基于數(shù)字孿生的工藝設(shè)計體系框架應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用在工藝設(shè)計中產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、運行狀態(tài)監(jiān)測和維護、后勤保障等各個階段。

本文引自：《智能工藝設(shè)計》（作者：鄧朝暉、劉偉、萬林林、呂黎曙、劉濤）。

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數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生的概念最初由Michael W.Grieves教授于2003在美國密歇根大學的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，并被定義為三維模型，包括實體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間的連接。但由于當時技術(shù)和認知上的局限，數(shù)字孿生的概念并沒有得到重視，直到2011年，美國空軍研究實驗室和NASA合作提出了構(gòu)建未來飛行器的數(shù)字孿生體，并定義數(shù)字孿生為一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應(yīng)的實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢等，隨后數(shù)字孿生才真正引起關(guān)注。

數(shù)字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與數(shù)字世界交互與融合的技術(shù)手段，如圖1所示。把真實物理世界的參數(shù)信息用數(shù)字化的方式構(gòu)建出虛擬模型，用數(shù)據(jù)模型模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境的行為，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，為物理實體增加或擴展新的能力。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實時、高效、智能的服務(wù)。

圖1 數(shù)字孿生交互示意圖

數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，為進一步推動數(shù)字孿生理論與技術(shù)的研究，促進數(shù)字孿生理念在產(chǎn)品全生命周期中落地應(yīng)用，北京航空航天大學陶飛教授團隊在三維模型基礎(chǔ)上提出了如圖2所示數(shù)字孿生五維模型。

圖2 數(shù)字孿生五維概念模型

（1）物理實體是客觀存在的，它通常由各種功能子系統(tǒng)（如控制子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng)等）組成，并通過子系統(tǒng)間的協(xié)作完成特定任務(wù)。各種傳感器部署在物理實體上，實時監(jiān)測其環(huán)境數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)。

（2）虛擬模型是物理實體忠實的數(shù)字化鏡像，集成與融合了幾何、物理、行為及規(guī)則4層模型。其中，幾何模型描述尺寸、形狀、裝配關(guān)系等幾何參數(shù)；物理模型分析應(yīng)力、疲勞、變形等物理屬性；行為模型響應(yīng)外界驅(qū)動及擾動作用；規(guī)則模型對物理實體運行的規(guī)律／規(guī)則建模，使模型具備評估、優(yōu)化、預測、評測等功能。

（3）服務(wù)系統(tǒng)集成了評估、控制、優(yōu)化等各類信息系統(tǒng)，基于物理實體和虛擬模型提供智能運行、精準管控與可靠運維服務(wù)。

（4）孿生數(shù)據(jù)包括物理實體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，領(lǐng)域知識及其融合數(shù)據(jù)，并隨著實時數(shù)據(jù)的產(chǎn)生被不斷更新與優(yōu)化。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生運行的核心驅(qū)動。

（5）將以上4個部分進行兩兩連接，使其進行有效實時的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)實時交互以保證各部分間的一致性與迭代優(yōu)化。

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數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生的實現(xiàn)主要依賴于以下幾方面技術(shù)的支撐：多領(lǐng)域多尺度融合建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動與物理模型的融合狀態(tài)評估、數(shù)據(jù)采集與傳輸、全壽命周期數(shù)據(jù)管理、VR呈現(xiàn)、高性能計算。

（1）多領(lǐng)域多尺度融合建模：多領(lǐng)域建模是指在正常和非正常工況下從不同領(lǐng)域視角對物理系統(tǒng)進行跨領(lǐng)域融合建模，且從最初的概念設(shè)計階段開始實施，從深層次的機理層面進行融合設(shè)計理解和建模。

（2）融合模型的狀態(tài)評估：對于機理結(jié)構(gòu)復雜的數(shù)字孿生目標系統(tǒng)，往往難以建立精確可靠的系統(tǒng)級物理模型，而采用單因素系統(tǒng)的解析物理模型對其進行狀態(tài)評估不能獲得最佳的評估效果。采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，利用系統(tǒng)的歷史和實時運行數(shù)據(jù)，對物理模型進行更新、修正、連接和補充，充分融合系統(tǒng)機理特性和運行數(shù)據(jù)特性，能夠更好地結(jié)合系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，獲得動態(tài)實時跟隨目標系統(tǒng)狀態(tài)的評估效果。

（3）數(shù)據(jù)采集與傳輸：高精度傳感器數(shù)據(jù)的采集和快速傳輸是整個數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)。溫度、壓力、振動等各個類型的傳感器性能都要最優(yōu)以復現(xiàn)實體目標系統(tǒng)的運行狀態(tài)，傳感器的分布和傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建要以快速、安全、準確為原則，通過分布式傳感器采集系統(tǒng)的各類物理量信息以表征系統(tǒng)狀態(tài)。

（4）全壽命周期數(shù)據(jù)管理：復雜系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)存儲和管理是數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要支撐，采用云服務(wù)器對系統(tǒng)的海量運行數(shù)據(jù)進行分布式管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速讀取和安全冗余備份，為數(shù)據(jù)智能解析算法提供充分可靠的數(shù)據(jù)來源，對維持整個數(shù)字孿生系統(tǒng)的運行起著重要作用。通過存儲系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)，可以為數(shù)據(jù)分析和展示提供更充分的信息，使系統(tǒng)具備歷史狀態(tài)回放、結(jié)構(gòu)健康退化分析以及任意歷史時刻的智能解析功能。

（5）VR呈現(xiàn)：VR技術(shù)可以將系統(tǒng)的制造、運行、維修狀態(tài)以超現(xiàn)實的形式給出，對復雜系統(tǒng)的各關(guān)鍵子系統(tǒng)進行多領(lǐng)域、多尺度的狀態(tài)監(jiān)測和評估，將智能監(jiān)測和分析結(jié)果附加到系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)、部件，在完美復現(xiàn)實體系統(tǒng)的同時將數(shù)字分析結(jié)果以虛擬映射的方式疊加到所創(chuàng)造的孿生系統(tǒng)中，從視覺、聲覺、觸覺等各個方面提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實體驗，實現(xiàn)實時連續(xù)的人機互動。VR技術(shù)能夠使使用者通過孿生系統(tǒng)迅速地了解和學習目標系統(tǒng)的原理、構(gòu)造、特性、變化趨勢、健康狀態(tài)等各種信息，并能啟發(fā)其改進目標系統(tǒng)的設(shè)計和制造，為優(yōu)化和創(chuàng)新提供靈感。

（6）高性能計算：數(shù)字孿生系統(tǒng)復雜功能的實現(xiàn)很大程度上依賴于其背后的計算平臺，實時性是衡量數(shù)字孿生系統(tǒng)性能的重要指標，因此，基于分布式計算的云服務(wù)器平臺是其重要保障，同時優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法結(jié)構(gòu)等以提高系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行速度同樣是保障系統(tǒng)實時性的重要手段。如何綜合考量系統(tǒng)搭載的計算平臺的計算性能、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的時間延遲以及云計算平臺的計算能力，設(shè)計最優(yōu)的系統(tǒng)計算架構(gòu)，滿足系統(tǒng)的實時性分析和計算要求，是其應(yīng)用于數(shù)字孿生的重要內(nèi)容。平臺數(shù)字計算能力的高低直接決定系統(tǒng)的整體性能，作為整個系統(tǒng)的計算基礎(chǔ)，其重要性毋庸置疑。

（7）其他關(guān)鍵技術(shù)：人工智能的熱潮推動著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，智能制造和工業(yè)智能的快速發(fā)展催動數(shù)字孿生技術(shù)的演進和成熟，考慮商用大數(shù)據(jù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)的本質(zhì)差異，諸如異常狀態(tài)或故障狀態(tài)仿真與注入、工業(yè)數(shù)據(jù)可用性量化分析、小樣本或無樣本的增強深度學習等，均是當前在數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)分析與建模等方面的研究熱點或挑戰(zhàn)。

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工藝設(shè)計中的數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用在工藝設(shè)計中產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、運行狀態(tài)監(jiān)測和維護、后勤保障等各個階段。在產(chǎn)品設(shè)計階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以將全壽命周期的產(chǎn)品健康管理數(shù)據(jù)的分析結(jié)果反饋給產(chǎn)品設(shè)計專家，幫助其判斷和決策不同參數(shù)設(shè)計情況下的產(chǎn)品性能情況，使產(chǎn)品在設(shè)計階段就綜合考慮了后續(xù)整個壽命周期的發(fā)展變化情況，獲得更加完善的設(shè)計方案。在產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過虛擬映射的方式將產(chǎn)品內(nèi)部不可測的狀態(tài)變量進行虛擬構(gòu)建，細致地刻畫產(chǎn)品的制造過程，解決產(chǎn)品制造過程中存在的問題，降低產(chǎn)品制造的難度，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的可靠性。

產(chǎn)品運行過程中，數(shù)字孿生技術(shù)通過高精度傳感器的采集和傳輸產(chǎn)品的各個運行參數(shù)和指標，使用高性能計算對融合模型進行監(jiān)測和評估，對系統(tǒng)的早期故障和部件性能退化信息進行詳細反饋，指導產(chǎn)品維護工作和故障預防工作，使產(chǎn)品能夠獲得更長的壽命周期。后勤保障過程中，由于有多批次全壽命周期的數(shù)據(jù)作支撐，并通過虛擬傳感的方式能夠采集到反映系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變量數(shù)據(jù)，產(chǎn)品故障能夠被精確定位分析和診斷，使產(chǎn)品的后勤保障工作更加簡單有效。通過將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品生產(chǎn)的整個生命周期，產(chǎn)品從設(shè)計階段到最后的維修階段都將變得更加智能有效。

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基于數(shù)字孿生的工藝設(shè)計體系框架

工藝規(guī)程是產(chǎn)品制造工藝過程和操作方法的技術(shù)文件，是一切有關(guān)生產(chǎn)人員都應(yīng)嚴格執(zhí)行、認真貫徹的紀律性文件，是進行產(chǎn)品生產(chǎn)準備、生產(chǎn)調(diào)度、工人操作和質(zhì)量檢驗的依據(jù)。數(shù)字孿生驅(qū)動的工藝規(guī)劃指通過建立超高擬實度的產(chǎn)品、資源和工藝流程等虛擬仿真模型，以及全要素、全流程的虛實映射和交互融合，真正實現(xiàn)面向生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝設(shè)計與持續(xù)優(yōu)化。在數(shù)字孿生驅(qū)動的工藝設(shè)計模式下，虛擬空間的仿真模型與物理空間的實體相互映射，形成虛實共生的迭代協(xié)同優(yōu)化機制。數(shù)字孿生驅(qū)動的工藝設(shè)計模式如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生驅(qū)動的工藝規(guī)劃

建立虛擬空間的數(shù)字孿生模型，需要結(jié)合規(guī)范化需求、概念模型及其架構(gòu)，來進行模型的規(guī)范化設(shè)計。在規(guī)范化設(shè)計完成之后，就可以用類似 Arena、Simio等仿真軟件，或者C、C++、Java或Python等編程語言來開發(fā)可執(zhí)行的仿真子模型。當把所有子模型實現(xiàn)并集成起來后，就形成了完整數(shù)字孿生模型。在虛擬空間建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)構(gòu)、資源結(jié)構(gòu)的樹形結(jié)構(gòu)層次，構(gòu)建面向過程的虛擬空間。考慮現(xiàn)場工藝執(zhí)行情況，在虛擬空間進行待加工產(chǎn)品的加工工藝規(guī)劃。完成詳細的工藝內(nèi)容設(shè)計，進行加工工藝仿真。首先對仿真需求進行分析，確定模型構(gòu)建的基本要求。接著，通過概念建模、架構(gòu)設(shè)計、模型設(shè)計、模型實現(xiàn)和集成共5個步驟完成模型的構(gòu)建。在構(gòu)建過程中需要不斷反向迭代，看是否每一步都滿足前置需求?；A(chǔ)模型構(gòu)建完畢后生成仿真結(jié)果，與現(xiàn)實系統(tǒng)比對，并根據(jù)采集到的實時數(shù)據(jù)進行同步更新。當系統(tǒng)發(fā)生重大變革或模型被重用時，數(shù)字孿生將演化生成新版本的模型。所有生成的模型、過程模型與格式化的需求都會存入模型庫/云池等待被重用。

數(shù)字孿生驅(qū)動的工藝設(shè)計模式使工藝設(shè)計與優(yōu)化呈現(xiàn)出以下新的轉(zhuǎn)變：①在基于仿真的工藝設(shè)計方面，真正意義上實現(xiàn)了面向生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝過程建模與仿真，以及可預測的工藝設(shè)計；②在基于知識的工藝設(shè)計方面，實現(xiàn)了基于大數(shù)據(jù)分析的工藝知識建模、決策與優(yōu)化；③在工藝問題主動響應(yīng)方面，由原先的被動工藝問題響應(yīng)向主動應(yīng)對轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了工藝問題的自主決策。

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基于數(shù)字孿生的工藝設(shè)計應(yīng)用

推動航空發(fā)動機先進制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)融合應(yīng)用，提升航空發(fā)動機數(shù)字化、智能化制造整體水平，有利于突破我國航空發(fā)動機制造技術(shù)體系面臨的瓶頸，顯著提高制造技術(shù)成熟度，增強核心能力，是實現(xiàn)航空發(fā)動機高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，也是推動航空發(fā)動機制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。中國航發(fā)研究院朱寧等探索了數(shù)字孿生在航空發(fā)動機制造工藝的應(yīng)用。

（1）制造工藝過程（物理實體）。制造工藝過程是數(shù)字孿生模型的構(gòu)成基礎(chǔ)，主要包括制造工藝過程涉及的設(shè)備、原材料、輔助工裝夾具等子系統(tǒng)以及部署的傳感器。各個子系統(tǒng)實現(xiàn)不同功能，共同支持物理實體即整個制造工藝過程的監(jiān)測、控制與優(yōu)化過程。

（2）制造過程模型（虛擬實體）。制造過程模型包括制造工藝過程涉及的幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型等，是在功能與結(jié)構(gòu)上的集成，這些模型從多時間尺度、多空間尺度對制造工藝過程進行描述，形成與制造工藝過程物理實體對應(yīng)的完整映射。

（3）應(yīng)用系統(tǒng)（服務(wù)）。對數(shù)字孿生應(yīng)用過程中所需各類數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果進行封裝，以工具組件、中間件、模塊引擎等形式支撐數(shù)字孿生內(nèi)部功能運行與實現(xiàn)，并以應(yīng)用系統(tǒng)（或平臺）等形式滿足不同用戶的不同業(yè)務(wù)需求，包括物理實體全生命周期各個階段的優(yōu)化，以及虛擬模型的測試、校正，使其準確映射物理實體。

（4）制造過程孿生數(shù)據(jù)。制造過程孿生數(shù)據(jù)受制造工藝過程、制造過程模型、應(yīng)用系統(tǒng)運行的驅(qū)動，主要包括制造工藝過程數(shù)據(jù)、制造過程模型數(shù)據(jù)、應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)、知識數(shù)據(jù)及融合衍生數(shù)據(jù)等。

（5）連接。通過連接實現(xiàn)數(shù)字孿生各組成部分的互聯(lián)互通，使制造工藝過程、制造過程模型、應(yīng)用系統(tǒng)在運行中保持交互、一致與同步；連接使制造工藝過程、制造過程模型、應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實時存入孿生數(shù)據(jù)，并使孿生數(shù)據(jù)能驅(qū)動三者的運行。以制造工藝過程與孿生數(shù)據(jù)之間的連接為例，可利用各種傳感器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等對制造工藝過程數(shù)據(jù)進行實時采集，通過控制過程的“對象鏈接和嵌入-統(tǒng)一架構(gòu)”（OPC-UA）等協(xié)議規(guī)范傳輸至孿生數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)或指令也可通過OPC-UA等協(xié)議規(guī)范傳輸反饋給制造工藝過程并實現(xiàn)其運行優(yōu)化。

新型航空發(fā)動機整體葉盤（上述的物理實體）設(shè)計中的薄壁和高扭曲葉片需要極其穩(wěn)定的銑削工藝和高度復雜的工藝設(shè)計與規(guī)劃，以避免在銑削過程中葉片振動而產(chǎn)生不可接受的表面缺陷，這使切削加工成為整體葉盤制造中關(guān)鍵的工藝流程之一。由于切削加工過程變化瞬息萬變，實時高質(zhì)量監(jiān)測難度極大，這意味著在切削完成之前無法預測最終結(jié)果。目前整體葉盤的銑削過程可以持續(xù)一整天甚至能夠達到100h或更長時間，并且返工率通?？筛哌_25％以上，工時成本大。而且，未來的整體葉盤設(shè)計仍在不斷向輕量化和更復雜的結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，甚至很快將超出目前制造工藝和設(shè)備的能力范圍。因此，通過數(shù)字孿生的優(yōu)點，建立數(shù)字孿生模型實現(xiàn)整體葉盤的高性能制造具有重要意義。

（1）現(xiàn)場多源數(shù)據(jù)收集和處理。整體葉盤切削加工過程處于高度非線性狀態(tài)，存在熱變形、彈性變形、殘余應(yīng)力以及系統(tǒng)振動等多種復雜的物理現(xiàn)象，獲得現(xiàn)場多源數(shù)據(jù)、實現(xiàn)高質(zhì)量監(jiān)測的難度很大。5G技術(shù)的主要優(yōu)勢是可以提供非常低、穩(wěn)定和可預測的延遲，并通過提供這種低延遲功能來實現(xiàn)控制閉環(huán)，滿足實時控制需要在1ms內(nèi)完成處理傳感器信息的要求。通過微型傳感器和5G通信模塊可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，以及更嚴格控制的監(jiān)控功能。將通過5G的傳感器放置在試件或工具上，實現(xiàn)當前故障的實時檢測，并將錯誤率降低至15％。為了監(jiān)控銑削過程，試件配備了一個無線智能傳感器，可以檢測當前的過程穩(wěn)定狀態(tài)，該智能傳感器使用直接連接到試件表面的微型加速度傳感器捕獲整個銑削過程的試件振動。傳感器系統(tǒng)將頻率范圍高達10kHz的振動信號傳輸?shù)綑C器外部的接收器系統(tǒng)，以進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和過程穩(wěn)定性確定。

（2）數(shù)字孿生模型構(gòu)建。傳統(tǒng)工藝設(shè)計基于試錯法，低效、耗時并依賴于人的經(jīng)驗，使得該階段的成本和時間不可預測。為了解決上述問題，基于從高精度智能傳感器和機器控制系統(tǒng)收集的實時數(shù)據(jù)，針對整體葉盤加工過程和物理設(shè)備從多時空尺度建立模型，實施多物理場和多尺度的模擬仿真分析，形成人-機知識融合，具備實時的判斷、評估、優(yōu)化及預測能力，從而形成整體葉盤制造過程的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)虛實雙向連接與交互等。加工過程調(diào)控與自主進化開展實時監(jiān)控，防止缺陷零件進一步加工，并定位和描述缺陷以及啟動返工；進一步對加工過程實時控制，調(diào)整優(yōu)化加工工藝，例如改變銑刀旋轉(zhuǎn)速度等，實施自適應(yīng)柔性加工。以葉片振動狀態(tài)的自診斷、自決策、自進化過程為例（如圖4所示）。從控制系統(tǒng)連續(xù)提取刀頭坐標數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)并與工件表面上的工作位置相互關(guān)聯(lián)，結(jié)合葉片的模擬數(shù)據(jù)，確定精確的控制策略；以傳感器數(shù)據(jù)、機床控制的刀具位置和模擬數(shù)據(jù)作為輸入，計算基于實際工況及其動態(tài)變化的最佳主軸速度，并將此信息反饋給控制系統(tǒng)最終形成閉環(huán)，有效避免過大振動（甚至是共振）發(fā)生導致加工中斷和試件報廢。

圖4 制造工藝過程的數(shù)字孿生應(yīng)用模型

編輯：黃飛