引言

　　1.什么是數字孿生

　　數字孿生以數字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則，是解決智慧工廠信息物理融合難題，踐行智能制造理念與目標的關鍵使能技術。數字孿生的概念最初于2003年由Grieves教授在美國密歇根大學產品生命周期管理課程上提出，早期主要被應用在軍工及航空航天領域。如美國空軍研究實驗室、美國國家航空航天局(NASA)基于數字孿生開展了飛行器健康管控應用，美國洛克希德•馬丁公司將數字孿生引入到F-35戰(zhàn)斗機生產過程中，用于改進工藝流程，提高生產效率與質量。由于數字孿生具備虛實融合與實時交互、迭代運行與優(yōu)化、以及全要素/全流程/全業(yè)務數據驅動等特點，目前已被應用到產品生命周期各個階段，包括產品設計、制造、服務與運維等。

　　2.數字孿生企業(yè)案例背景

　　我公司的業(yè)務是典型的離散制造業(yè)，可以通過數字孿生技術為企業(yè)搭建智能制造的部署、運營、服務、安全的完整體系，促進信息邏輯和工業(yè)邏輯相融合，用數字孿生讓真實工廠映射到數字世界，匯聚分散在各封閉組織內的數據，從工業(yè)大數據中發(fā)掘工業(yè)機理和規(guī)律，從而以虛實之間有效協(xié)同縮短研發(fā)設計周期，優(yōu)化重構生產制造流程，提升設備維護效率，加快組織內外協(xié)同合作，帶來生產力的變革，觸發(fā)新型設計、生產、服務模式的演進。具體的應用場景分述如下。基于數字孿生的產品設計與仿真基于數字孿生的產品設計與仿真通過全生命周期的虛實融合，以及超高擬實度的虛擬仿真模型建立等方法，全面提高設計質量和效率。

　　1.面向數字孿生的起落架生產線工藝設計與仿真

　　以多源CAD(ComputerAidedDesign,CAD)模型為數字孿生模型(DigitalTwin,DT)數據源，基于設計任務分配功能實現智能協(xié)同設計，實現起落架生產線物理與實物模型的信息實時交互與可視化。

　　2.起落架生產線工藝設計與仿真的工藝知識庫

　　構建起落架生產線工藝設計與仿真的工藝知識庫，包括實時工藝修正與優(yōu)化、工藝過程優(yōu)化、工藝知識提煉與總結、沉浸式工藝設計與仿真，全面有效地挖掘和總結工藝“設計經驗”和“設計知識”，結合產品運維階段的質量狀況、使用狀況、技術狀態(tài)等，從產品功能實現的角度對產品研制階段采用的工藝方法進行評價和比較。

　　3.基于數字孿生的虛擬樣機

　　虛擬樣機是建立在數字世界的、可反映物理樣機真實性的數字模型，通過多領域的綜合仿真和設備的性能衰減仿真，在物理樣機制造之前對裝備的性能進行測試和評估，改進其設計缺陷，可以縮短其設計改進周期。基于系統(tǒng)級數字孿生的生產線生產過程建模與控制通過生產線的數字孿生融合生產核心智能裝備(設備層)、生產執(zhí)行系統(tǒng)MES和企業(yè)資源計劃ERP(系統(tǒng)層)，實現生產自動化與信息化的緊密集合，進而實現生產過程的智能化分析和管控。

　　1.基于數字孿生的車間生產調度優(yōu)化

　　通過數字孿生的虛實映射和交互融合，實時獲取制造裝備狀態(tài)、生產過程進度以及質量參數控制的第一手信息，傳遞給管控層，實現車間制造透明化;支持向現場工業(yè)計算機、智能終端及制造設備下發(fā)過程控制指令，正確、及時地傳遞設計及工藝意圖。

　　2.基于數字孿生的設備故障診斷與遠程運維

　　在孿生數據的驅動下，基于物理設備與虛擬設備的同步映射與實時交互以及精準的設備故障診斷服務，實現快速捕捉故障現象，準確定位故障原因，合理設計并驗證維修策略。

　　3.基于數字孿生的車間裝備虛擬調試

　　通過各模型軟件的應用程序接口(ApplicationProgrammingInterface,API)可以將設備模型與仿真系統(tǒng)進行集成，將設備的PLC系統(tǒng)與設備的模型進行集成。在仿真系統(tǒng)中對模型進行編程，根據實際需求將邏輯指令寫入到仿真系統(tǒng)中，實現虛擬模型的運動設計。再通過OPC技術，將虛擬模型的運動邏輯傳遞到PLC中，通過設備模型的運動結果判斷運動邏輯指令正確與否。

　　4.基于數字孿生的車間人機交互

　　構建與實際物理車間完全映射的數字孿生虛擬車間，通過工業(yè)級通信技術識別操作人員下達的指令，機器能夠迅速調整工作計劃，以做出能夠配合工人生產作業(yè)的動作，并實時更新虛擬車間的制造進程。

　　5.基于數字孿生的測試/檢測

　　在數字孿生的虛擬空間中構建高保真度的測試系統(tǒng)及被測對象虛擬模型，借助測試數據實時傳輸、測試指令傳輸執(zhí)行技術，在歷史數據和實時數據的驅動下，實現物理被測對象和虛擬被測對象的多學科/多尺度/多物理屬性的高逼真度仿真與交互，從而直觀、全面地反映生產過程全生命周期狀態(tài)，有效支撐基于數據和知識的科學決策。

　　基于數字孿生的產品服務系統(tǒng)基于數字孿生的產品服務系統(tǒng)(Productservicesystem，PSS)是在數字孿生的支撐下，通過不同“物理產品和/或服務”組合的智能分析決策、快速個性化產品服務配置和服務過程體驗與快速供給等，借助要素間的虛實同步，實現資源的優(yōu)化配置與融合。

　　建立基于數字孿生模型的PSS，充分利用數字化與信息化系統(tǒng)，有效支持復雜產品與服務生命周期的智能決策提供、快速供給、智能服務、價值與環(huán)境分析等。基于數字孿生的PSS使服務管理呈現出新的轉變，即響應方式由客戶響應向服務商主動服務轉變;服務配置與價值分析方式由人為主觀配置與評估向實時精確配置與評估轉變;服務理念由為自己創(chuàng)造價值轉變?yōu)榕c客戶一起共同創(chuàng)造價值轉變;過程管理由傳統(tǒng)服務管理模式向實時化、遠程化、集成化的生命周期管理轉變。

　　數字孿生工廠的技術架構研究深圳華龍訊達信息技術股份有限公司是國內技術領先的數字孿生技術廠商，其數字孿生技術被推薦參加國家改革開放四十周年大型展覽。經過與華龍訊達的技術研討，要建設數字孿生工廠，必須攻克三個方面的技術難關：一是以虛擬仿真引擎、數字孿生工具集、模型仿真數據驅動、產線工藝與孿生對象數據雙向同步與控制、高性能感知接入等產品特性，打造全流程、全要素、全鏈條、全生態(tài)的生產線管控數字化孿生系統(tǒng)開發(fā)及應用;二是突破基于數字孿生的工廠線數字孿生系統(tǒng)時變動態(tài)多維模型構建、生產線數字孿生系統(tǒng)多時空尺度模型融合與計算求解技術、動態(tài)生產任務的自組織生產關鍵技術及數字化孿生系統(tǒng)原型開發(fā)等技術，形成云化、高性能、多組織、多線程、易擴展、移動化、跨平臺的先進技術架構;三是以微服務技術架構封裝模塊構成的工具集，實現多源異構系統(tǒng)的集成，助力企業(yè)形成閉環(huán)賦能體系。

　　數字孿生工廠的整體技術架構從下至上分為物理實體層、物理虛擬映射層、資源虛擬化層、匯聚層、基礎服務層、多維虛擬模型層數字孿生應用層共7層構成。(1)物理實體層：為平臺提供最原始的物理實體數據。(2)物理虛擬映射層：提供終端邊緣計算能力，完成指令下發(fā)，達到控制實體設備的目的。(3)資源虛擬化層：為平臺部署提供基礎環(huán)境，實現硬件資源的動態(tài)調度。(4)匯聚層：完成數據采集、集中儲存，實現與物理虛擬映射層的互聯互通。

　　(5)基礎服務層：提供構建系統(tǒng)的基礎工具，可幫助平臺和開發(fā)人員快速創(chuàng)建應用程序。(6)多維度虛擬模型層：多維度虛擬模型分為數據多維度虛擬模型和數據孿生多維度虛擬模型。數據多維度虛擬模型是基礎，通過它可完成對數據孿生多維度虛擬模型的驅動。(7)數字孿生應用層：提供數字孿生產品設計、虛擬樣機、工藝規(guī)劃、物流的精準配送、車間裝備智能控制、人機交互、測試檢測、能耗管理、質量分析與追溯、預測與健康管理等應用功能服務模塊。

　　結束語——評估與展望

　　目前，我公司應用華龍訊達的數據采集設備和木星工業(yè)物聯網平臺，較好的解決了工業(yè)數據采集的難題。下一步，將與華龍訊達等技術廠商緊密合作，探索實現單元級、系統(tǒng)級和SoS(SystemofSystem)級數字孿生，努力提高全要素生產率，挖掘發(fā)展?jié)摿Γ�加快傳統(tǒng)制造轉型升級步伐，催生智能化生產、網絡化協(xié)同、個性化定制、服務化延伸、數字化管理等新型制造模式，推動起落架公司加快“智能+”進程。

　　航天方向論文投稿刊物：《航天標準化》Aerospace Standardization(季刊)1983年創(chuàng)刊，貫徹技術民主與爭鳴的原則,開展標準化理論研究與標準化情報交流;促進航天標準化事業(yè)的發(fā)展。以從事航天行業(yè)的技術領導和廣大的工程技術、科技管理和標準化專業(yè)人員為主要閱讀對象。