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產品數(shù)字孿生模型

1）結構體系

以全生命周期的角度分析產品數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)組成、實現(xiàn)方式、作用及目標，其結構如圖1所示，從設計、工藝、制造、服務、回收5個方面構建五維產品數(shù)字孿生模型，構建由底層至頂層，頂層又反饋至底層的閉環(huán)模型。

圖1 產品數(shù)字孿生體的結構體系

如圖2所示，產品數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)組成主要包括產品設計數(shù)據(jù)、產品工藝數(shù)據(jù)、產品制造數(shù)據(jù)、產品服務數(shù)據(jù)以及產品退役和報廢數(shù)據(jù)等。各部分具體的數(shù)據(jù)組成如下：

（1）產品設計數(shù)據(jù)，包括產品設計模型、產品設計BOM（bill of material，Bom）、產品設計文檔等；

（2）工藝設計數(shù)據(jù)，包括工藝模型工藝BOM、工藝文檔信息（如工藝卡片、檢驗／測量要求、關鍵工序質量控制卡、物料配套表）等；

（3）產品制造數(shù)據(jù)，包括制造BOM、質量數(shù)據(jù)、技術狀態(tài)數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、生產進度數(shù)據(jù)、逆向過程數(shù)據(jù)等；

（4）產品服務數(shù)據(jù)，包括產品使用數(shù)據(jù)、產品維護數(shù)據(jù)、產品升級數(shù)據(jù)、產品使用過程監(jiān)控數(shù)據(jù)、產品健康預測與分析數(shù)據(jù)等；

（5）產品報廢或回收數(shù)據(jù)，包括產品報廢數(shù)據(jù)、產品回收數(shù)據(jù)等。

需要指出的是，產品數(shù)字孿生體不是一個靜態(tài)模型，而是一個過程模型和動態(tài)模型，會隨著數(shù)據(jù)的產生而不斷演化。

圖2 產品數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)

2）實現(xiàn)方式

基于產品全生命周期的階段劃分，產品數(shù)字孿生體的實現(xiàn)方式大致可分為以下5步。

（1）產品設計階段：構建一個全三維標注的產品模型，包括三維設計模型、產品制造信息（product manufacturing information，PMI）、關聯(lián)屬性等，PMI包括物理產品的幾何尺寸、公差，以及3D注釋、表面粗糙度、表面處理方法、焊接符號、技術要求、工藝注釋和材料明細表等，關聯(lián)屬性包括零件號、坐標系統(tǒng)、材料、版本、日期等。

（2）工藝設計階段：在三維設計模型、PMI、關聯(lián)屬性的基礎上，實現(xiàn)基于三維產品模型的工藝設計，具體實現(xiàn)步驟包括三維設計模型轉換、三維工藝過程建模、結構化工藝設計、基于三維模型的工裝設計、三維工藝仿真驗證以及標準庫的建立，最終形成基于數(shù)模的工藝規(guī)程，具體包括工藝BOM、三維工藝仿真動畫、關聯(lián)的工藝文字信息和文檔。

（3）產品生產制造階段：主要實現(xiàn)產品檔案或產品數(shù)據(jù)包即制造信息的采集和全要素重建，包含制造BOM、質量數(shù)據(jù)、技術狀態(tài)數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、產品檢測數(shù)據(jù)、生產進度數(shù)據(jù)、逆向過程數(shù)據(jù)等的采集和重建。

（4）產品服務階段：主要實現(xiàn)產品的使用和維護，主要是指操作、維修、保養(yǎng)，也包括升級和改造。

（5）產品報廢／回收階段：主要記錄產品的報廢／回收數(shù)據(jù)，包括產品報廢／回收原因、產品報廢／回收時間、產品實際壽命等。當產品報廢／回收后，該產品數(shù)字孿生體所包含的所有模型和數(shù)據(jù)都將成為同種類型產品組歷史數(shù)據(jù)的一部分進行歸檔，為下一代產品的設計改進和創(chuàng)新、同類型產品的質量分析及預測、基于物理的產品仿真模型和分析模型的優(yōu)化等提供數(shù)據(jù)支持。

3）主要特點

產品數(shù)字孿生體的實現(xiàn)方法有如下特點：

（1）面向產品全生命周期，采用單一數(shù)據(jù)源實現(xiàn)物理空間和信息空間的雙向連接。

（2）產品檔案要確保產品所有的物料都可以追溯（例如實做物料），也要能夠實現(xiàn)質量數(shù)據(jù)（例如實測尺寸、實測加工／裝配誤差、實測變形）、技術狀態(tài)（例如技術指標實測值、實做工藝等）的追溯。

（3）在產品制造完成后的服務階段，仍要實現(xiàn)與物理產品的互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)對物理產品的監(jiān)控、追蹤、行為預測及控制、健康預測與管理等，最終形成一個閉環(huán)的產品全生命周期數(shù)據(jù)管理。

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制造數(shù)字孿生模型

制造數(shù)字孿生模型是在美國國防部提出的信息鏡像模型（information mirroring model）的基礎上發(fā)展而來的，利用制造數(shù)字孿生技術可對航空航天飛行器進行健康維護與保障。實現(xiàn)過程是：需要先在虛擬空間中構建真實飛行器各零部件的模型，并通過在真實飛行器上布置各類傳感器，實現(xiàn)飛行器各類數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)模型狀態(tài)與真實狀態(tài)完全同步，這樣在飛行器每次飛行后，根據(jù)飛行器結構的現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析與評估飛行器是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。

信息鏡像模型如圖10-3所示，它是數(shù)字孿生模型的概念模型，包括3個部分：

（1）真實世界的物理產品。

（2）虛擬世界的虛擬產品。

（3）連接虛擬和真實空間的數(shù)據(jù)和信息。

圖3 信息鏡像模型

數(shù)字孿生模型不是一種全新的技術，它具有現(xiàn)有的虛擬制造、數(shù)字樣機等技術的特征，并以這些技術為基礎發(fā)展而來。

虛擬制造技術（virtual manufacturing technology，VMT）是以虛擬現(xiàn)實和仿真技術為基礎的，對產品的設計、生產過程統(tǒng)一建模，在計算機上實現(xiàn)產品從設計、加工和裝配、檢驗、使用及回收整個生命周期的模擬和仿真，從而無需進行樣品制造，在產品的設計階段就可模擬出產品及其性能和制造流程，以此來優(yōu)化產品的設計質量和制造流程，優(yōu)化生產管理和資源規(guī)劃，達到產品開發(fā)周期和成本的最小化、產品設計質量的最優(yōu)化和生產效率最高化，從而形成企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。

如波音777，其整機設計、零部件測試、整機裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計算機上完成的，其開發(fā)周期從過去的8年縮短到5年；Chrycler公司與IBM合作在虛擬制造環(huán)境中進行新型車的研制，并在樣車生產之前，就發(fā)現(xiàn)了其定位系統(tǒng)和其他許多設計有缺陷，從而縮短了研制周期。由此可見，虛擬制造的應用將會對未來制造業(yè)的發(fā)展產生深遠的影響。

數(shù)字孿生模型更加強調了物理世界和虛擬世界的連接作用，從而做到虛擬世界和真實世界的統(tǒng)一，實現(xiàn)生產和設計之間的閉環(huán)?？赏ㄟ^3D模型連接物理產品與虛擬產品，而不只是在屏幕上進行顯示，3D模型中還包括從物理產品獲得的實際尺寸，這些信息可以與虛擬產品重合并將不同點高亮，以便于人們觀察、對比。

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工廠數(shù)字孿生模型

數(shù)字孿生工廠是集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的車間仿真過程，在某企業(yè)里主要應用以下3種核心技術。

1）三維建模仿真技術

（1）集成物理建模工具，實現(xiàn)基于三維掃描建模工具的自動化幾何建模，實現(xiàn)數(shù)字孿生模型構建效率。

（2）集成虛擬現(xiàn)實和可視化技術提供全新人機交互模式下的車間虛實反饋。（圖4）

圖4 三維仿真建模技術

2）數(shù)據(jù)傳感交互技術

（1）應用基于華為芯片的傳感控制技術。

（2）提供基于數(shù)字線程技術的智能傳感、多傳感器融合、分布式控制和便于技術等服務。（圖5）

圖5 數(shù)據(jù)傳感交互技術

3）數(shù)據(jù)治理技術

（1）基于傳統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)集成技術和產品數(shù)據(jù)集成技術結合數(shù)字孿生管理殼技術提供數(shù)據(jù)治理服務。

（2）提供基于數(shù)據(jù)孿生基礎管理環(huán)境下的標識解析、數(shù)據(jù)管理、模型管理等應用。