東華大學(xué) 聞力生教授：數(shù)字孿生是服裝智能制造的底座

圖一  數(shù)字孿生最初概念模型及其術(shù)語

圖二   數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)

來源:先進(jìn)制造業(yè)   圖三   數(shù)字孿生系統(tǒng)組成

圖四  數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

      數(shù)字孿生應(yīng)用的前提是各個(gè)環(huán)節(jié)的模型及大量的數(shù)據(jù)，那么類似于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等各方面的數(shù)據(jù)，如何產(chǎn)生、交換和流轉(zhuǎn)？如何在一些相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫流動(dòng)？這些正是數(shù)字線索要解決的問題。所以數(shù)字線索技術(shù)也是數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)之一，理解了數(shù)字線索才能更深刻地理解數(shù)字孿生。所謂數(shù)字線索有時(shí)也叫數(shù)字線程、數(shù)字紐帶、數(shù)字主線等，CIMdata曾經(jīng)這樣定義過數(shù)字線索：數(shù)字線索指一種信息交互的框架，能夠打通原來多個(gè)豎井式的業(yè)務(wù)視角，連通設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)的互聯(lián)數(shù)據(jù)流和集成視圖。可見數(shù)字線索能把不同生命周期的數(shù)字孿生串接起來，形成數(shù)據(jù)的自動(dòng)流動(dòng)，所以說數(shù)字線索是穿梭于現(xiàn)實(shí)物理世界與數(shù)字虛擬世界之間的橋梁，見圖六。

來源:先進(jìn)制造業(yè)   圖六  數(shù)字線索

      數(shù)字孿生具有以下典型特征：

      ①互操作性——數(shù)字孿生中的物理對(duì)象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接，因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立表達(dá)的等同性；

      ②可擴(kuò)展性——數(shù)字孿生技術(shù)具備集成、添加和替換數(shù)字模型的能力,能夠針對(duì)多尺度、多物理、多層級(jí)的模型內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展；

      ③實(shí)時(shí)性——數(shù)字孿生技術(shù)要求數(shù)字化，即以一種計(jì)算機(jī)可識(shí)別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對(duì)隨時(shí)間軸變化的物理實(shí)體進(jìn)行表征。表征的對(duì)象包括外觀、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機(jī)理，形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字虛體映射；

      ④保真性——數(shù)字孿生的保真性指描述數(shù)字虛體模型和物理實(shí)體之間的接近性。要求虛體和實(shí)體不僅要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時(shí)態(tài)上也要仿真；

      ⑤閉環(huán)性——數(shù)字孿生中的數(shù)字虛體，用于描述物理實(shí)體的可視化模型和內(nèi)在機(jī)理，以便于對(duì)物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)行決策功能，即賦予數(shù)字虛體和物理實(shí)體一個(gè)大腦。

      對(duì)數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐離不開具體對(duì)象、具體應(yīng)用與具體需求，例如一個(gè)產(chǎn)品、一臺(tái)設(shè)備、一條產(chǎn)線、一個(gè)車間等。它們?cè)诓煌A段的數(shù)字孿生會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，這就要求我們從應(yīng)用和解決實(shí)際問題出發(fā)，應(yīng)用過程中不一定要求所建立的“數(shù)字孿生”具備所有的“理想特征”，只要能滿足用戶需要即可。表一是基于各種視角看待數(shù)字孿生所表現(xiàn)出來的理想特征，它是值得我們?cè)趹?yīng)用時(shí)參考的。

表一  基于不同認(rèn)識(shí)的數(shù)字孿生理想特征

      智能制造領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)字孿生技術(shù)，其核心技術(shù)是信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（CyberPhysical Production System－CPPS），如圖七所示。信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)是信息物理系統(tǒng)（CPS）在生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，是一種多維度的智能技術(shù)體系。信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算為依托，通過智能感知、分析、預(yù)測、優(yōu)化、協(xié)同等技術(shù)手段，使計(jì)算、通信和控制三者有機(jī)融合與協(xié)作。將所獲取的信息與對(duì)象的物理性能表征相結(jié)合，形成虛擬空間與實(shí)體空間深度融合、實(shí)時(shí)交互、互相耦合、及時(shí)更新，在網(wǎng)絡(luò)空間中構(gòu)建實(shí)體的虛擬鏡像。通過自感知、自記憶、自認(rèn)知、自決策、自重構(gòu)的運(yùn)算和分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

來源: 智能制造IM   圖七  數(shù)字孿生與智能制造

      基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)是預(yù)測型智能制造系統(tǒng)。大家知道，智能制造的困擾是設(shè)備和裝置的失效，隨著時(shí)間的推移，設(shè)備會(huì)磨損，性能會(huì)衰退，最終導(dǎo)致故障和停機(jī)。預(yù)測型智能制造通過掌握設(shè)備實(shí)際的狀態(tài)，不是在故障發(fā)生后去搶修，或過早地將可繼續(xù)用的部件進(jìn)行不必要更換，而是采用計(jì)劃性維修，從而降低維修費(fèi)用和生產(chǎn)成本。知道設(shè)備什么時(shí)候可能失效，就能夠合理地安排維修計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)時(shí)”維修，最大限度地提高設(shè)備的可用性和延長其正常運(yùn)行時(shí)間，提升工廠運(yùn)營效率。將設(shè)備衰退模式和實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估與加工過程控制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)在設(shè)備或系統(tǒng)性能隨時(shí)間變化的情況下，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，邁向無憂慮的放心智能制造。

      中國從“信息化帶動(dòng)工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化”，到兩化融合和兩化深度融合，再到“中國制造2025”的“融合演進(jìn)”的制造強(qiáng)國發(fā)展戰(zhàn)略，都期望通過信息物理融合來實(shí)現(xiàn)智能制造。數(shù)字孿生既是構(gòu)建CPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是智能制造的一種使能技術(shù)。可以說沒有數(shù)字孿生，就沒有CPS，也就沒有智能制造。數(shù)字孿生是未來智能制造生產(chǎn)的“底座”，在智能制造實(shí)踐中將大有可為。

圖八 數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造概念規(guī)劃

來源: Engineering 2021  圖九 機(jī)器人數(shù)字孿生系統(tǒng)

來源: 先進(jìn)制造業(yè)  圖十 設(shè)備健康數(shù)字孿生系統(tǒng)

來源: 智造苑  圖十一 數(shù)字孿生服裝車間運(yùn)行機(jī)制

 圖十二 服裝工廠數(shù)字孿生概念

來源: 智造苑   圖十三  數(shù)字孿生服裝立體倉庫