数字孪生在智能制造领域的应用及发展趋势

刘恩伟 陈健 孔祥鹏 孙罗文

[摘    要 ]信息技术与制造技术的不断更新发展，使得传统制造业发生了变革，智能制造已经成为国家制造业发展的主流方向，并已经升级为国家发展战略的重要内容之一。数字孪生技术在智能制造领域的应用，使得智能制造物理信息融合的难题得到有效的解决，也因此受到多个行业的广泛关注。数字孪生技术已经成为十大战略科技发展趋势之一，在智能制造领域应用，对行业发展起到重要的推动作用。基于数字孪生的基本内涵，探讨数字孪生在智能制造领域的具体应用，并对其在智能制造领域的发展趋势进行展望。

[关键词]数字孪生，智能制造;应用;趋势

[中图分类号]TP311.13 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]The continuous update and development of information technology and manufacturing technology has changed the traditional manufacturing industry . Intelligent manufacturing has become the mainstream direction of the national manufacturing industry development ， and has been upgraded to one of the important contents of the national development strategy .The application of digital twin technology in the field of intelligent manufacturing has effectively solved the problem of physical information integration of intelligent manufacturing ， and therefore has attracted wide attention from many industries .Digital twin technology has become one of the top ten development trends of strategic technology ， and its application in the field of intelligent manufacturing ， for example ， will play an important role in promoting the development of the industry .Based on the basic connotation of digital twin ， this paper discusses the specific application of digital twin in intelligent manufacturing and discusses the trend of intelligent manufacturing .

[Keywords]digital twin ， intelligent manufacturing ; application ; trends

随着制造技术的飞速发展，自动化技术、信息技术等先进技术的应用，传统制造业的生产方式发生变革，智能制造成为现代制造业的主流趋势。传统制造业向智能制造的转换，代表着制造业进入了一个新的发展阶段，同时也面临着一系列新的问题。数字孪生技术可以在虚拟空间对物理实体进行实时动态仿真，并进行协同优化，将现实世界中难以实现的推演、验证和运维在虚拟世界中完成，不仅大幅降低运维成本，而且有效提高了生产效率。2015年以来，世界发达国家开始重视物理信息系统（CPS）的构建，使真实世界的物理工程能够与虚拟空间内的数字工厂之间能够实现有效的映射和相互间的信息交互，推动智能制造迈入一个新的发展阶段。而数字孪生技术无疑是CPS构建的首选，世界各国由此开始对数字孪生开展了更加深入地研究。但是数字孪生技术在智能制造领域应用时间并不长，在体系支撑和技术实际应用方面还面临很多难题，需要在日后更加深入的研究和探索。

1 数字孪生概述

1.1 数字孪生的定义

数字孪生概念最早是在2003年，由美国密歇根大学Michael Grieves教授提出。当时数字孪生概念还只是一个概念雏形，在当时數字孪生也可称之为“镜像空间模型”。数字孪生概念一经提出就受到全世界范围内的高度关注。不同领域不同时期的研究人员也赋予了数字孪生更加丰富的内涵。简单来说，数字孪生就是集合多方面数据，集成多种仿真过程实现在虚拟空间对实体装备全生命周期的映射。

1.2 数字孪生的关键技术

1.2.1 建模

数字孪生是以物理实体为基础的，对其进行数字化模拟，建立仿真模型。在虚拟空间建立其余真实世界物理实体等比例的数字模型，对物理实体全生命周期的运行状态和各个属性进行实时的模拟、监测、管理、预测。因此，建立数字化模型是数字孪生技术应用的基础步骤，也是数字孪生技术的核心所在。数字孪生的建模与普通的单一化建模不同，其需要从多个尺度、多个角度的考虑，综合各个方面的物理量数据，建立多维模型。

1.2.2 仿真

建模是对真实世界物理实体的抽象化展示，那么仿真就是对实体抽象化是否真实映射的验证。数字孪生系统相对于一般物理模型在结构上要复杂得多，因此，需要从结构、运行机理方面给予充分地理解，并要全面考虑到实际环境和运行工况的影响。数字孪生系统仿真验证是以数据作为驱动力，仿真模型可以与物理实体之间可以实现价值实时的动态更新。在模型驱动的基础上，结合数字驱动，已达到提高仿真效果的目的。

1.2.3 数据传输交互

数字孪生技术实现是依托数据驱动，那么数据的获取与传输就非常重要。传感器负责采集获取数据，因此对传感器的性能及其稳定性就提出了很高的要求。同时为了实现数据实施交互传输、及时更新等功能，数据传输不仅对速率有很高的要求，对数据的准确性和安全性要求也很高。目前的传感器技术还有很大的发展空间，在稳定性和抗干扰方面还有待进一步提升，同时数据采集的方式也需要更加多样化，这些都是以后研究的重点内容。

1.2.4 虚拟现实

虚拟现实技术也就是VR技术，数字孪生技术中物理实体与虚拟体之间信息交互极其重要。VR技术的优势就在于能够将目标系统多方面的状态实时的、动态的在三维空间内以立体化的形式映射出来，让管理者能够实现多种感官上的体验，真正的实现沉浸式的交互，而这种交互方式正式数字孪生所需要的。VR技术可以使管理者得到系統多个方面的运行状态的有效反馈，无论对于设备价格的维修还是升级都具有重要的作用。尤其对于具有高危性的制造业，通过VR技术能够获得有关设备最直接、准确的信息，更大程度的保障安全性。

2 数字孪生实现流程

数字孪生技术的实现，首先就是采集获取数据，对物理实体对象相关的尺度、参数、物理量等数据进行采集，获取数据基础。然后对数据加以整合，再依托计算平台建立仿真模型，在虚拟空间中构建与物理实体同比例、同环境、同工况的虚拟实体;通过服务平台实现虚拟实体与平台之间、平台物理实体之间、虚拟实体与物理实体之间的交互，实现物理实体与虚拟实体的全生命周期的映射与反馈，实现流程如图1所示。

3 数字孪生在智能制造领域的应用

3.1 在产品设计中的应用

产品设计时产生生命周期正式开始的第一环节，也是数字孪生具体应用的第一阶段。企业为了满足不断发展更新的市场需要，需要不断地进行产品的更新和升级，大规模个性化产生设计是现代制造行业产品设计的发展方向。需求定位不精准、设计协作难等问题一直是传统设计方法中的难题，对设计出的样机产品需要进行试验以验证和反馈实际应用性能表现，但是往往存在周期长且需要投入较高的成本，这不仅增加了企业的成本负担，更是影响产品更新换代和市场开发的速度。数字孪生技术的应用能够在产品设计阶段就对其虚拟产品进行仿真，模拟实体产品在不同环境、不同生产工况下的性能表现和运行状态，以尽可能地了解实际生产出的产品是否满足预期目标设定。数字孪生不仅大幅缩短验证反馈的时间，缩短设计周期，而且大大降低了样机试制与运行验证的成本。

3.2 在工业生产中的应用

工程生产是一个系统工程，过程复杂。数字孪生技术应用在工业生产中，将真实世界中的物理实体设备与虚拟空间中的虚拟设备依托信息服务平台，实现信息数据的连接和交互，虚拟设备可以对实体设备的运行环境、运行状态、生产过程进行在线实时动态的反映和控制，同时还可以预测可能发生的故障，及时做出决策指导，提高生产效率。面向生产车间提出应用数字孪生技术对车间运行进行三维可视化实时动态监控，基于车间运行数据驱动建立虚拟车间运行模型，实现车间生产全流程的动态监控。基于模型仿真的良好反馈开发出实例并进行实际运行验证，效果良好。

3.3 在制造服务中的应用

产品在生产制造的过程中，整个生产系统的运行会产生海量的数据，应用数字孪生技术对数据进行分析处理，提取有价值的信息，为生产设备的运行提供反馈和预测，为生产人员提供技术指导，为企业管理决策提供信息服务。面向机电设备维修应用数字孪生技术建立维修指导模型，物流维修空间与虚拟维修空间相互融合，双向映射。对物理维修空间进行设备故障预警、快速诊断、维修指导等方面发挥了重要的作用。

4 数字孪生在智能制造领域的发展趋势

近年来，随着数字孪生技术在智能制造领域取得的重要成果越来越多，技术优势越来越明显，数字孪生技术发展迅速，各国对数字孪生技术加大关注和研究力度，不仅在制造领域，在多个行业领域都有所应用。数字孪生技术已成为十大国家战略规划中的重点技术，给予高度的重视并开始深入研究与应用。

数字孪生技术以设备全生命周期的数据为基础来进行建模，沉浸式交互方式对设备的运行情况进行实时状态监测和反馈。数字孪生系统具有的自识别、自计算、自学习、自决策能力解放了人类的一部分脑力工作，并对研究人员的生产研发、攻克难题提供帮助。智能化程度的提升、延长设备使用寿命、提高制造效率是数字孪生技术对于设备智能化管理中的发展方向。

数字孪生技术对产品生产的全流程进行建模，在虚拟空间对产品的生命周期进行模拟仿真，预测产品流程中某一个环节可能出现的问题，提早防范，消除隐藏风险，流程中的每个环境都保持在一个最优化的状态，从而生产出优质的产品。未来最优的状态不仅仅限于产品的生产，还包括产品的最优存储、最优运输等，产品全生命周期智能化管理也是数字孪生在智能制造领域的发展趋势。随着工业大数据、物联网、人工智能、虚拟现实等技术的不断融合和快速发展，相信未来数字孪生技术在智能制造领域的发展必然前景广阔。

5 结束语

随着数字孪生技术研究的不断深入，数字孪生技术应用于智能制造领域取得的成果越来越多，其技术优势也越来越明显。即便如此，数字孪生技术还处于成长期，应用于智能制造领域的时间并不长，还需要在日后的实践应用中不断去检验、去探索。特别是在关键技术方面，还有很多难点有待进一步突破，与其他学科之间的融合也是未来研究的重点方向之一。至今为止，关于数字孪生技术还没有建立起明确的标准，学科体系也有待进一步完善。相信随着对数字孪生技术研究力度不断加大，数字孪生技术在智能制造领域的应用也必将取得更好的效果。

参考文献

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