未來裝備探索：數字孿生裝備

源自:超星期刊
作者:陶飛 張辰源 張賀 程江峰 鄒孝付 徐慧 王勇 謝兵兵

摘要
工程裝備、制造裝備、醫(yī)療裝備等各類裝備是加快國家基礎建設,提升國家經濟實力和保障醫(yī)療健康的重要基礎。在新環(huán)境、新趨勢、新背景下,如何充分融合新一代信息技術,助力裝備數智化升級,實現裝備軟硬系統(tǒng)的自主可控,是實現裝備高質量發(fā)展,推動數字經濟與實體經濟融合發(fā)展的關鍵?；谧髡邎F隊前期提出的數字孿生五維模型理論基礎,探討了數字孿生裝備的概念和組成,分析了數字孿生裝備理想特征能力和關鍵技術,提出了數字孿生裝備三階段發(fā)展路徑,并在紡織車間物流裝備和復材加工車間熱壓罐裝備上對相關理論開展了實踐。
1 未來裝備發(fā)展新趨勢與新需求
縱觀數千年的人類文明發(fā)展歷程，各式各樣的工具、設備、裝備幫助人類大幅提高創(chuàng)新和生產效率，與此同時，人類的創(chuàng)新活動和新的應用需求又不斷反作用于工具、設備、裝備的創(chuàng)新與改良，推動其功能不斷升級更新。隨著工具、設備、裝備和相關技術的迭代升級，人類文明已先后跨越了石器時代、青銅時代、鐵器時代、蒸汽時代和電氣時代，進入了當下的信息時代。在信息時代中，由具有機械結構和電氣特性的復雜設備和工具以及相應軟件系統(tǒng)組成的現代裝備，深度參與制造工業(yè)、土木工程、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍工、農業(yè)生產、資源勘采、倉儲物流、信息通信、交通運輸、科學研究、空間探索、生活娛樂等各大領域的相關活動，對人類的生產和生活產生重要積極影響。然而，不斷變化的國際競爭環(huán)境和國內經濟發(fā)展趨勢，以及不斷涌現并逐漸成熟的新一代信息技術，對裝備的未來發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)和新的需求。
1.1新環(huán)境、新趨勢、新挑戰(zhàn)
經濟全球化迫使裝備進一步高質量發(fā)展。當前，經濟全球化引導著各種生產要素和資源在全球范圍內優(yōu)化組合和配置，在促進多方合作和全球經濟迅速發(fā)展的同時，加速了各行業(yè)從增量發(fā)展轉變?yōu)榇媪扛偁幣c多方博弈。為提高行業(yè)競爭力以面對新的挑戰(zhàn)，要求未來裝備進一步提高質量、增加效率、豐富功能[1]。
疫情/后疫情時代凸顯裝備遠程/自治運行重要性。2020年新冠疫情全面爆發(fā)，導致大量勞動力被迫在家隔離防護，各類裝備/設備因缺少操控人員而無法正常運行，大批工廠和設施也因此被迫關閉，對全球實體經濟造成了重大不利影響。為提高經濟發(fā)展對于不確定性事件的韌性，要求未來裝備具備遠程運維管控、自治和自適應運行的能力。
碳達峰/碳中和要求裝備綠色低碳環(huán)境友好。自20世紀90年代以來，快速的工業(yè)化和城市化造成自然資源的嚴重透支和污染物的超標排放，引發(fā)溫室效應、酸雨、霧霾等一系列環(huán)境問題，嚴重威脅人類的生存。為貫徹可持續(xù)發(fā)展理念，并如期實現碳達峰、碳中和目標，要求未來裝備在制造加工、運維管控、報廢回收等環(huán)節(jié)降低能耗，減少污染物排放。
突破裝備自主研制技術瓶頸是實現裝備強國的必由之路。近年來，中外貿易摩擦不斷，對我國依賴高端裝備和核心軟硬件引進的產業(yè)產生不利影響，不僅如此，國家重要產業(yè)相關裝備的研制技術受制于人，核心軟件依賴于人，還會產生巨大的安全隱患。為突破“被卡脖子”的困境，要求未來裝備關鍵零部件、核心軟件以及研發(fā)、制造、組裝、測試等相關技術全面自主化，并增強知識產權保護意識，以及提高裝備產業(yè)鏈和供應鏈的自主可控能力。
數字經濟亟需數字化裝備大力支持，新一代信息技術賦能裝備全面升級。自“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃將信息技術確立為七大戰(zhàn)略性新興產業(yè)之一被重點推進以來，互聯網、大數據、5G、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)產業(yè)融合日益深化，催生了一批有活力有韌性的新產業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式[2]。國家“十四五規(guī)劃”再次強調加快數字化發(fā)展，大力推進數字產業(yè)化和產業(yè)數字化，推動數字經濟和實體經濟深度融合，打造具有國際競爭力的數字產業(yè)集群[3]。2021年10月，中央政治局第三十四次集體學習中又一次強調，發(fā)展數字經濟是把握新一輪科技革命和產業(yè)變革新機遇的戰(zhàn)略選擇[4]。為進一步激發(fā)數字經濟潛能，并促進實體經濟健康可持續(xù)發(fā)展，要求各行業(yè)現有裝備應充分融合新一代信息技術，開創(chuàng)裝備實體、數據和新一代信息技術的閉環(huán)迭代與互補優(yōu)化的良性循環(huán)模式[5]。
綜上所述，我國亟需實現現有各類裝備的數字化賦能、網絡化互聯、智能化升級，以及裝備軟硬系統(tǒng)的自主可控，并貫徹綠色低碳可持續(xù)發(fā)展理念，創(chuàng)新裝備全生命周期各階段運作模式，鑄造大國重器，建設裝備強國。
1.2未來裝備全生命周期新需求
裝備全生命周期可劃分為設計與驗證、制造與測試、交付與培訓、運維與管控、報廢與回收五大階段。為應對新環(huán)境、新趨勢和新挑戰(zhàn)，未來裝備在全生命周期各階段存在以下具體新需求。
2 數字孿生裝備概念與內涵
2.1從裝備到數字孿生裝備
上述裝備全生命周期各階段的新需求，可歸結為裝備對數字化賦能和智能化升級的需求。數字孿生是學術界和業(yè)界公認的實現物理實體對象數字化和智能化升級的有效手段之一，近年來不少國內外學者開始開展基于數字孿生的裝備設計、制造、運維等方面的研究。作者團隊于2018年提出了基于數字孿生的復雜裝備故障預測與健康管理方法[6]。
通過分析有關研究，發(fā)現基于數字孿生的裝備與傳統(tǒng)裝備的本質區(qū)別在于其擁有一個與物理世界完全鏡像的信息世界。在信息世界中，裝備模型在裝備實時數據的驅動下能夠精確刻畫裝備的運行狀態(tài)，實現裝備狀態(tài)監(jiān)測(以虛映實)。與此同時，裝備還能夠在信息空間中進行仿真預測(以虛預實)，并基于預測結果對現有決策方案進行優(yōu)化(以虛優(yōu)實)，最終讓裝備執(zhí)行最優(yōu)的決策方案，實現“以虛控實”。由此可見，信息空間增量對于裝備智能化升級具有重要意義，因此，本文基于作者團隊前期提出的數字孿生五維模型理論基礎[7]，對數字孿生裝備概念進行探討。
數字孿生裝備是一種由物理裝備、數字裝備、孿生數據、軟件服務以及連接交互五個部分[7]構成的未來智能裝備；數字孿生裝備通過融合應用新一代信息技術，促進裝備全生命周期各階段(設計與驗證、制造與測試、交付與培訓、運維與管控和報廢與回收)數智化升級，使得裝備具備自感知、自認知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自優(yōu)化等智能特征和能力；基于裝備數字孿生模型、孿生數據和軟件服務等，并通過數模聯動、虛實映射和一致性交互等機制，實現裝備一體化多學科協同優(yōu)化設計、智能制造與數字化交付、智能運維等，達到拓展裝備功能、增強裝備性能、提升裝備價值的目的。
2.2數字孿生裝備組成
由上述定義可知，數字孿生裝備由物理裝備、數字裝備、孿生數據、軟件服務以及連接交互五個部分組成[7]，如圖1所示。

2.2.1物理裝備：裝備物理實體
物理裝備是與物理空間的各要素直接發(fā)生作用關系的裝備實體部分，由動力、傳動、控制和執(zhí)行等部分組成，負責執(zhí)行控制指令，并提供實際功能，通過結合傳感器系統(tǒng)，物理裝備還可以實現對環(huán)境的感知。
現有物理裝備的相關技術已基本能夠支持裝備的數字控制、自動執(zhí)行、網絡互聯等功能，隨著新型材料和先進技術的不斷涌現，未來物理裝備研究和發(fā)展空間包括但不限于：
可采用結構功能一體化復合材料，支持裝備在極端環(huán)境下運行，整體優(yōu)化裝備的耐熱性、耐腐蝕性、承載能力、重量等多方面指標；
可結合人因工程，研制用戶友好、交互舒適便捷的裝備，改善用戶體驗；
可利用3D打印和4D打印技術，提高裝備設計自由度，支持同類裝備的個性化定制生產；
可利用超精密加工技術，減少裝備零部件制造公差，進一步提高裝備硬件集成度，助力裝備小型化和輕量化的實現；
可基于功能模塊化思想和軟硬一體化技術，研制軟件定義裝備，并實現裝備硬件部分可重構，使裝備集成更多的功能，以及適應更復雜的任務和環(huán)境。
2.2.數字裝備：裝備數字孿生模型
由于物理裝備受到時間、空間、執(zhí)行成本等多方面的約束，僅憑借物理手段實現裝備的可視化監(jiān)測、歷史狀態(tài)回溯、運行過程預演、未來結果預測和智能運維等功能難度較大。因此，需要通過構建裝備的數字孿生模型，在信息空間中賦予物理裝備設計、制造及運維等過程看得見、運行機理看得清、行為能力看得全、運行規(guī)律看得透的新能力，如圖2所示。

從實現和拓展裝備各種功能和服務的角度來看，裝備數字孿生模型由四類模型組成：

為實現物理裝備設計、制造及運維管控等階段的過程可視化、狀態(tài)監(jiān)測與回溯等功能，以及指導物理裝備制造階段的裝配和回收階段的拆卸等過程，需要構建裝備的幾何模型來描述物理裝備及零部件的外觀形狀、尺寸大小、內部結構、空間位置與姿態(tài)、裝配關系等；

為實現裝備故障預測、健康管理、質量管控、運行優(yōu)化等功能，需要構建裝備的物理模型來描述物理裝備及零部件的力學、電磁學、熱力學等多學科屬性，解析裝備的運行機理；

為實現裝備動態(tài)規(guī)劃和自動化運行，并支持人機協作和多機協作，需要構建裝備的行為模型來厘清裝備的動態(tài)功能、響應機制和周期性運動模式，抽象描述裝備性能退化趨勢運維環(huán)境的隨機擾動；

為實現物理裝備智能運維和決策優(yōu)化，需要構建裝備的規(guī)則模型來顯性化表示裝備大數據中的隱性信息，形式化表示并集成歷史經驗、專家知識、領域標準和相關準則。

從裝備數字孿生模型產生和表現形式的角度來看，上述四類模型呈現出隨時間增量積累和形式多樣性的特點。

幾何模型主要在裝備的設計階段產生，屬于相對靜態(tài)的模型，幾何模型的表現形式包括但不限于三維模型、裝配干涉矩陣、曲面方程等；

物理模型主要在裝備的設計與驗證階段產生，物理模型的表現形式主要是數學模型，例如描述磁場強度、熱傳導效應、流體力學等的理論計算公式，物理模型在具體應用時的呈現方式比較豐富，比如有限元分析時的網格模型，以及運動學分析時的連桿模型；

行為模型主要在裝備設計、測試和運維階段產生，是對裝備在外部環(huán)境干擾、外部輸入和內部運行機制共同作用下產生的響應和變化的抽象描述，其表現形式包括有限狀態(tài)機、圖譜、神經網絡、統(tǒng)計模型等；

規(guī)則模型產生于裝備全生命周期各階段，主要有兩類表現形式：一類是通過挖掘分析裝備全生命周期數據，揭示其中隱含規(guī)則和潛在規(guī)律的數據模型，其表現形式主要包括數學模型、神經網絡、統(tǒng)計模型等，另一類是通過形式化表達人的經驗和知識，使數字孿生裝備能夠理解并運用人的智慧的模型，其表現形式主要包括數學模型、圖譜和結構化文本等。

數字裝備是物理裝備在信息空間中的鏡像，由物理裝備的幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型融合組裝而成[7]，負責刻畫物理裝備的時空幾何關系，實時運行狀態(tài)、行為和過程，描述物理裝備的多維屬性和運行機理，以及表征裝備能力和相關規(guī)律規(guī)則，是實現裝備數字化賦能和智能化升級的核心。

2.2.3孿生數據：裝備數字孿生數據
物理裝備的設計、制造、測試和運維等過程離不開數據的深度參與，數字裝備仿真運行并實現裝備可視化監(jiān)測、歷史狀態(tài)回溯、運行過程預演、故障診斷等功能同樣需要數據驅動[8]。因此，需要將蘊含裝備全生命周期、全流程、全業(yè)務有效信息的各類數據進行匯聚與融合，形成裝備孿生數據。
孿生數據與數字裝備交互聯動，相輔相成，共同支持數字孿生裝備的各種功能和服務，如圖3所示。

裝備的尺寸數據、結構數據、空間位置和姿態(tài)數據等結合裝備的幾何模型，能夠有效支持裝備的狀態(tài)遠

程監(jiān)測、過程參數可視化、歷史狀態(tài)回溯等功能；

裝備的材料屬性數據、運動數據、工藝數據等結合裝備的物理模型，能夠有效支持裝備的故障預測、健康管理、質量管控等功能；

裝備的能力數據、任務數據、運行環(huán)境數據等結合裝備的行為模型，能夠有效支持裝備的動態(tài)規(guī)劃和自治運行，以及一定程度的人機協作和多機協作；

裝備的運行特征數據、知識數據、經驗數據等結合裝備的規(guī)則模型，能夠有效支持裝備的自適應控制、調度優(yōu)化、能量有效運行等智能決策服務。

孿生數據由物理裝備的實際數據、數字裝備的仿真數據，以及裝備的全生命周期、全流程、全業(yè)務虛實融合數據組成，用于對物理裝備及其運行過程和環(huán)境進行多層次、完整、統(tǒng)一描述或解釋，并能夠結合裝備數字孿生模型實現裝備虛實共生[9]，以及裝備狀態(tài)動態(tài)更新、歷史狀態(tài)追溯、知識挖掘和智能決策等功能和服務。

審核編輯 黃昊宇