趙瑤瑤

（江蘇永豐機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 淮安 211722）

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛而多樣，可應(yīng)用于制造、航空航天、能源、醫(yī)療、城市規(guī)劃等領(lǐng)域。該技術(shù)為這些領(lǐng)域提供了更加精準(zhǔn)、高效的數(shù)字化解決方案，促進(jìn)了其智能化、可持續(xù)化、綠色化發(fā)展。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)將成為數(shù)字時(shí)代的重要趨勢，其應(yīng)用更加廣泛，研究也更加深入。例如，全球最大的武器制造商洛克希德·馬丁公司已經(jīng)將數(shù)字孿生技術(shù)列為未來國防和航天工業(yè)六大前沿技術(shù)之首。此外，GE 公司基于Predix 平臺構(gòu)建了面向產(chǎn)品預(yù)測的數(shù)字化生命周期系統(tǒng)，使制造商和運(yùn)營商能夠?qū)Ξa(chǎn)品的整個(gè)生命周期進(jìn)行預(yù)測。

數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中具有巨大的應(yīng)用潛力。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)方面，利用數(shù)字孿生模型可以在零部件物理生產(chǎn)前對其進(jìn)行虛擬加工和驗(yàn)證，避免了迭代設(shè)計(jì)帶來的高成本和長周期。在產(chǎn)品全生命周期管理中，數(shù)字孿生模型可以檢測產(chǎn)品損傷并提供實(shí)時(shí)反饋，以改進(jìn)預(yù)測性維護(hù)并指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，有望給制造業(yè)帶來革命性變革。因此，本文圍繞數(shù)字孿生廣泛應(yīng)用的制造業(yè)，分析其關(guān)鍵技術(shù)及其在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，總結(jié)了數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中的研究方向和應(yīng)用趨勢。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的特征與應(yīng)用

數(shù)字孿生是一種快速發(fā)展的技術(shù)，受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵特征之一是其對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的依賴。這使得創(chuàng)建一個(gè)與物理世界相對應(yīng)的虛擬世界成為可能。通過利用虛擬世界模擬各種場景，從不同角度分析原始對象或系統(tǒng)的性能。這使得該技術(shù)對物理對象或系統(tǒng)的分析可以用于實(shí)際工程中的決策和優(yōu)化。數(shù)字孿生的概念提出至今已有數(shù)年，但至今仍沒有一個(gè)全面而具體的定義涵蓋該技術(shù)的各個(gè)方面。

數(shù)字孿生技術(shù)在不同行業(yè)和部門有著廣泛的應(yīng)用。例如，在制造業(yè)中用于優(yōu)化生產(chǎn)流程和減少生產(chǎn)耗材，在醫(yī)療保健中用于模擬和測試醫(yī)療過程，在交通中用于模擬和分析交通運(yùn)輸。除了實(shí)際應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)也一直是計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程、管理等各個(gè)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的主題。研究人員探討了技術(shù)的不同方面，如它對創(chuàng)新和競爭力的潛在影響，它在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面的作用，以及它改變我們設(shè)計(jì)和操作復(fù)雜系統(tǒng)的方式的潛力?？傊瑪?shù)字孿生是一項(xiàng)對未來具有巨大前景的技術(shù)。它能夠創(chuàng)建物理對象或系統(tǒng)的精確數(shù)字副本，并從不同的角度對其進(jìn)行模擬和分析，有可能徹底改變學(xué)者設(shè)計(jì)、操作和分析的方式。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)制造應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是工業(yè)制造中利用數(shù)字化建模、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造過程數(shù)字化、智能化、可視化、高效化的新興技術(shù)。具體涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 數(shù)字化建模技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)的核心在于數(shù)字建模技術(shù)，即利用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建物理對象的精確數(shù)字模型。這些數(shù)字模型包括幾何模型、物理模型和行為模型，能夠?qū)?shí)物進(jìn)行全方位、多維度的數(shù)字化管理和仿真分析。數(shù)字化建模技術(shù)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確性和完整性，要求根據(jù)實(shí)物的特點(diǎn)和用途選擇合適的建模方法和工具，以保證數(shù)字化模型的準(zhǔn)確性和完整性。

2.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)依靠從物理對象中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)與物理對象的實(shí)時(shí)連接。數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)必須考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和安全性，采用合適的傳感器和通信技術(shù)保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸。

2.3 數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)

數(shù)據(jù)處理與分析是數(shù)字孿生技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。在應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)時(shí)，必須考慮數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)量和多樣性。只有保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，才能保證數(shù)字孿生系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)據(jù)的數(shù)量和多樣性也對數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了重大影響。更多的數(shù)據(jù)可以提供更全面和詳細(xì)的信息，而多樣的數(shù)據(jù)可以提供不同的視角，使得數(shù)字孿生系統(tǒng)更加可靠和適用。

2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)強(qiáng)調(diào)了虛擬實(shí)體與設(shè)備管理者之間的互動。而VR 技術(shù)允許將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)、流程和機(jī)制動態(tài)映射到3D 空間，為設(shè)備管理者提供更逼真的感官體驗(yàn)，并促進(jìn)與虛擬實(shí)體的沉浸式交互。通過利用VR 技術(shù)，設(shè)備管理者可以獲得系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)反饋，直觀展示設(shè)備的優(yōu)劣，為設(shè)備改進(jìn)提供啟發(fā)和指導(dǎo)。在高危制造環(huán)境中，VR 技術(shù)可以提供最直接的設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)信息，從而增強(qiáng)設(shè)備的可靠性和安全性。在數(shù)字孿生的整個(gè)生命周期中，VR 技術(shù)可以極大地促進(jìn)設(shè)備管理、性能優(yōu)化和維護(hù)。

2.5 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)的應(yīng)用則可以進(jìn)一步提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的效果。通過對數(shù)字孿生系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，人工智能技術(shù)可以幫助管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的問題，提高制造效率和質(zhì)量。然而，要充分利用人工智能技術(shù)，需要考慮數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量和算法選擇等因素，并采用合適的人工智能技術(shù)和算法。只有在這些因素得到充分考慮的情況下，才能充分利用數(shù)字孿生系統(tǒng)和人工智能技術(shù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3 數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)制造

近年來，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展使得數(shù)字孿生成為可能。目前，數(shù)字孿生已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、交通、健康管理、智慧城市等各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在工業(yè)制造行業(yè)。數(shù)字孿生作為一種新興技術(shù)，被公認(rèn)為工業(yè)4.0 的重要支撐技術(shù)之一。國內(nèi)外對工業(yè)制造業(yè)數(shù)字孿生的研究主要集中在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)3 個(gè)方面。

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

隨著市場上的小批量、個(gè)性化、定制化制造的興起。如何有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期對各個(gè)企業(yè)有較高的要求。為了解決這一難題，許多研究者開始著手研究如何借助數(shù)字孿生系統(tǒng)提高產(chǎn)品的響應(yīng)周期，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供有效的指導(dǎo)。Yan 等人開發(fā)了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)平臺，并進(jìn)一步應(yīng)用了虛實(shí)聯(lián)動技術(shù)，加速了產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)周期。李浩等人提出了一種有效的數(shù)字孿生產(chǎn)品設(shè)計(jì)循環(huán)框架，并進(jìn)一步探索了復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)-制造-疲勞-破損的全生命周期過程。李琳利等人在基于已有的產(chǎn)品數(shù)字化建模的基礎(chǔ)，進(jìn)一步地改進(jìn)并提出了一種多學(xué)科協(xié)同的建模參考框架，另外，她還提出了一種面向機(jī)電一體化的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)和虛擬工程方法。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)過程依賴于設(shè)計(jì)人員或工程師的經(jīng)驗(yàn)和知識，涉及冗長的開發(fā)、測試和修改過程，甚至可能需要反復(fù)迭代。在產(chǎn)品測試失敗的情況下，需要進(jìn)一步修改設(shè)計(jì)和創(chuàng)建新的模型，顯然這需要大量的財(cái)力、物力和人力。然而，數(shù)字孿生技術(shù)集成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程，利用元素之間的虛擬和物理同步，利用數(shù)字化和信息系統(tǒng)，可以根據(jù)工程需求進(jìn)行產(chǎn)品測試和虛擬驗(yàn)證。基于測試結(jié)果，利用人工智能和高保真模型模擬方法可以消除誤差，減少實(shí)際分析時(shí)間。

3.2 生產(chǎn)制造

在生產(chǎn)制造階段，可以利用數(shù)字孿生技術(shù)對生產(chǎn)設(shè)備、制造過程、生產(chǎn)工序進(jìn)行模擬。這可以改善工藝流程，提高生產(chǎn)效率，并支持產(chǎn)品生命周期管理。數(shù)字孿生驅(qū)動的工藝規(guī)劃涉及產(chǎn)品資源和整個(gè)過程的虛擬映射和交互反饋，產(chǎn)生迭代協(xié)同優(yōu)化。它可以實(shí)時(shí)預(yù)測加工后產(chǎn)品的形狀和性能，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果和裝配效果提出修改措施。李仁旺提出了數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造服務(wù)模式架構(gòu)，為推動傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)模式和企業(yè)轉(zhuǎn)型提供了指導(dǎo)。孫玉成等人實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的可視化控制，并進(jìn)一步提出了面向生產(chǎn)過程的智能車間數(shù)字孿生建模與應(yīng)用系統(tǒng)。

3.3 安全維護(hù)

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，有望給制造業(yè)帶來革命性變革，帶來效率、質(zhì)量和成本效益的顯著提升。其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)到生產(chǎn)計(jì)劃與優(yōu)化，甚至到預(yù)測性維護(hù)和故障診斷。在智能制造中，利用數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)，可以將工業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的數(shù)字孿生模型中進(jìn)行仿真建模和數(shù)據(jù)分析。實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)的智能診斷和故障預(yù)警，設(shè)備整體性能的準(zhǔn)確監(jiān)測，人員及時(shí)決策，避免嚴(yán)重故障和災(zāi)害的發(fā)生，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。王炎提出了一種利用數(shù)字孿生技術(shù)建立并驗(yàn)證齒輪箱數(shù)字孿生模型準(zhǔn)確性的框架。閆天紅[7]等利用數(shù)字孿生技術(shù)對平臺結(jié)構(gòu)安全評估和壽命預(yù)測模型進(jìn)行修正，了解海洋管道平臺在其整個(gè)服役生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)行為，實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)測和預(yù)防性維護(hù)，延長平臺壽命。目前數(shù)字孿生技術(shù)已應(yīng)用于齒輪箱、海洋管道平臺等各個(gè)領(lǐng)域，以提高精度、預(yù)測和預(yù)防維修需求，延長設(shè)備壽命。

4 數(shù)字孿生技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及其發(fā)展方向

數(shù)字孿生技術(shù)對推動智能制造、智慧城市、數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要的指導(dǎo)作用。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等新一代高科技信息技術(shù)的深度融合，其在各行業(yè)領(lǐng)域具有良好的未來前景和發(fā)展?jié)摿ΑＬ貏e是，隨著工業(yè)4.0 時(shí)代的到來，數(shù)字孿生在工業(yè)制造領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的前景，但理想的前景距離當(dāng)前的制造技術(shù)水平仍有較大差距。本文認(rèn)為，數(shù)字孿生技術(shù)將面臨以下問題。

（1）老牌企業(yè)產(chǎn)業(yè)線革新的成本較高。企業(yè)還需要投入大量的時(shí)間和資金來培訓(xùn)員工，使其適應(yīng)新的生產(chǎn)流程和設(shè)備操作。這也會對企業(yè)的生產(chǎn)效率和盈利能力造成影響，需要在轉(zhuǎn)型過程中做好平衡和規(guī)劃。因此，在企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)線革新時(shí)，需要綜合考慮成本、效益和風(fēng)險(xiǎn)，制定出合理的轉(zhuǎn)型計(jì)劃，逐步推進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)型。

（2）部分國家的復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)據(jù)價(jià)值較低。在一些發(fā)展中國家，制造業(yè)尚處于起步階段，制造過程依靠大規(guī)模的生產(chǎn)線，無須復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程。因此，產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)周期并不是制造企業(yè)重點(diǎn)考慮的問題。在這些國家，數(shù)字孿生技術(shù)看不到應(yīng)用的前景。（3）行業(yè)整體的數(shù)字化設(shè)計(jì)水平也較低。數(shù)字孿※生技術(shù)依賴現(xiàn)代技術(shù)的支持。雖然航空航天和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)具有較高的技術(shù)發(fā)展水平，但制造業(yè)的平均水平仍然在平均水平附近。要全面提升產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，在各個(gè)層面應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，需要大力發(fā)展基礎(chǔ)制造業(yè)。

（4）垂直領(lǐng)域交互水平較低。由于目前各個(gè)垂直耦合的軟件之間交互水平較低，從而導(dǎo)致了不同領(lǐng)域的不同軟件之間無法實(shí)現(xiàn)有效的耦合，數(shù)據(jù)庫無法真實(shí)地共享，從而在一定程度上阻礙了數(shù)字孿生技術(shù)的推廣。另外，需要注意的是，垂直軟件交互方面人才的缺失在一定程度上也阻礙了數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)。

（5）數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的優(yōu)先級。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，虛擬模型的精確評估需要從實(shí)際物理模型中獲取精確的數(shù)據(jù)。因此，在兩端之間是數(shù)據(jù)發(fā)送和更新的權(quán)限問題是值得推敲的，該問題限制了大數(shù)據(jù)平臺和云計(jì)算能力的應(yīng)用。因此，如何讓管理者和建設(shè)者平等的共享數(shù)據(jù)是未來需要重點(diǎn)考慮的問題之一。