統(tǒng)計分析現(xiàn)有數(shù)字孿生相關(guān)理論研究和應(yīng)用實踐，依據(jù)其功能和用途主要可分為以下幾類: ①基于數(shù)字孿生的物理實體設(shè)計驗證與等效分析；②基于數(shù)字孿生的物理實體運(yùn)行過程可視化監(jiān)測；③基于數(shù)字孿生的物理實體遠(yuǎn)程運(yùn)維管控；④基于數(shù)字孿生的診斷與預(yù)測；⑤基于數(shù)字孿生的智能決策和優(yōu)化；⑥基于數(shù)字孿生的物理實體全生命周期跟蹤、回溯與管理。通過對上述各類數(shù)字孿生研究和應(yīng)用進(jìn)行共性分析發(fā)現(xiàn)，物理實體、數(shù)字孿生模型和兩者間的連接與交互組成了數(shù)字孿生的“最小概念”。在此基礎(chǔ)上，基于陶飛老師團(tuán)隊前期提出的數(shù)字孿生五維模型，從物理實體( PE )、數(shù)字孿生模型(DM )、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)( DD )、連接交互( CI )和功能服務(wù)( FS )五個維度出發(fā)，根據(jù)連接交互方式與自動化程度的不同,以數(shù)字孿生所能提供的功能服務(wù)為主線,將數(shù)字孿生分為六個成熟度等級,如圖 1 所示。其中,物理空間中的物理實體與信息空間中的數(shù)字孿生模型通過兩者間的連接進(jìn)行交互,數(shù)字孿生數(shù)據(jù)則蘊(yùn)含數(shù)字孿生的所有信息,貫穿當(dāng)前—未來、物理空間—信息空間、物理實體—數(shù)字孿生模型—連接交互—功能服務(wù)。

數(shù)字孿生成熟度等級

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1）零級( L0 ):以虛仿實

以虛仿實指利用數(shù)字孿生模型對物理實體描述和刻畫,具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級的第零等級( L0 ),滿足此要求的實踐和應(yīng)用可歸入廣義數(shù)字孿生的概念范疇。在該等級,數(shù)字孿生模型從幾何、物理、行為和規(guī)則某個或多個維度對物理實體單方面或多方面的屬性和特征進(jìn)行描述,從而在一定程度上能夠代替物理實體進(jìn)行仿真分析或?qū)嶒烌炞C,但數(shù)字孿生模型與物理實體之間無法通過直接的數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)實時交互,主要依賴人的介入實現(xiàn)間接的虛實交互,包括對物理實體的控制和對數(shù)字孿生模型的控制與更新等。

以機(jī)器人為例,在其設(shè)計驗證階段,利用由三維可視化模型、運(yùn)動學(xué)模型、動力學(xué)模型和關(guān)節(jié)伺服電機(jī)約束模型等構(gòu)成的機(jī)器人數(shù)字孿生模型,在一定程度上代替機(jī)器人試制品進(jìn)行運(yùn)行實驗,并對設(shè)計方案進(jìn)行驗證和優(yōu)化。在此過程中,機(jī)器人試制品與數(shù)字孿生模型之間沒有直接的數(shù)據(jù)交互,但技術(shù)人員能夠基于仿真實驗結(jié)果不斷優(yōu)化設(shè)計方案,并指導(dǎo)試制品實驗驗證過程的相關(guān)操作。

一級( L1):以虛映實

以虛映實指利用數(shù)字孿生模型實時復(fù)現(xiàn)物理實體的實時狀態(tài)和變化過程,具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級的第一等級( L1 )。在該等級,數(shù)字孿生模型由真實且具有時效性的物理實體相關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動運(yùn)行,同步直觀呈現(xiàn)與物理實體相同的運(yùn)行狀態(tài)和過程,輸出與物理實體運(yùn)行相同的結(jié)果,從而在一定程度上突破時間、空間和環(huán)境約束對于物理實體監(jiān)測過程的限制,但對于物理實體的操作和管控依舊依賴現(xiàn)場人員的直接介入,仍無法實現(xiàn)物理實體的遠(yuǎn)程可視化操控。

以機(jī)器人為例,在其運(yùn)行階段,利用相關(guān)傳感器實時采集物理機(jī)器人運(yùn)行過程中的關(guān)節(jié)角度、伺服電機(jī)力矩、運(yùn)行功率等數(shù)據(jù),通過工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸這些時效數(shù)據(jù)并驅(qū)動相應(yīng)的機(jī)器人數(shù)字孿生模型同步運(yùn)行,使技術(shù)人員在不接近正在高速運(yùn)行的機(jī)器人的同時便可詳細(xì)掌握機(jī)器人的運(yùn)行狀況,一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)行異常,便可及時介入,停止其運(yùn)行并對其進(jìn)行維修。

二級( L2 ):以虛控實

以虛控實指利用數(shù)字孿生模型間接控制物理實體的運(yùn)行過程,具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級的第二等級( L2 )。在該等級,信息空間中的數(shù)字孿生模型已具有相對完整的運(yùn)動和控制邏輯,能夠接受輸入指令在信息空間中實現(xiàn)較為復(fù)雜的運(yùn)行過程。同時,在以虛映實的基礎(chǔ)上,增量建設(shè)由數(shù)字孿生模型到物理實體的數(shù)據(jù)傳輸通道,實現(xiàn)虛實實時雙向閉環(huán)交互,從而賦予物理實體遠(yuǎn)程可視化操控的能力,進(jìn)一步突破空間和環(huán)境約束對于物理實體操控的限制。盡管這種控制并不一定是智能的或優(yōu)化的,但仍可大幅提高物理實體的管控效率。

以機(jī)器人為例,在其運(yùn)行階段,機(jī)器人即將完成產(chǎn)品A的加工,轉(zhuǎn)而對產(chǎn)品B進(jìn)行加工,由于兩種產(chǎn)品的加工工藝不同,機(jī)器人的運(yùn)行軌跡和相應(yīng)的末端執(zhí)行器行為需要重新調(diào)整,技術(shù)人員利用信息空間中的數(shù)字孿生模型,在不中斷對產(chǎn)品A加工過程的同時預(yù)先設(shè)定機(jī)器人對產(chǎn)品B加工過程中的一系列行為,在產(chǎn)品A加工結(jié)束的瞬間,直接用已經(jīng)規(guī)劃好的運(yùn)行方案對物理機(jī)器人進(jìn)行控制,實現(xiàn)無縫銜接的柔性制造。

三級( L3 ):以虛預(yù)實

以虛預(yù)實指利用數(shù)字孿生模型預(yù)測物理實體未來一段時間的運(yùn)行過程和狀態(tài),具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級的第三等級( L3 )。在該等級,數(shù)字孿生模型能夠基于與物理實體的實時雙向閉環(huán)交互,動態(tài)反映物理實體當(dāng)前的實際狀態(tài),并通過合理利用數(shù)字孿生模型所描述的顯性機(jī)理和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的隱性規(guī)律,實現(xiàn)對物理實體未來運(yùn)行過程的在線預(yù)演和對運(yùn)行結(jié)果的推測,從而在一定程度上將未知轉(zhuǎn)化為預(yù)知,將突發(fā)和偶發(fā)問題轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)問題。

以機(jī)器人為例,通過分析關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),并結(jié)合日志文件中的故障信息和維護(hù)信息,挖掘得到伺服電機(jī)能耗和震動特征與運(yùn)行精度下滑現(xiàn)象以及良品率下降現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在機(jī)器人的運(yùn)行過程中,通過實時監(jiān)測其關(guān)節(jié)伺服電機(jī)能耗和震動的相關(guān)數(shù)據(jù),在線預(yù)測機(jī)器人加工精度無法滿足良品率最低要求的可能時段,從而在此之前便提前對其進(jìn)行主動維護(hù)。

四級( L4 ):以虛優(yōu)實

以虛優(yōu)實指利用數(shù)字孿生模型對物理實體進(jìn)行優(yōu)化,具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級的第四等級( L4 )。在該等級,數(shù)字孿生不僅能夠基于數(shù)字孿生模型實時反映物理實體的運(yùn)行狀態(tài),結(jié)合數(shù)字孿生數(shù)據(jù)預(yù)測物理實體的未來發(fā)展,還能夠在此基礎(chǔ)上,利用策略、算法和前期積累沉淀的知識,實現(xiàn)具有時效性的智能決策和優(yōu)化,并基于實時交互機(jī)制實現(xiàn)對物理實體的智能管控。

以機(jī)器人為例,機(jī)器人正通過與人協(xié)作,實現(xiàn)產(chǎn)品A的批量生產(chǎn)。在此過程中,機(jī)器人不斷監(jiān)測和預(yù)測作業(yè)環(huán)境中的人和其他障礙物的方位,并根據(jù)人體和障礙物可能到達(dá)的位置進(jìn)行軌跡規(guī)劃,計算得到針對各種可能性的最優(yōu)軌跡規(guī)劃方案集,在一段時間后,根據(jù)人和障礙物實際到達(dá)的方位從方案集中選取相應(yīng)的最優(yōu)方案,在不與人和障礙物發(fā)生碰撞的前提下,按照最優(yōu)的軌跡執(zhí)行協(xié)作任務(wù)。

五級( L5 ):虛實共生

虛實共生作為數(shù)字孿生的理想目標(biāo),指物理實體和數(shù)字孿生模型在長時間的同步運(yùn)行過程中,甚至是在全生命周期中通過動態(tài)重構(gòu)實現(xiàn)自主孿生,具有該能力的數(shù)字孿生處于其成熟度等級的第五等級(L5)。在該等級,物理實體和數(shù)字孿生模型能夠基于雙向交互實時感知和認(rèn)知對方的更新內(nèi)容,并基于兩者間的差異,利用3D打印、機(jī)器人、人工智能等技術(shù)實現(xiàn)物理實體和數(shù)字孿生模型的自主構(gòu)建或動態(tài)重構(gòu),使兩者在長時間的運(yùn)行過程中保持動態(tài)一致性,從而保證包括可視化、預(yù)測、決策、優(yōu)化等諸多功能服務(wù)的有效性,實現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、可持續(xù)的數(shù)字孿生。

以機(jī)器人為例,在運(yùn)行階段,通過多類傳感器監(jiān)測物理機(jī)器人的磨損情況,并將幾何模型、物理模型和規(guī)則模型進(jìn)行重構(gòu)和更新,使由幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型組成的機(jī)器人數(shù)字孿生模型與機(jī)器人在漫長的運(yùn)行過程中始終保持動態(tài)一致,保證基于數(shù)字孿生模型的預(yù)測結(jié)果和決策方案的有效性。

總結(jié)

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