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数字孪生的模型、问题与进展研究

2019/5/20    来源:互联网    作者:刘青  刘滨  王冠  张宸  梁知行  张鹏      
关键字:数字孪生  
关于数字孪生通用模型实现方面,主要研究了建模语言的构建、模型开发方法的探索、具体工具的使用、元模型理念的植入和模型算法的探索。

    随着信息技术水平的提高和数据处理能力的飞跃,将生产流程在内的各种物理实体数字化已是大势所趋。这一趋势催生出的代表技术之一就是数字孪生(DigitalTwin),经过十数年的发展,从2017年起相关研究出现爆炸性的增长,随着研究热度的提升,这一概念的外延和内涵不断扩展,从最开始的针对工业生产过程的新管理范式,发展到现在作为智慧城市的关键技术,这个概念已经表现出了很大的研究价值和社会价值。但是对于数字孪生概念本身,学术界还没形成一致的理解,较通行的解释即数字孪生指在数字虚拟空间定义的一个或一组虚拟事物,其与物理实体空间中的现实事物具有映射关系,且这种映射具备包括形状、形态、行为、材质等多维度、多角度上高度一致的信息,如图1所示。在数字孪生的概念发展过程中,研究者们先后提出的各种模型还没有得到明确界定,鉴于模型在数字孪生的关键技术,如:信息交换、信息储存和信息处理中的突出作用,不加以辨析地使用容易造成混淆,故很有必要对已提出的各种模型进行比较研究。同样,在探讨数字孪生如何应用时,也发现了模型与具体应用相结合所产生的问题,关于其中一些问题的研究已经有所进展,这些工作同样需要进行总结归纳,以期为后续研究提供借鉴。

物理世界与数字世界

图1 物理世界与数字世界

1 数字孪生的整体研究进展

    不同于以往计算机辅助设计(CAD)为代表的数字化,也并非是以传感器网络为主要研究对象的物联网解决方案,数字孪生有更广泛的意涵和潜力。数字孪生的发展以2017年划界,可分为两个阶段:2017年以前,研究的数量较少,主要集中在概念的讨论,提出了少数几种模型,研究人员集中在欧美少数国家。2017年以后的研究数量有很大增长,中国也有一定数量的学者开始参与这项研究,研究者们除了继续对概念进行讨论外,还提出新的模型、使用案例对数字孪生进行验证、提出新的应用框架与方式等等,也出现了对数字孪生成本问题的批评和反思。

    数字孪生这一概念最早出现在2003年,由GRIEVES在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程中提出,当时它只是一个与数字孪生涵义相近的描述。随后在2005年,GRIEVES进一步引申提出数字孪生是2个空间之间的映射。继而,包括GRIEVES本人在内开始有学者倡导将DigitalTwin作为一种范式进行诠释和应用。2014年,CERRONE等首次提出一种关于DigitalTwin的有限元模型,2015年,第1个实现模型由GRIEVES提出,称作DigitalTwinImplementation Model。同年,ROSEN等提出DigitalTwin的实现路径应为Modularity-Connectivity-Autonomy-DigitalTwin,即模块化-连通性-自治-数字孪生。2016年,KRAFT提出DigitalTwin这种新兴范式能够在产品生命周期集中应用建模能力、知识及工具管理。同年,SCHROEDER等通过案例提出在网络物理空间(cyber-physicalsystem)使用DigitalTwin概念模拟工业设备(传感器、机器、CLPs)的虚拟部分,并提出一种基于Web服务的架构用于访问数据,接着,SCHROEDER等进一步提出一种基于AutomationMLautomationmodellinglanguage,自动化建模语言)的交换数据模型,用于在DigitalTwin和其他系统之间交换数据。

    2017年,ALAM等提出了基于云的DigitalTwin架构参考模型CloudbasedCPS(C2PS)。BRENNER等将DigitalTwin用于ESB的物流智慧工厂。同年,DEBROY等开始尝试将DigitalTwin用于3D打印。FERGUSON等引入西门子STARCCM+作为工具,使用DigitalTwin方法将设计方案在物理世界真实条件下的表现直接展示给设计者,从而增强产品开发组织的能力。GRAESSLER等把数字孪生方法用于员工和生产系统之间的沟通协调。GRIEVES等提出数字孪生的实质是把数字信息嵌入在物理系统本身内,并在整个系统生命周期内与该物理系统链接信息的“双胞胎”,可以减轻复杂系统中不可预测的、不受欢迎的紧急情况。HEBER等提出DigitalTwin处理复杂性问题可以由区块链进行赋能。IGLESIAS等提出将数字孪生用于增强传统系统的工程分析流程。LI等提出使用动态贝叶斯网络(DBN)的概念建立健康监测模型,用于每架飞机的诊断和预测,并且通过飞机机翼疲劳裂纹扩展实例说明了所提出的方法。MAGARGLE等提出了将模型驱动开发用于DigitalTwin。PLANA提出对工业生产来说,DigitalTwin的最大意义在于预测。RENZI等提出将DigitalTwin结合全局性能模型global performancemodel用于integrity mangagement(完整性管理),可以实现对资产进行自动连续评估。SCHLEICH等把生产过程管理中DigitalTwin的referencemodel方法进行归纳整理,认为DigitalTwin应具有4种特性,即scalability,interoperability,expansibility,fidelity(可伸缩性、互操作性、可扩展性、保真度)。SESHADRI等提出通过综合结构健康管理(SHM)工具和多物理场模型实现DigitalTwin,对航班在正常和不利条件下的受损情况进行准确检测和预测。SOEDERBERG等探讨了在个性化生产中,如何从设计、生产前过程到生产过程中对产品物理几何尺寸使用DigitalTwin方法进行实时几何保证(GeometryAssurance)。SUN等提出使用数字双胞胎在线分析,可以用于提高装配流线的吞吐量。TAVARES等基于DigitalTwin方法开发了MVV Model(model-view-view model),通过使用SARKKISroboticssimulator构建模拟器从而试图寻找一种能够代表任何工业工作单元的解决方案。UHLEMANN等分析了当前生产过程中多模态数据采集方法的实用方法、要求和限制,提出通过用于生产过程的DigitalTwin方法来实现生产系统及其数字等效物的耦合,以此作为规划方法优化的基础,从而通过对DigitalTwin的创造,将数据采集时间实现延迟最小化。他的后续研究还进一步提出了一个基于DigitalTwin的学习工厂,来展示其实时数据采集和后续基于数据处理的潜力与优点。UM等提出一套面向DigitalTwin方法的实例化通用数据模型自动设置数字环境,该环境基于AutomationML且具备多个装配模块。VACHÁLEK等在PS(produtionsimulation,生产模拟)中使用DigitalTwin的概念,对汽车行业内现有的生产结构如何通过增强生产和规划策略来最有效地利用资源进行了探索。WAGNER等提出一个通过DigitalTwin实现满足工业4.0条件的工厂架构。WÄERMEFJORD等提出了用于实现几何保证方向的DigitalTwin所需要的检查策略,描述了各个部件的形状以及如何收集、存储和利用该数据的必要输入方法。YUN等提出了一套结合DigitalTwin方法的驾驶辅助系统。ZAKRAJSEK等提出了一套DigitalTwinModel,用于TouchdownWearTesting着陆磨损测试。ZHANG等尝试通过基于数据库和3D图形引擎进行二次开发建立仿真平台,从而使用DigitalTwin理念对一条中空玻璃生产线的设计进行多目标优化。陶飞等将信息物理融合作为智能制造落地的关键技术,提出通过物理融合、模型融合、数据融合和服务融合来建立数字孪生车间。陶飞等在后续研究中尝试建立了一间基于DigitalTwin的数字孪生车间。陶剑等结合DigitalThread(数字线索)和DigitalTwin对生产生命周期过程进行了归纳。于勇等参考关于F15战斗机的研究提出将构建基于本体的产品数字孪生模型可以与相应的构型数据关联在一起,如图2所示。实际的物理产品研制过程中的相关技术状态数据也可以与之建立关联关系。

以F15战斗机为例的数字孪生模型

图2 以F15战斗机为例的数字孪生模型

    2017年也有文献对数字孪生进行另类思考,如WEST等通过详细的财务分析,质疑DigitalTwin的成本和效益不成比例。

责任编辑:程玥
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