未來裝備探索：數(shù)字孿生裝備

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源自:超星期刊   

作者:陶飛 張辰源 張賀 程江峰 鄒孝付 徐慧 王勇 謝兵兵

摘要

工程裝備、制造裝備、醫(yī)療裝備等各類裝備是加快國家基礎(chǔ)建設(shè),提升國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和保障醫(yī)療健康的重要基礎(chǔ)。在新環(huán)境、新趨勢、新背景下,如何充分融合新一代信息技術(shù),助力裝備數(shù)智化升級,實(shí)現(xiàn)裝備軟硬系統(tǒng)的自主可控,是實(shí)現(xiàn)裝備高質(zhì)量發(fā)展,推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合發(fā)展的關(guān)鍵。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),探討了數(shù)字孿生裝備的概念和組成,分析了數(shù)字孿生裝備理想特征能力和關(guān)鍵技術(shù),提出了數(shù)字孿生裝備三階段發(fā)展路徑,并在紡織車間物流裝備和復(fù)材加工車間熱壓罐裝備上對相關(guān)理論開展了實(shí)踐。

1 未來裝備發(fā)展新趨勢與新需求

縱觀數(shù)千年的人類文明發(fā)展歷程，各式各樣的工具、設(shè)備、裝備幫助人類大幅提高創(chuàng)新和生產(chǎn)效率，與此同時(shí)，人類的創(chuàng)新活動(dòng)和新的應(yīng)用需求又不斷反作用于工具、設(shè)備、裝備的創(chuàng)新與改良，推動(dòng)其功能不斷升級更新。隨著工具、設(shè)備、裝備和相關(guān)技術(shù)的迭代升級，人類文明已先后跨越了石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代、蒸汽時(shí)代和電氣時(shí)代，進(jìn)入了當(dāng)下的信息時(shí)代。在信息時(shí)代中，由具有機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣特性的復(fù)雜設(shè)備和工具以及相應(yīng)軟件系統(tǒng)組成的現(xiàn)代裝備，深度參與制造工業(yè)、土木工程、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源勘采、倉儲(chǔ)物流、信息通信、交通運(yùn)輸、科學(xué)研究、空間探索、生活?yuàn)蕵返雀鞔箢I(lǐng)域的相關(guān)活動(dòng)，對人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生重要積極影響。然而，不斷變化的國際競爭環(huán)境和國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，以及不斷涌現(xiàn)并逐漸成熟的新一代信息技術(shù)，對裝備的未來發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)和新的需求。

1.1新環(huán)境、新趨勢、新挑戰(zhàn)

經(jīng)濟(jì)全球化迫使裝備進(jìn)一步高質(zhì)量發(fā)展。當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)全球化引導(dǎo)著各種生產(chǎn)要素和資源在全球范圍內(nèi)優(yōu)化組合和配置，在促進(jìn)多方合作和全球經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)，加速了各行業(yè)從增量發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榇媪扛偁幣c多方博弈。為提高行業(yè)競爭力以面對新的挑戰(zhàn)，要求未來裝備進(jìn)一步提高質(zhì)量、增加效率、豐富功能[1]。

疫情/后疫情時(shí)代凸顯裝備遠(yuǎn)程/自治運(yùn)行重要性。2020年新冠疫情全面爆發(fā)，導(dǎo)致大量勞動(dòng)力被迫在家隔離防護(hù)，各類裝備/設(shè)備因缺少操控人員而無法正常運(yùn)行，大批工廠和設(shè)施也因此被迫關(guān)閉，對全球?qū)嶓w經(jīng)濟(jì)造成了重大不利影響。為提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展對于不確定性事件的韌性，要求未來裝備具備遠(yuǎn)程運(yùn)維管控、自治和自適應(yīng)運(yùn)行的能力。

碳達(dá)峰/碳中和要求裝備綠色低碳環(huán)境友好。自20世紀(jì)90年代以來，快速的工業(yè)化和城市化造成自然資源的嚴(yán)重透支和污染物的超標(biāo)排放，引發(fā)溫室效應(yīng)、酸雨、霧霾等一系列環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅人類的生存。為貫徹可持續(xù)發(fā)展理念，并如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，要求未來裝備在制造加工、運(yùn)維管控、報(bào)廢回收等環(huán)節(jié)降低能耗，減少污染物排放。

突破裝備自主研制技術(shù)瓶頸是實(shí)現(xiàn)裝備強(qiáng)國的必由之路。近年來，中外貿(mào)易摩擦不斷，對我國依賴高端裝備和核心軟硬件引進(jìn)的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生不利影響，不僅如此，國家重要產(chǎn)業(yè)相關(guān)裝備的研制技術(shù)受制于人，核心軟件依賴于人，還會(huì)產(chǎn)生巨大的安全隱患。為突破“被卡脖子”的困境，要求未來裝備關(guān)鍵零部件、核心軟件以及研發(fā)、制造、組裝、測試等相關(guān)技術(shù)全面自主化，并增強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)，以及提高裝備產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈的自主可控能力。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)亟需數(shù)字化裝備大力支持，新一代信息技術(shù)賦能裝備全面升級。自“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃將信息技術(shù)確立為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一被重點(diǎn)推進(jìn)以來，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)融合日益深化，催生了一批有活力有韌性的新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式[2]。國家“十四五規(guī)劃”再次強(qiáng)調(diào)加快數(shù)字化發(fā)展，大力推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，打造具有國際競爭力的數(shù)字產(chǎn)業(yè)集群[3]。2021年10月，中央政治局第三十四次集體學(xué)習(xí)中又一次強(qiáng)調(diào)，發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)是把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新機(jī)遇的戰(zhàn)略選擇[4]。為進(jìn)一步激發(fā)數(shù)字經(jīng)濟(jì)潛能，并促進(jìn)實(shí)體經(jīng)濟(jì)健康可持續(xù)發(fā)展，要求各行業(yè)現(xiàn)有裝備應(yīng)充分融合新一代信息技術(shù)，開創(chuàng)裝備實(shí)體、數(shù)據(jù)和新一代信息技術(shù)的閉環(huán)迭代與互補(bǔ)優(yōu)化的良性循環(huán)模式[5]。

綜上所述，我國亟需實(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，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，鑄造大國重器，建設(shè)裝備強(qiáng)國。

1.2未來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)對新環(huán)境、新趨勢和新挑戰(zhàn)，未來裝備在全生命周期各階段存在以下具體新需求。

2 數(shù)字孿生裝備概念與內(nèi)涵

2.1從裝備到數(shù)字孿生裝備

上述裝備全生命周期各階段的新需求，可歸結(jié)為裝備對數(shù)字化賦能和智能化升級的需求。數(shù)字孿生是學(xué)術(shù)界和業(yè)界公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體對象數(shù)字化和智能化升級的有效手段之一，近年來不少國內(nèi)外學(xué)者開始開展基于數(shù)字孿生的裝備設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等方面的研究。作者團(tuán)隊(duì)于2018年提出了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜裝備故障預(yù)測與健康管理方法[6]。

通過分析有關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的裝備與傳統(tǒng)裝備的本質(zhì)區(qū)別在于其擁有一個(gè)與物理世界完全鏡像的信息世界。在信息世界中，裝備模型在裝備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下能夠精確刻畫裝備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)裝備狀態(tài)監(jiān)測(以虛映實(shí))。與此同時(shí)，裝備還能夠在信息空間中進(jìn)行仿真預(yù)測(以虛預(yù)實(shí))，并基于預(yù)測結(jié)果對現(xiàn)有決策方案進(jìn)行優(yōu)化(以虛優(yōu)實(shí))，最終讓裝備執(zhí)行最優(yōu)的決策方案，實(shí)現(xiàn)“以虛控實(shí)”。由此可見，信息空間增量對于裝備智能化升級具有重要意義，因此，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)[7]，對數(shù)字孿生裝備概念進(jìn)行探討。

數(shù)字孿生裝備是一種由物理裝備、數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)、軟件服務(wù)以及連接交互五個(gè)部分[7]構(gòu)成的未來智能裝備；數(shù)字孿生裝備通過融合應(yīng)用新一代信息技術(shù)，促進(jìn)裝備全生命周期各階段(設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、制造與測試、交付與培訓(xùn)、運(yùn)維與管控和報(bào)廢與回收)數(shù)智化升級，使得裝備具備自感知、自認(rèn)知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自優(yōu)化等智能特征和能力；基于裝備數(shù)字孿生模型、孿生數(shù)據(jù)和軟件服務(wù)等，并通過數(shù)模聯(lián)動(dòng)、虛實(shí)映射和一致性交互等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)裝備一體化多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)、智能制造與數(shù)字化交付、智能運(yùn)維等，達(dá)到拓展裝備功能、增強(qiáng)裝備性能、提升裝備價(jià)值的目的。

2.2數(shù)字孿生裝備組成

由上述定義可知，數(shù)字孿生裝備由物理裝備、數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)、軟件服務(wù)以及連接交互五個(gè)部分組成[7]，如圖1所示。

2.2.1物理裝備：裝備物理實(shí)體

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，通過結(jié)合傳感器系統(tǒng)，物理裝備還可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的感知。

現(xiàn)有物理裝備的相關(guān)技術(shù)已基本能夠支持裝備的數(shù)字控制、自動(dòng)執(zhí)行、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等功能，隨著新型材料和先進(jìn)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，未來物理裝備研究和發(fā)展空間包括但不限于：

可采用結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料，支持裝備在極端環(huán)境下運(yùn)行，整體優(yōu)化裝備的耐熱性、耐腐蝕性、承載能力、重量等多方面指標(biāo)；

可結(jié)合人因工程，研制用戶友好、交互舒適便捷的裝備，改善用戶體驗(yàn)；

可利用3D打印和4D打印技術(shù)，提高裝備設(shè)計(jì)自由度，支持同類裝備的個(gè)性化定制生產(chǎn)；

可利用超精密加工技術(shù)，減少裝備零部件制造公差，進(jìn)一步提高裝備硬件集成度，助力裝備小型化和輕量化的實(shí)現(xiàn)；

可基于功能模塊化思想和軟硬一體化技術(shù)，研制軟件定義裝備，并實(shí)現(xiàn)裝備硬件部分可重構(gòu)，使裝備集成更多的功能，以及適應(yīng)更復(fù)雜的任務(wù)和環(huán)境。

2.2.數(shù)字裝備：裝備數(shù)字孿生模型

由于物理裝備受到時(shí)間、空間、執(zhí)行成本等多方面的約束，僅憑借物理手段實(shí)現(xiàn)裝備的可視化監(jiān)測、歷史狀態(tài)回溯、運(yùn)行過程預(yù)演、未來結(jié)果預(yù)測和智能運(yùn)維等功能難度較大。因此，需要通過構(gòu)建裝備的數(shù)字孿生模型，在信息空間中賦予物理裝備設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)維等過程看得見、運(yùn)行機(jī)理看得清、行為能力看得全、運(yùn)行規(guī)律看得透的新能力，如圖2所示。

從實(shí)現(xiàn)和拓展裝備各種功能和服務(wù)的角度來看，裝備數(shù)字孿生模型由四類模型組成：

為實(shí)現(xiàn)物理裝備設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)維管控等階段的過程可視化、狀態(tài)監(jiān)測與回溯等功能，以及指導(dǎo)物理裝備制造階段的裝配和回收階段的拆卸等過程，需要構(gòu)建裝備的幾何模型來描述物理裝備及零部件的外觀形狀、尺寸大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空間位置與姿態(tài)、裝配關(guān)系等；

為實(shí)現(xiàn)裝備故障預(yù)測、健康管理、質(zhì)量管控、運(yùn)行優(yōu)化等功能，需要構(gòu)建裝備的物理模型來描述物理裝備及零部件的力學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科屬性，解析裝備的運(yùn)行機(jī)理；

為實(shí)現(xiàn)裝備動(dòng)態(tài)規(guī)劃和自動(dòng)化運(yùn)行，并支持人機(jī)協(xié)作和多機(jī)協(xié)作，需要構(gòu)建裝備的行為模型來厘清裝備的動(dòng)態(tài)功能、響應(yīng)機(jī)制和周期性運(yùn)動(dòng)模式，抽象描述裝備性能退化趨勢運(yùn)維環(huán)境的隨機(jī)擾動(dòng)；

為實(shí)現(xiàn)物理裝備智能運(yùn)維和決策優(yōu)化，需要構(gòu)建裝備的規(guī)則模型來顯性化表示裝備大數(shù)據(jù)中的隱性信息，形式化表示并集成歷史經(jīng)驗(yàn)、專家知識(shí)、領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)準(zhǔn)則。

從裝備數(shù)字孿生模型產(chǎn)生和表現(xiàn)形式的角度來看，上述四類模型呈現(xiàn)出隨時(shí)間增量積累和形式多樣性的特點(diǎn)。

幾何模型主要在裝備的設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生，屬于相對靜態(tài)的模型，幾何模型的表現(xiàn)形式包括但不限于三維模型、裝配干涉矩陣、曲面方程等；

物理模型主要在裝備的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證階段產(chǎn)生，物理模型的表現(xiàn)形式主要是數(shù)學(xué)模型，例如描述磁場強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)效應(yīng)、流體力學(xué)等的理論計(jì)算公式，物理模型在具體應(yīng)用時(shí)的呈現(xiàn)方式比較豐富，比如有限元分析時(shí)的網(wǎng)格模型，以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)的連桿模型；

行為模型主要在裝備設(shè)計(jì)、測試和運(yùn)維階段產(chǎn)生，是對裝備在外部環(huán)境干擾、外部輸入和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制共同作用下產(chǎn)生的響應(yīng)和變化的抽象描述，其表現(xiàn)形式包括有限狀態(tài)機(jī)、圖譜、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計(jì)模型等；

規(guī)則模型產(chǎn)生于裝備全生命周期各階段，主要有兩類表現(xiàn)形式：一類是通過挖掘分析裝備全生命周期數(shù)據(jù)，揭示其中隱含規(guī)則和潛在規(guī)律的數(shù)據(jù)模型，其表現(xiàn)形式主要包括數(shù)學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計(jì)模型等，另一類是通過形式化表達(dá)人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，使數(shù)字孿生裝備能夠理解并運(yùn)用人的智慧的模型，其表現(xiàn)形式主要包括數(shù)學(xué)模型、圖譜和結(jié)構(gòu)化文本等。

數(shù)字裝備是物理裝備在信息空間中的鏡像，由物理裝備的幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型融合組裝而成[7]，負(fù)責(zé)刻畫物理裝備的時(shí)空幾何關(guān)系，實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、行為和過程，描述物理裝備的多維屬性和運(yùn)行機(jī)理，以及表征裝備能力和相關(guān)規(guī)律規(guī)則，是實(shí)現(xiàn)裝備數(shù)字化賦能和智能化升級的核心。

2.2.3 孿生數(shù)據(jù)：裝備數(shù)字孿生數(shù)據(jù)

物理裝備的設(shè)計(jì)、制造、測試和運(yùn)維等過程離不開數(shù)據(jù)的深度參與，數(shù)字裝備仿真運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)裝備可視化監(jiān)測、歷史狀態(tài)回溯、運(yùn)行過程預(yù)演、故障診斷等功能同樣需要數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)[8]。因此，需要將蘊(yùn)含裝備全生命周期、全流程、全業(yè)務(wù)有效信息的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚與融合，形成裝備孿生數(shù)據(jù)。

孿生數(shù)據(jù)與數(shù)字裝備交互聯(lián)動(dòng)，相輔相成，共同支持?jǐn)?shù)字孿生裝備的各種功能和服務(wù)，如圖3所示。

裝備的尺寸數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)等結(jié)合裝備的幾何模型，能夠有效支持裝備的狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測、過程參數(shù)可視化、歷史狀態(tài)回溯等功能；

裝備的材料屬性數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等結(jié)合裝備的物理模型，能夠有效支持裝備的故障預(yù)測、健康管理、質(zhì)量管控等功能；

裝備的能力數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)等結(jié)合裝備的行為模型，能夠有效支持裝備的動(dòng)態(tài)規(guī)劃和自治運(yùn)行，以及一定程度的人機(jī)協(xié)作和多機(jī)協(xié)作；

裝備的運(yùn)行特征數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等結(jié)合裝備的規(guī)則模型，能夠有效支持裝備的自適應(yīng)控制、調(diào)度優(yōu)化、能量有效運(yùn)行等智能決策服務(wù)。

孿生數(shù)據(jù)由物理裝備的實(shí)際數(shù)據(jù)、數(shù)字裝備的仿真數(shù)據(jù)，以及裝備的全生命周期、全流程、全業(yè)務(wù)虛實(shí)融合數(shù)據(jù)組成，用于對物理裝備及其運(yùn)行過程和環(huán)境進(jìn)行多層次、完整、統(tǒng)一描述或解釋，并能夠結(jié)合裝備數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)裝備虛實(shí)共生[9]，以及裝備狀態(tài)動(dòng)態(tài)更新、歷史狀態(tài)追溯、知識(shí)挖掘和智能決策等功能和服務(wù)。

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