数字孪生技术在产品生命周期中的应用与展望

数字孪生技术在产品生命周期中的应用与展望

姓名：张亮亮

单位：南京西坝码头有限公司

省市：江苏南京

邮编：210000

摘  要：数字孪生技术是一种基于物理实体的数字映射，能够在虚拟世界中完成对现实世界的映射，从而实现对真实世界的仿真和预测。数字孪生技术能够在产品全生命周期中对产品进行实时监测、诊断、分析和优化，从而帮助企业提升产品质量、降低成本、提高生产效率。基于数字孪生技术，本文首先介绍了数字孪生技术的基本概念和主要特征；然后讲述了数字孪生技术的架构设计；接着分析了产品数字孪生体在全生命周期各阶段的实施途径；最后论述了未来发展展望及面临的挑战。

关键词：数字孪生技术，产品生命周期，展望

一、数字孪生技术概念

数字孪生（Digital Twin）是一种在数字空间中构建物理实体的技术，基于物理实体的运行状态和过程，进行实时仿真和预测，以实现对物理实体的监测、诊断、优化、控制等功能。数字孪生技术主要分为两类：一类是以数字化形式表征物理实体，包括数字孪生模型和数据驱动的数字孪生技术；另一类是通过模拟仿真等手段，使通过数字孪生模型，我们可以在虚拟空间环境中更加逼真实反映地展示物理实体的特征。这两类数字孪生技术都需要以数据驱动为基础，通过数据采集、融合、分析与处理，实现对产品运行状态和过程的仿真和预测。

在产品生命周期中，数字孪生技术主要实现两方面的功能：一方面，通过对产品生产过程中产生的数据进行采集、融合、分析与处理，实现对产品设计阶段、生产阶段和服务阶段的优化；另一方面，通过对产品运行状态的仿真与预测，实现对产品运行状态的监测。

二、应用架构设计

数字孪生技术是一个完整的技术体系，包含了产品全生命周期中的数字建模、虚拟仿真、虚实映射、数据管理和智能服务五个主要的技术环节。其中，建模是数字孪生技术的核心，在虚拟世界中完成对真实世界的数字映射；仿真是数字孪生技术实现产品全生命周期应用的关键，可以在虚拟世界中完成对产品设计、生产、使用和维护过程的模拟；映射是数字孪生技术实现产品全生命周期应用的基础，可以实现对产品信息和行为的实时监测和预测；数据管理是数字孪生技术实现产品全生命周期应用的关键，可以实现对产品全生命周期相关数据的统一管理；智能服务是数字孪生技术实现产品全生命周期应用的最终目的，能够为企业提供智能服务。

三、产品数字孪生体在全生命周期各阶段的实施途径

3.1产品设计阶段

为了实现实体产品的数字孪生体，需要一种能够支撑产品设计、加工装配和使用维修等全生命周期内各个环节的信息的准确和高效的数字化表示方法。近年来兴起的“产品设计”模式，遵循了“平行协作”的概念和“单数据”的原理，它可以将与设计相关的设计参数、工艺流程、过程管理等所有的信息都集成到它的虚拟3D模式中，从而确保了所获得的定义数据可以对生产过程中的每一个过程进行驱动。

MBD技术包括以下两种数据：①产品的几何信息，即广义的设计模型；②产品的非几何信息，它与3D设计软件相匹配，对设计信息进行了保存和管理。另外，在基于3D建模的产品定义完成以后，还要在此之上展开工艺设计、工装设计和生产流程规划，有时候，我们还要对产品功能测试进行互动模拟，并在后续进行了优化。为了保证模拟过程的正确性，需要从三个方面进行研究。

3.1.1虚拟模型的高保真度

在产品模型构建中，除了考虑形状、尺寸和公差等几何特性外，还要考虑受力情况下的动态和热力学特性，以及材料的刚度、塑性和疲劳强度等物性。可以使用神经网络、深度学习等技术，参考类似的产品群的过去的资料，周期性地对已有的建模进行优化，从而获得与真实的物理环境中的真实的功能和特性。

3.1.2仿真的准确性和实时性

上面的应力分析，材料力学模拟，均能利用 ANSYS, Abaqus等其他工程应用程序对其进行有效的模拟和优化。

3.1.3模型轻量化技术

模型轻量化可大幅降低模型的储存容量，有利于直接获取几何信息、特征信息和属性信息，避免产生多余的信息。此外，通过这一技术，通过对产品的实时数据进行可视化仿真，可以完成复杂系统和流水线的仿真。与此同时，轻量化的模式降低了系统之间的信息传递的时间和费用，从而推动了价值链的端到端集成，以及供应链上下游企业之间的信息共享和业务过程集成。

3.2产品制造阶段

产品数字孪生与其实体之间的持续互动，是其发展的重要因素。在生产过程中，对生产过程中的检测、生产过程和物流等多个环节的实际测量数据，持续地传输到一个虚拟的信息空间中，并对其进行实时显示；通过对实际测量值与设计值、通过对比实际使用的物料与设计物料、实际完成的进度与计划完成的进度，以及其他相关数据，我们可以建立一个基于产品模型的生产过程模型进行监测和对生产实测数据进行分析的目的。除此之外，在实际的生产过程中，以实际的测量数据为基础，对生产过程中的产品质量，生产资源利用，生产过程进行了智能化的预报与分析。在该流程中，智能决定模块将根据上述的预测与分析，来调整相关的生产计划，并将其反馈到实际产品中，以实现对实际产品的动态调控和优化，以实现在虚拟空间中实时操纵现实生产的目标。

通过上述研究，在复杂、动态的实体空间内，对多源异质数据进行实时准确的采集和高效的信息抽取和传递，为数字双核在生产阶段的应用奠定了基础。最近十年来，物联网、传感网、语义分析与识别等信息技术的快速发展，给人们带来了一系列切合实际的、切实可行的解决办法。除此之外，数据挖掘、人工智能、深度学习等相关领域技术的发展，为相关这些领域的发展提供研究和应用奠定了基础强有力的支撑。

3.3产品服务阶段

在产品的使用和维修过程中，仍然需要对产品的空间位置、使用环境、质量状况、功能状态等产品信息展开实时测量控制，并以此为基础，对产品的性能，健康状态，使用寿命进行了预报和分析，对出现的产品问题进行了预报。在产品发生了缺陷或者存在了品质问题的时候，可以做到对其进行快速的准确的定位，并对其缺陷和品质问题展开原因分析，进行维护与升级，或者进行废旧更换等工作，还可以对这些工作进行相应的记录。首先，利用物联网、感知技术、移动互联等技术，将产品测量数据（感知、位置、外部环境等）、产品使用、维修等数据，与产品数据进行关联，并与产品数据进行匹配。在此基础上，利用模型可视化技术，对产品使用的全流程进行实时监测，并利用贝叶斯、机器学习等大数据分析和最优算法，对产品模型、结构模型、热力学模型、故障与使用寿命预测模型进行不断地改进，从而提高产品的数字双胞胎和预测分析模型的准确性，以及模拟预测结果与真实状况的一致性。

四、未来发展展望及面临的挑战

数字孪生技术作为一种新的数字化技术，其应用范围正在不断拓展，当前数字孪生技术正在逐步渗透到工业领域的各个环节，在产品设计、生产、维护、服务等方面均有较好的应用。随着数字孪生技术在工业领域应用的不断拓展，其应用也将更加全面，其中虚拟制造和智能服务将成为数字孪生技术的重点发展方向。当前数字孪生技术正在逐步渗透到工业领域的各个环节，而随着未来数字孪生技术进一步渗透到制造业中的各个环节，其应用领域也将不断扩展。虚拟制造是指在生产过程中利用虚拟现实技术构建虚拟生产线，并通过实时交互模拟与预测真实世界中的生产过程，从而优化产品设计、提升生产效率、降低成本。未来数字孪生技术在工业领域的应用将会更加广泛，其应用范围将会不断拓展，在产品的研发设计阶段、生产阶段以及服务阶段都能发挥重要作用，其应用场景主要包括以下三个方面：①智能设计。通过数字孪生技术构建产品的虚拟模型，并进行仿真验证，能够有效避免设计过程中的错误、减少产品研发周期、降低成本。②智能制造。数字孪生技术在生产环节可以有效预测和优化生产线中产品的缺陷，从而减少由于缺陷引起的废品率；数字孪生技术在服务阶段可以帮助企业优化服务流程、提升服务质量，从而降低维护成本。③智能服务。数字孪生技术在服务阶段可以对服务进行实时监测，根据反馈的数据进行分析与优化，从而提升服务质量和效率。未来数字孪生技术在工业领域的应用将会更加广泛，并将为工业领域带来巨大的变革。

在数字孪生技术的发展过程中，国内外研究机构和企业不断进行探索，为其在产品生命周期中的应用提供了丰富的理论和实践经验。但同时，数字孪生技术也存在一些亟待解决的问题，主要包括：(1)在模型构建方面：模型构建是数字孪生技术最重要的环节之一，不同类型产品的建模方法不同，因此数字孪生模型构建过程复杂度较高，需要不断优化建模方法；(2)在建模工具和软件平台方面：目前常用的建模工具和软件主要是一些专用工具或平台，对复杂产品的建模能力不足，难以实现全生命周期管理；(3)在仿真分析方面：目前常用的仿真分析工具主要是基于有限元理论的有限元方法，缺少对复杂产品进行复杂过程仿真分析和多物理场耦合仿真分析。因此，需要不断探索新的仿真分析方法和技术，以及发展更加通用化、标准化的产品仿真分析软件。

五、结语

近年来，我国在数字孪生技术研究方面取得了较大进展，部分企业已经开始将数字孪生技术应用到实际生产中，但仍存在以下问题：一是对数字孪生技术的研究大多局限于理论和仿真阶段，对产品全生命周期内的物理实体、过程、服务等方面的研究尚不深入；二是数字孪生技术的发展缺少顶层规划和统筹协调，不同领域、不同层级和不同部门之间尚未形成统一的标准。

为了推动我国数字孪生技术的发展，需要加强以下方面的研究：一是加强基础理论研究，为数字孪生技术在产品生命周期中的应用奠定坚实基础；二是构建完善的数字孪生技术理论体系，包括定义、特点、内涵、应用模式、框架等；三是制定相关标准和规范，为数字孪生技术的发展提供支撑；四是加快数字孪生技术在装备制造和服务领域的应用，推动产品全生命周期内各阶段协同联动。

参考文献：

[1]刘大同,郭凯,王本宽,彭宇.数字孪生技术综述与展望[J].仪器仪表学报,2018:4-13.

[2]苗田,张旭,熊辉等.数字孪生技术在产品生命周期中的应用与展望[J].计算机集成制造系统,2019,25(06):1546-1558.DOI:10.13196/j.cims.2019.06.022.

[3]张长信.数字孪生体在产品生命周期管理中的应用探究[J].科技风,2019:19-20+26.

[4]于勇,范胜廷,彭关伟,戴晟,赵罡.数字孪生模型在产品构型管理中应用探讨[J].航空制造技术,2017(07):41-45.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.07.041.