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塑造设计和生产工程的数字双胞胎
摘要
制造业的数字化推动了复杂的虚拟产品模型的应用，在产品实现的所有阶段，这些模型被称为数字双胞胎。值得注意的是，更加真实的制造产品虚拟模型对于缩小设计与制造之间的差距以及反映真实世界和虚拟世界至关重要。在本文中，我们提出了一个基于皮肤模型形状概念的综合参考模型，它是设计和制造中实物产品的数字双胞胎。在这方面，产品生命周期中的模型概念化，表示和实现以及应已经被解决。
关键词：设计 公差 数字双胞胎
1简介
在当今竞争激烈的市场中，缩短上市时间和提高产品开发性能的雄心推动了复杂的虚拟产品模型的应用，这些模型通常被称为数字双胞胎。通过制造数字化，网络物理生产系统数字化，基于模型的系统工程数字化以及不断增长的数据收集和处理工作数字化，这些模型越来越丰富了生产和运营数据。此外，它们可以有效预测产品和工艺开发的影响，以及对产品行为的操作和服务决策，而无需昂贵且耗时的物理模型[1-3]。特别是在设计上，这种真实的产品模型对于早期有效地评估设计决策对机械产品质量和功能的影响至关重要。然而，目前实施数字双胞胎的方法缺乏概念基础，这阻碍了数字双胞胎视觉在设计和生产工程中的各种活动的适用性。
受此需求的推动，本文提出了一个综合参考模型，它是设计和生产工程中物理产品的数字双胞胎。解决了综合参考模型的重要属性，例如可扩展性，互操作性，可扩展性和保真度，并且研究了在产品生命周期中对这种参考模型的不同操作，例如组成，分解，转换和评估。此外，还强调了这种参考模型在几何变化管理中的应用。
本论文的结构如下：在下一节中，我们将回顾数字双胞胎的愿景及其演变。之后，介绍了数字双胞胎的综合参考模型，然后将其应用于几何变化管理。最后，我们给出了结论和展望。
2数字双胞胎的愿景
有些人认为，“数字双胞胎本身的愿景是指对组件，产品或系统的全面的物理和功能上的描述，其中或多或少地包含在当前或者后续甚至在所有生命周期阶段所有可能有用的信息。”[4]。在下文中，简要说明了这一愿景的演变，讨论了数字双胞胎的最新定义，并对其中的几个观点进行了论述。
2.1数字双胞胎的起源和演变
在工业革命之前，实物加工品主要由工匠批量生产，导致给定模板的独特性。然而，随着18世纪可互换部件概念的引入，随着公司开始努力在大规模生产中构建其产品的副本，产品的设计和制造方式迅速发生变化。最近，大规模定制的范例旨在将这两个既定的制造概念相结合，以实现降低定制产品单位成本的目的。
然而，尽管这种制造范例允许制造大量类似的，即定制的部分零件或产品，但这些制造的实例仅仅是不相关的副本。与此相反，构建双胞胎的想法是指生成零件或产品的副本，并使用它来推理其它相同零件或产品的实例，从而建立多个副本之间的关系。据说这个想法起源于美国宇航局的阿波罗计划，“要想在任务期间反映太空飞行器的状况，那么就必须至少构建两个完全相同的太空飞行器”[5]。
然而，在过去的几十年中，计算机技术的进步为建立越来越复杂的物理伪像虚拟模型以及这些模型与系统工程的融合提供有力保障[6]。这些模型不仅用于设计验证以及完成验证[7]，而且还越来越多地用作包含基于模型的所需产品特性的需求的主产品模型[8]。此外，“微芯片，传感器和IT技术”的发展[9]为智能产品的出现铺平了道路，智能产品跟踪和传达其运行条件，从而允许他们的产品模型使用他们的状态数据，例如环境条件和负荷。
除此之外，现代感应程序甚至超越了几何测量和扫描，可以轻松，快速，可靠地收集来自实物加工品的大量数据。模式识别，数据挖掘，深度学习，逆向工程和其他数据分析方法利用这些数据集并揭示过去隐藏的产品，流程和操作特征之间的依存关系。
模拟技术的巨大发展以及从产品中收集和交换数据的可能性越来越大，从而可以构建实体产品的虚拟双胞胎，这最终导致了目前对“数字双胞胎”的愿景的理解。 NASA可能在其综合技术路线图（技术领域11：建模，仿真，信息技术和处理路线图; 2010）中给出了它的第一个定义，该路线图略有改编[10]：“数字双胞胎可以对使用最佳物理模型，最新传感设备，并且具有丰富的设备历史的飞行器或者系统进行多物理场，多尺度，通过概率进行全方位的综合的模拟，以反映其相应的飞行器双胞胎的寿命”（图1）。与此类似，GRIEVES将数字双胞胎定义为“一组完全描述从微观原子水平到宏观几何水平的潜在或实物制造产品的虚拟信息结构体”[11]。
图1 数字双胞胎在整个产品生命周期中的愿景如下[11]
2.2关于数字双胞胎的观点
基于这些定义，可以发现，人们对数字双胞胎的愿景存在不同的观点。在这种背景下，有些人认为，“从模拟的角度来看，数字双胞胎方法是建模，仿真和优化技术的下一波浪潮”[5]。然而，数字双胞胎不是物理产品的完整模型，而是一组相关联的操作的数据资料和模拟模型，它们具有适合其预期目的的粒度并在整个产品生命周期中发展[4]。因此，数字双胞胎不仅用于表示目的，而且还适用于对预期产品行为进行预测[4]，而仿真模型的粒度符合其目的，并从早期设计阶段演变而来，其中简单的产品模型决定产品概念，细节设计，其中复杂的仿真模型支持零件和子组件的尺寸和设计。
因此，从产品生命周期管理的角度来看，强烈需要将所有产品生命周期的数据资料整合到一个综合管理系统中，可供许多的参与者用于查询数据，例如产品终身性能的信息，可以利用这些信息通过数字双胞胎对实际的产品进行预测，以进行设计优化和制造系统改进[5]。
2.3当前工业中的解读和应用
在工业实践中可以观察到对“数字双胞胎”的不同理解，尤其是PLM软件供应商。在这方面，有些人认为，PTC正致力于在虚拟产品模型和物理部件之间建立联系，以提高制造的灵活性和产品的竞争力，而Dassault Systegrave;mes则瞄准产品设计性能。此外，通用电气对于“数字双胞胎”的理解侧重于预测其产品在整个寿命周期的健康和性能，而西门子则致力于提高产品制造的效率和质量。TESLA旨在为每辆内置汽车开发“数字双胞胎”，从而实现汽车与工厂之间的同步数据传输，而其他公司则越来越多地使用复杂的产品模型来提升虚拟和增强现实应用的沉浸感。
2.4综合与讨论
总而言之，数字双胞胎的视觉描述了物理人工制品与其虚拟模型集之间的双向关系的愿景。在这种情况下，虚拟“双胞胎”，即物理部分与其虚拟模型之间的这种关系的建立，使得产品设计，制造，服务和各种其他活动能够在整个产品生命周期中有效地执行。特别是在设计中，这种数字双胞胎允许检查产品规格与设计意图和客户要求的一致性。
然而，正如科学文献和实践中所报道的那样，目前对数字双胞胎视觉实现的限制是物理和数字世界之间同步建立闭环的可能性不足，高保真模型的缺失用于多尺度的模拟和虚拟测试，缺乏对这些模型的不确定性量化，复杂系统预测的困难，以及收集和处理大型数据集的挑战。实际上，这些挑战只能基于健全的概念框架和数字双胞胎的综合参考模型来掌握。
3数字双胞胎的参考模型
对设计和制造活动的现实虚拟产品模型的需求无处不在。然而，目前实施数字双胞胎的方法缺乏概念基础。这阻碍了数字双胞胎在设计和生产工程中的各种活动实施的适用性，因此妨碍了建立物理人工制品的综合的数字双胞胎的努力。受此缺点的启发，我们提出了数字双胞胎的参考模型，可以将其视为实现特定应用的数字双胞胎的模板，同时确保重要的模型属性，例如模型的可扩展性，互操作性，可扩展性和保真度。
3.1背景
参考模型的概念背景借鉴了经典实体建模和ISO几何产品规范（GPS）标准的最新发展，其中GPS为产品几何的建模，规范和验证提供了广泛认可的框架。实体建模引入了抽象化的表示模式以概念化理想化的物理产品，并在具有合适表示的计算机上实现它。ISO GPS标准从工业最佳实践和示例演变为更严格的概念和具有一致语法和语义的语言，旨在将它们转移到数字化时代。这些概念化努力促成了GeoSpelling“语言”[12]的发展。这种语言基于声音概念，允许明确定义几何规范，并在二元性原则的基础上反映规范和验证操作。其中一个基本概念是皮肤模型，它是工件与其环境之间物理接口的抽象模型[13]。皮肤模型允许心理模型和思想实验开发理论检查程序，从而将一个规范世界与物理世界联系起来。此外，还定义了几种镜像操作和不确定性（模糊性，方法不确定性，实现不确定性）[14]。
3.2模型抽象和表示
综合参考模型背后的思想是扩展和转移上述概念框架，并将几何产品规范语言的科学基础传达给数字双胞胎的愿景。这种参考模型的新颖性在于它特别注重物理和虚拟领域之间的“孪生”。在这方面，我们建议赋予数字双胞胎一个包含数字双胞胎所有特征的抽象模型，并在整个产品生命周期的概念层面充分描述物理双胞胎实物产品。基于这种抽象模型，可以进行思想实验，这可以捕捉和理解以及在抽象层面上清楚地描述物理双胞胎实物产品，包括实物产品的行为和实物产品周围的环境。
GPS标准化的经验和最近关于公差的研究工作使人们认识到，只有真实工件、其抽象模型和概念模型（皮肤模型）同这种抽象模型的虚拟表示之间的区别，才能清晰地理解几何图形，同时提供适用于几何变化管理的前瞻性语言。因此，皮肤模型形状的概念已经开发用于基于离散几何表示方案的皮肤模型的虚拟表示[15]。与此相似，我们提出了数字双胞胎的抽象与其表示之间的区别（图2）。在此上下文中，模型表示可以取决于特定应用并且可以涉及各种表示方式和建模范例。
概念模型与其数字双胞胎的虚拟表示之间的区别允许实现重要的模型属性（表1），例如模型可伸缩性，互操作性，可扩展性和保真度。在这方面，抽象模型描述能够定义不同规模的模型操作，同时可以概念性地查询产品不同接口部件的模型和产品组件的模型，并且可以将数字产品模型扩展到系统模型。
图2 数字双胞胎的物理双胞胎和参考模型（表示和抽象）
表1 数字双胞胎参考模型的属性
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可扩展性 |
能够提供不同规模的洞察力（从精细细节到大型系统） |
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互通性 |
能够转换，组合和建立不同模型表示之间的等价 |
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扩展性 |
能够集成，添加或替换模型 |
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保真度 |
能够描述物理产品的亲密度 |
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3.3参考模型的操作
除皮肤模型外，二元性原则还固定在ISO GPS标准中。GPS标准允许区分规范操作符和验证操作符，规范操作符包括用于定义皮肤模型上某些几何规范的一组操作，验证操作符反映了规范操作符，验证操作符镜像反映了规范操作符，并包括了验证实际部件规范所需的操作。尽管验证操作员镜像地反映了规范操作符，但验证操作符合是否完全符合规范操作符仍然存在不确定性。
这种二元性原则以及不确定性的概念也传达给数字双胞胎的参考模型。在这方面，将数字双胞胎应用于设计或生产工程中的不同场景和任务要求对数字双胞胎应用某些操作。这些操作取决于具体应用，并由物理对应物体提供支持（例如制造或组装操作）。数字双胞胎的抽象允许在抽象层面上描述这些操作，而它们的虚拟“表示”是使用特定的模拟模型来执行的。由于模拟模型的性质，显然，某种操作的抽象描述与其表示之间仍存在不确定性。我们在此建议将这组操作分为四大类，即转换，组合，分解和评估。
此外，物理现实世界和虚拟世界之间的“孪生”从概念层面可以被视为观察和预测阶段（图3）。虽然从物理双胞胎到数字双胞胎的信息传递与物理双胞胎的观察和感知有关，但从数字双胞胎到物理双胞胎的信息传递起源于科学假设，模拟仿真和虚拟测试模型，并适当处理不确定性，用于预测某些特征和物理双胞胎的行为。
图3 对物理和数字双胞胎的不同操作
4用于几何变化管理的数字双胞胎
几何变化管理的目的是确保在零件存在几何特征偏差的情况下，仍能满足产品所需的几何特征。因此，实现几何变化管理的数字双胞胎需要考虑整个产品生命周期中与几何偏差的规格，生成，验证和传播相关的所有不同观点。对于这些观点和应用程序中的每一个，数字双胞胎的特定操作由相应的虚拟表示定义和镜像反映。为此，GPS中定义的这一组操作[16]被利用并映射到在参考模型上运行的那些操作。
皮肤模型形状的概念作为计算机辅助公差和几何变化管理[17]的范式转换，是将这些视图和操作连接在一个综合模型中的第一种方法，这种模型结合了制造过程规划和检验过程规划（图4）。因此，在物理世界和几何变化管理中的数字双胞胎虚拟模型之间迈出了“孪生”的重要一步，这为正在进行的研究提供了坚实的基础。
图4 数字双胞胎用于几何变化管理
5结论和展望
使用虚拟模型评估产品，流程和服务决策后果的能力是现代制造企业的重要竞争因素之一。数字双胞胎的视觉是指物理人工制品和一组这样的虚拟模型之间的纠缠关系。
在本文中，描述了数字双胞胎的愿景的历史和演变以及目前对于数字双胞胎的理解和应用。除此之外，还讨论了目前对使用数字双胞胎的限制，并强调了设计和生产工程中数字双胞胎的综合参考模型。特别是，这种参考模型能够明确区分概念模型和数字双胞胎的虚拟表示。同时，本文还概述了这种参考模型在几何变化管理中的应用。本文的研究和工业应用的好处是为数字双胞胎提供了第一个理论和概念框架，未来将由设计和生产工程方面的学
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