論文題目：未來(lái)裝備探索：數(shù)字孿生裝備

論文作者：陶飛¹，張辰源¹，張賀¹，程江峰¹，鄒孝付²，徐慧³，王勇³，謝兵兵⁴

作者單位：

1. 北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 數(shù)字孿生研究組，北京 100191

摘要：

文章主要工作：

1、分析了裝備發(fā)展新環(huán)境、新趨勢(shì)、新挑戰(zhàn)

   不斷變化的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，以及不斷涌現(xiàn)并逐漸成熟的新一代信息技術(shù)，對(duì)裝備的未來(lái)發(fā)展提出了以下新的挑戰(zhàn)和新的需求。

   綜上所述，我國(guó)亟需實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有各類裝備的數(shù)字化賦能、網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)、智能化升級(jí)，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(yùn)作模式，鑄造大國(guó)重器，建設(shè)裝備強(qiáng)國(guó)。

2、未來(lái)裝備全生命周期新需求

   裝備全生命周期可劃分為設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、制造與測(cè)試、交付與培訓(xùn)、運(yùn)維與管控、報(bào)廢與回收五大階段。為應(yīng)對(duì)裝備發(fā)展新環(huán)境、新趨勢(shì)和新挑戰(zhàn)，未來(lái)裝備在全生命周期各階段存在以下具體新需求，如表1所示。

表1 未來(lái)裝備全生命周期新需求

3、數(shù)字孿生裝備概念與組成

本文基于作者團(tuán)隊(duì)前期提出的數(shù)字孿生五維模型理論基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)字孿生裝備概念進(jìn)行探討，如圖1所示。

物理裝備是與物理空間的各要素直接發(fā)生作用關(guān)系的裝備實(shí)體部分，由動(dòng)力、傳動(dòng)、控制和執(zhí)行等部分組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行控制指令，并提供實(shí)際功能，通過(guò)結(jié)合傳感器系統(tǒng)，物理裝備還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知。

圖3 裝備數(shù)字孿生模型與數(shù)據(jù)融合映射

物理裝備、數(shù)字裝備和孿生數(shù)據(jù)作為數(shù)字孿生裝備必不可少的三個(gè)部分，分別賦予裝備不同方面的能力，但這三個(gè)部分并不是一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)，既難以對(duì)其進(jìn)行高效管理與組織，也無(wú)法有效與人交互，為人服務(wù)。因此，數(shù)字孿生裝備需要第四個(gè)部分，即軟件服務(wù)。軟件服務(wù)封裝并整合物理裝備、數(shù)字裝備和孿生數(shù)據(jù)的各種功能，面向不同的業(yè)務(wù)需求，提供具有可請(qǐng)求、可調(diào)用、可匹配、可重構(gòu)、可復(fù)用的裝備服務(wù)，實(shí)現(xiàn)裝備關(guān)系多樣化和組織柔性化，從而提供端到端的優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)和可重構(gòu)差異化服務(wù)，并支持人機(jī)交互和平臺(tái)化集成，使數(shù)字孿生裝備具備運(yùn)維高效性、用戶友好性、調(diào)度靈活性和決策智能性，如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生裝備軟件服務(wù)

連接交互由網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、通信協(xié)議、輸入輸出設(shè)備及相關(guān)技術(shù)等組成，作為物理裝備、數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)和軟件服務(wù)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，以及與人和其它裝備協(xié)作與交互的橋梁，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生裝備時(shí)效服務(wù)、物理裝備遠(yuǎn)程管控、人機(jī)和多機(jī)高效協(xié)作等提供支持，如圖5所示。

圖5 數(shù)字孿生裝備連接交互

基于物理裝備、數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)、軟件服務(wù)和連接交互，數(shù)字孿生裝備具備自感知、自認(rèn)知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行和自優(yōu)化六個(gè)理想特征，如圖6所示。

基于物理裝備、數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)、軟件服務(wù)和連接交互，數(shù)字孿生裝備具備五個(gè)理想能力：①物理裝備數(shù)字化表達(dá)能力、②數(shù)據(jù)融合與可視化呈現(xiàn)能力、③遠(yuǎn)程管控與多要素協(xié)同能力、④動(dòng)態(tài)需求快速響應(yīng)能力、⑤自適應(yīng)-自學(xué)習(xí)-自優(yōu)化能力，如圖7所示。

為實(shí)現(xiàn)上述數(shù)字孿生裝備理想特征與能力，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)特點(diǎn)，從數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)、連接交互、軟件服務(wù)以及模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)五個(gè)角度分析數(shù)字孿生裝備所需的關(guān)鍵技術(shù)，如圖8所示。數(shù)字孿生裝備關(guān)鍵技術(shù)主要分為五大類：①物理裝備數(shù)字化表達(dá)相關(guān)技術(shù)；②數(shù)據(jù)融合與可視化相關(guān)技術(shù)；③遠(yuǎn)程管控與多要素協(xié)同相關(guān)技術(shù)；④動(dòng)態(tài)需求快速響應(yīng)相關(guān)技術(shù)；⑤自適應(yīng)-自學(xué)習(xí)-自優(yōu)化相關(guān)技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生裝備不是一蹴而就的，立足當(dāng)前行業(yè)現(xiàn)狀，并結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生裝備發(fā)展的具體需求，提出數(shù)字孿生裝備發(fā)展的三個(gè)主要階段，如圖9所示。

裝備數(shù)字化交付是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)的基礎(chǔ)，也是推動(dòng)各行業(yè)數(shù)字孿生裝備發(fā)展的必要條件。因此，為盡快實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)裝備達(dá)到數(shù)字化交付要求的階段性目標(biāo)，需全面升級(jí)裝備研發(fā)模式，大力推行并堅(jiān)持貫徹裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)與研制。

為積累足夠的裝備數(shù)據(jù)、模型和知識(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生裝備智能服務(wù)，需要各行業(yè)：①充分認(rèn)知數(shù)據(jù)資產(chǎn)對(duì)于裝備智能的重要性，提高裝備數(shù)據(jù)資產(chǎn)積累意識(shí)；②為相關(guān)裝備建立統(tǒng)一、開(kāi)源、規(guī)范的裝備模型庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)裝備全生命周期數(shù)據(jù)資產(chǎn)的匯聚與管理；③建立通用算法庫(kù)，為裝備模型的管理和評(píng)估、裝備數(shù)據(jù)的預(yù)處理和融合以及裝備知識(shí)的挖掘和表示提供支持。

數(shù)字孿生裝備發(fā)展高級(jí)階段的主要內(nèi)容是通過(guò)挖掘裝備數(shù)據(jù)資產(chǎn)隱藏價(jià)值，賦予數(shù)字孿生裝備涵蓋預(yù)見(jiàn)性、靈活性和自適應(yīng)性等諸多特性的自主智能，并基于云、霧、邊、端架構(gòu)發(fā)展數(shù)字孿生裝備平臺(tái)化、分布式、服務(wù)化運(yùn)營(yíng)新模式，面向不同的用戶提供端到端的優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)和可重構(gòu)差異化智能服務(wù)。

航空復(fù)合材料對(duì)質(zhì)量要求極高，因此對(duì)生產(chǎn)工藝要求極高。熱壓罐作為航空復(fù)合材料制件的主要生產(chǎn)設(shè)備，為先進(jìn)復(fù)合材料固化提供高溫高壓環(huán)境。熱壓罐的穩(wěn)定運(yùn)行、精準(zhǔn)控制對(duì)航空復(fù)合材料的生產(chǎn)至關(guān)重要。目前針對(duì)熱壓罐的運(yùn)維大多采用的是定期檢修、事后維修的方式，即便采用故障診斷與預(yù)測(cè)的方式，也常常因?yàn)槿狈τ行v史故障數(shù)據(jù)，導(dǎo)致故障診斷與預(yù)測(cè)精度低的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，作者團(tuán)隊(duì)研究建立了一套數(shù)字孿生熱壓罐健康管控系統(tǒng)，分別從數(shù)字熱壓罐構(gòu)建、孿生數(shù)據(jù)生成、孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的熱壓罐故障診斷與預(yù)測(cè)，以及復(fù)材加工車間數(shù)字孿生熱壓罐健康管控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面進(jìn)行了研究，如圖10所示。

圖10 復(fù)材加工車間數(shù)字孿生熱壓罐及其健康管控系統(tǒng)

（2）紡織車間數(shù)字孿生物流裝備

紡織車間中存在大量裝備，占地面積大、工序多、轉(zhuǎn)運(yùn)流程多。車間物流裝備的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化是實(shí)現(xiàn)紡織業(yè)由勞動(dòng)密集型向自動(dòng)化無(wú)（少）人化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。當(dāng)前普遍存在以下不足：①裝備運(yùn)行監(jiān)控二維平面化，缺乏所見(jiàn)即所得的監(jiān)控手段；②裝備之間的協(xié)作易失??；③裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維難實(shí)現(xiàn)；④裝備故障多，且難以提前預(yù)測(cè)并及時(shí)處置；⑤物流作業(yè)策略缺乏自適應(yīng)調(diào)度。針對(duì)上述不足，作者團(tuán)隊(duì)建立了紡織車間數(shù)字孿生物流裝備運(yùn)維管控系統(tǒng)，分別從紡織車間物流裝備數(shù)字孿生模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集與虛實(shí)交互、虛擬運(yùn)行與調(diào)試、遠(yuǎn)程運(yùn)維、故障診斷與預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，如圖11所示。

圖11 紡織車間數(shù)字孿生物流裝備及管控系統(tǒng)

致謝：

除所列作者外，北航數(shù)字孿生研究組其他成員也參與了本文的討論，在此一并表示感謝。感謝董景辰、張相木、汪宏、葉猛、黃祖廣、陳虎等專家對(duì)本文相關(guān)內(nèi)容的討論和指導(dǎo)。感謝劉強(qiáng)、寧振波、趙敏、朱鐸先和林雪萍等專家對(duì)本文數(shù)字孿生裝備軟件服務(wù)分類組成圖（圖4）的指導(dǎo)。

本文相關(guān)內(nèi)容先后在2021年中國(guó)紡織機(jī)械行業(yè)科技大會(huì)（2021年9月14日，杭州）、2021年第九屆航天技術(shù)創(chuàng)新國(guó)際會(huì)議（2021年10月14日，杭州）、2021年全國(guó)先進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)理論與應(yīng)用研討會(huì)（2021年11月6日，西安）、2021年第一屆中國(guó)國(guó)際透平機(jī)械產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟前沿科技大會(huì)（2021年10月26日，沈陽(yáng)）、2021年第17屆中國(guó)CAE年會(huì)仿真與數(shù)字孿生技術(shù)論壇（2021年11月14日，?？冢?、2021年第七屆中國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)學(xué)研大會(huì)（2021年12月5日，北京）等會(huì)議上進(jìn)行了匯報(bào)和交流。在此感謝為相關(guān)研究工作提出寶貴建議的國(guó)內(nèi)外學(xué)者與工業(yè)界同行。

文章信息：

陶 飛, 張辰源, 張 賀, 等. 未來(lái)裝備探索：數(shù)字孿生裝備[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2022, 28(1): 1-16.