备寿命周期管理探析

基于数字孪生的设备寿命周期管理探析

于丽娜[1]

（河北工业职业技术大学计算机技术系，石家庄 050091）

摘  要：针对传统制造类企业设备服役期内设备信息利用率低，造成设备全生命周期管理能力不足的情况，提出将数字孪生技术应用到设备生命周期管理过程。设计了基于数字孪生的制造企业设备寿命周期管理框架，并根据仿真数据与设备实体之间的双向数据同步的需求，设计了设备数字孪生系统架构。以期通过基于数字孪生的状态监控、过程优化和反馈控制过程，研究数字孪生预测技术，实现对设备故障的高效预测和生命周期的实时管理。从而提高生产设备管理的安全性、经济性和稳定性，对于提升生产企业智能化控制水平具有重要作用。

关键词：设备；生命周期管理；数字孪生

1 问题的提出

在很多生产制造类企业，生产设备的故障维修直接影响着生产安排和经济效益的提升。尽管在数字化管理平台里，有大量关于设备的数据信息，但信息的智能化应用较少。企业在设备服役期内信息利用率低，直接造成了设备全生命周期管理能力不足，严重影响了设备运行效率的提升、运行成本的降低、劳动生产率的提高、产品产能和质量水平的提升。

2 基于数字孪生的制造企业设备寿命周期管理框架

数字孪生属于比较新的理论。在2003年，美国密歇根大学的迈克尔·葛瑞夫斯教授在讲授产品全生命周期管理的课程中就曾提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的概念[1]。后经过专家、学者的研究与探索，使数字孪生的概念有了更科学、更广泛的理解。

数字孪生，是指利用计算机、通信等数字技术，通过构建现实世界中实物的物理模型，并利用传感器、通讯设备与现实世界的实物相关联，实现在实体空间以虚拟的方式实现投射，从而通过对虚拟模型的研究，实现对现实世界中实物的各种状态、未来发展趋势的仿真和预测[2]。

2.1基于数字孪生的制造企业设备寿命周期管理框架

基于数字孪生的制造企业设备寿命周期管理框架如图1所示。

图1基于数字孪生的制造企业设备寿命周期管理框架

可见，数字孪生和制造车间通过了物联网及相关通信设备进行了连接，双方的数据信息可以实时交换，从而实现了数字孪生车间和实体车间的相互映射。因此，数字孪生可以做到与现实世界设备实体的有效仿真。

作为生产设备的数字虚拟化模型，数字孪生不仅包含了三维的虚拟建模还包含了实体设备具有的全部功能和逻辑模块。经过实验和参数调整，数字孪生中的虚拟设备，可以通过设置虚拟仿真运行参数实现与现实世界几乎完全一样的生命周期过程。据此，便可以根据对数字孪生中各设备的故障、剩余寿命、维修策略进行计算，从而获得现实世界中实体设备的维修策略和生命周期管理策略。即，把原本现实世界中的设备状态评估与寿命预测转化为虚拟世界中的设备维修与保养策略。从而使维修保养更加具有预见性，相关设备的维修资源的筹措的时机也将更加精细，从这一方面讲，数字孪生可以大大提高生产制造设备维修保养的效率，降低了其维修保养的成本。

2.2设备数字孪生系统架构

为了实现2.1节提出的，数字孪生车间中的设备仿真数据与生产制造车间中生产设备实体之间的双向数据同步，可采用由数字孪生层和实体设备的传感器、各种工业前端设备或物联网设备进行数据连接。这样可以保证实体数据能够将设备的各种实时状态数据传输至数字孪生系统。设备数字孪生系统架构如图2所示[4]。

图2基于数字孪生的制造企业设备寿命周期管理框架

由图2可以看出，在实体设备上安装的大量对设备进行状态检测的传感器，将通过适配接口，将采集或监听到的真实数据通过各种通信连接直接传输到数据孪生的数据管理层。并根据大数据、云计算的相关技术，进行快速存储和处理。不仅可以调整数据孪生中各模型的参数，使之与现实的实体设备更加一致，同时，还会将处理完毕的数据传递到实体设备的映射虚拟模型中，使数据孪生中的虚拟设备根据实体设备新的运行及状态数据驱动完成相应的虚拟任务。实现了数据孪生与实体设备的实时一致。

3 数字孪生在企业设备管理中的应用技术探析

2021年国家工信部、发改委等8部门印发了《“十四五”智能制造发展规划》，提出了我国智能制造“两步走”战略。到2025年，规模以上制造业企业大部分实现数字化网络化，重点行业骨干企业初步应用智能化；到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化网络化，重点行业骨干企业基本实现智能化[5]。

作为数字化企业发展的关键技术，数字孪生通过将生产制造企业生产过程中的物理设备各种属性映射到虚拟空间，并进行模拟、分析、生产预测以及设备的虚拟管理。通过贯通工业生产信息孤岛，释放数据价值，有效发挥其在模型设计、数据采集、分析预测、模拟仿真等方面的作用，可大大拓展生产过程智能控制的应用领域。数字孪生在企业设备管理中应用时需要的关键技术包括：

（1）数字孪生可见性技术

通过数字孪生的三维交互数字引擎，创作多样化、可见性的互动内容技术；实现使用自定义脚本功能自行创建组件脚本，并通过管理组件脚本的生命周期，实现组件属性修改、事件触发的方法。完成实体设备与虚拟设备的映射。

（2）生产制造企业设备资源池化管理技术

通过设计面向企业生产设备的数字孪生系统，可以运用工业生产物理空间与信息数字空间的映射集成问题和交互同步技术，实现智能控制平台对设备的实时监控。借鉴云计算资源池的概念，在系统平台虚拟化调度层上实现对生产过程设备资源的池化管理。并基于池化管理的资源调度技术，可以实现设备资源的灵活调度和动态分配。以便实现虚拟设备与实体设备在运行及状态上的实时一致。

（3）数字孪生预测技术

通过以数字方式为物理对象创建高写实虚拟模型，解决通过模拟、分析行为，解决设备实时监测数据不同步、不完整等问题；通过基于数字孪生的状态监控、过程优化和反馈控制过程，实现对企业生产设备故障的高效预测和生命周期的实时管理。从而实现对实体设备维修的更早预见性，便于实体设备维修备件的订购以及维修策略的制定等工作的精准展开。

4 结论

数字孪生已不仅仅是对实物简单的三维建模。而是通过三维交互数字引擎，创作多样化、可见性的互动内容，形成实体设备的数字孪生系统，从而实现对设备运行状态的实时监控，实现企业生产设备故障的高效预测和生命周期的精准管理。进而真正助力企业实现降本增效的目的。

参考文献

[1]陆剑峰，徐煜昊，夏路遥等. 数字孪生支持下的设备故障预测与健康管理方法综述[J]. 自动化仪表，2022，6（43）：1-7.

[2]刘然，刘虎沉. 基于数字孪生的产品制造过程质量管理研究[J].现代制造工程，2022(7)：50-56.

[3]仇永涛. 面向数字孪生的制造系统健康状态分析[J].机床与液压，网络首发时间：2023-03-15.

[4]李连浩. 面向工业互联网的设备数字孪生系统研究与实现[D]. 北京：北京邮电大学，2021.

[5]朱海东，陈学文. 智能制造背景下数字化设计与制造专业建设路径探索[J]. 工程技术研究, 2022(24)：134-136.

[1] 作者简介：于丽娜（1977-），女，河北保定人，教授。研究方向：人工智能，教学管理。