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智能制作的中心技能之数字孪生

 发布时间:2022-06-25 05:50:53
作者:火狐体育官方网站入口

  全球最具威望的IT研讨与参谋咨询公司Gartner在2019年十大战略科技开展趋势中将数字孪生作为重要技能之一,其对数字孪生的描绘为:

  关于数字孪生的界说许多。陶飞教授在天然杂志的评述中以为,数字孪生作为完结真假之间双向映射、动态交互、实时衔接的要害途径,可将物理实体和体系的特点、结构、状况、功用、功用和行为映射到虚拟国际,构成高保真的动态多维/多标准/多物理量模型,为调查物理国际、知道物理国际、了解物理国际、操控物理国际、改造物理国际供给了一种有用手法。

  CIMdata引荐的界说是:“数字孪生(即数字克隆):是根据物理实体的体系描绘,可以完结对跨过整个别系生命周期可信来历的数据、模型和信息进行创立、办理和运用。”此界说简略,但若没有实在了解其间的要害词(体系描绘,生命周期,可信来历,模型),则或许发生误解。

  数字孪生五维概念模型是一个通用的参阅架构,能适用不同范畴的不同运用目标。其次,它的五维结构能与物联网、大数据、人工智能等新信息技能集成与交融,满意信息物理体系集成、信息物理数据交融、真假双向衔接与交互等需求。再次,孪生数据(DD)集成交融了信息数据与物理数据,满意信息空间与物理空间的一致性与同步性需求,能供给愈加精确、全面的全要素/全流程/全事务数据支撑。服务(Ss)对数字孪生运用进程中面向不同范畴、不同层次用户、不同事务所需的各类数据、模型、算法、仿真、效果等进行服务化封装,并以运用软件或移动端App的办法供给给用户,完结对服务的快捷与按需运用。衔接(CN)完结物理实体、虚拟实体、服务及数据之间的普适工业互联,然后支撑真假实时互联与交融。虚拟实体(VE)从多维度、多空间标准及多时刻标准对物理实体进行描写和描绘。

  图3给出了数字孪生体系的通用参阅架构。一个典型的数字孪生体系包含用户域、数字孪生体、丈量与操控实体、实际物理域和跨域功用实体共5个层次。

  数字孪生不只仅是物理国际的镜像,也要承受物理国际实时信息,更要反过来实时驱动物理国际,并且进化为物理国际的先知、先觉乃至超体。这个演化进程称为成熟度进化,即数字孪生的生长发育将经历数化、互动、先知、先觉和共智等几个进程(图4)。

  (2)互动。互动首要是指数字目标及其物理目标之间的实时动态互动。物联网是完结真假之间互动的中心技能。数字国际的职责之一是猜测和优化,一起根据优化效果干涉物理国际,所以需求将指令传递到物理国际。物理国际的新状况需求实时传导到数字国际,作为数字国际的新初始值和新边界条件。别的,这种互动包含数字目标之间的互动,依托数字线程来完结。

  (3)先知。先知是指运用仿真技能对物理国际的动态猜测。这需求数字目标不只表达物理国际的几许形状,更需求在数字模型中融入物理规则和机理。仿真技能不只树立物理目标的数字化模型,还要根据其时状况,经过物理学规则和机理来核算、剖析和猜测物理目标的未来状况。

  (4)先觉。假如说“先知”是根据物理目标确实认规则和完好机理来猜测数字孪生的未来,那“先觉”便是根据不完好的信息和不明确的机理,经过工业大数据和机器学习技能来预见未来。假如要求数字孪生越来越智能和才智,就不该局限于人类对物理国际确实认性常识,由于人类自身就不是彻底依靠承认性常识而领会国际的。

  (5)共智。共智是经过云核算技能完结不同数字孪生之间的才智交流和同享,其隐含的条件是单个数字孪生内部各构件的才智首先是同享的。所谓“单个”数字孪生体是人为界说的规模,多个数字孪生单体可以经过“共智”构成更大和更高层次的数字孪生体,这个数量和层次可以是无限的。

  数字化建模技能起源于20世纪50年代,建模的意图是将咱们对物理国际或问题的了解进行简化和模型化。数字孪生的意图或实质是经过数字化和模型化,消除各种物理实体、特别是杂乱体系的不承认性。所以树立物理实体的数字化模型或信息建模技能是创立数字孪生、完结数字孪生的源头和中心技能,也是“数化”阶段的中心。

  数字孪生的模型开展分为4个阶段,这种区分代表了工业界对数字孪生模型开展的遍及知道,如图5所示。

  第1个阶段是什物模型阶段,没有虚拟模型与之对应。NASA在太空飞船飞翔进程中,会在地上构建太空飞船的双胞胎什物模型。这套什物模型曾在解救Apollo 13的进程中起到了要害效果。

  第2个阶段是实体模型有其对应的部分完结的虚拟模型,但它们之间不存在数据通讯。其实这个阶段不能称为数字孪生的阶段,一般精确的说法是什物的数字模型。还有便是尽管有虚拟模型,但这个虚拟模型或许反响的是来历于它的一切实体,例如规划效果二维/三维模型,相同运用数字办法表达了实体模型,但两者直接并不是个别对应的。

  第3个阶段是在实体模型生命周期里,存在与之对应的虚拟模型,但虚拟模型是部分完结的,这个就像是实体模型的影子,也可称为数字影子模型,在虚拟模型间和实体模型间可以进行有限的双向数据通讯,即实体状况数据收集和虚拟模型信息反馈。其时数字孪生的建模技能可以较好的满意这个阶段的要求。

  第4个阶段是完好数字孪生阶段,即实体模型和虚拟模型彻底一一对应。虚拟模型完好表达了实体模型,并且两者之间完结了交融,完结了虚拟模型和实体模型间自我认知和自我处置,相互之间的状况可以实时保真的坚持同步。

  一个物理实体不是仅对应一个数字孪生体,或许需求多个从不同旁边面或视角描绘的数字孪生体。人们很简单以为一个物理实体对应一个数字孪生体。假如仅仅几许的,这种说法尚能树立。恰恰由于人们需求知道实体所在的不同阶段、不同环境中的不同物理进程,一个数字孪生体明显难以描绘。如一台机床在加工时的振荡变形状况、热变形状况、刀具与工件相互效果的状况……这些状况天然需求不同的数字孪生体进行描绘。

  不同的建模者从某一个特定视角描绘一个物理实体的数字孪生模型好像应该是相同的,但实际上或许有很大差异。前述一个物理实体或许对应多个数字孪生体,但从某个特定视角的数字孪生体好像应该是仅有的,实则否则。差异不仅仅模型的表达办法,更重要的是孪生数据的粒度。如在所谓的智能机床中,一般人们经过传感器实时取得加工标准、切削力、振荡、要害部位的温度等方面的数据,以此反映加工质量和机床运转状况。不同的建模者对数据的取舍必定不相同。一般来说,细粒度数据有利于人们更深刻地知道物理实体及其运转进程。

  从技能视点看,建模和仿真是一对伴生体:假如说建模是模型化咱们对物理国际或问题的了解,那么仿真便是验证和承认这种了解的正确性和有用性。所以,数字化模型的仿真技能是创立和运转数字孪生体、保证数字孪生体与对应物理实体完结有用闭环的中心技能。

  仿真是将包含了承认性规则和完好机理的模型转化成软件的办法来模仿物理国际的一种技能。只需模型正确,并具有了完好的输入信息和环境数据,就可以根本正确地反映物理国际的特性和参数。

  仿真鼓起于工业范畴,作为必不可少的重要技能,现已被国际上许多企业广泛运用到工业各个范畴中,是推进工业技能快速开展的中心技能,是工业3.0年代最重要的技能之一,在产品优化和立异活动中扮演不可或缺的人物。近年来,在工业4.0、智能制作等新一轮工业革命的鼓起,新技能与传统制作的结合催生了许多新式运用,工程仿真软件也开端与这些先进技能结合,在研制规划、出产制作、试验运维等各环节发挥更重要的效果。

  针对数字孪生严密相关的工业制作场景,咱们整理其间所触及的仿线)产品仿真,如体系仿真、多体仿真、物理场仿真、虚拟试验等;

  (2)制作仿真,如工艺仿真、安装仿真、数控加工仿线)出产仿真,如离散制作工厂仿真、流程制作仿真等。

  数字孪生是仿真运用新巅峰。在数字孪生的成熟度的每个阶段,仿真都在扮演着不可或缺的人物:“数化”的中心技能——建模总是和仿真联络在一起,或是仿真的一部分;“互动”是半什物仿真中习以为常的场景;“先知”的中心技能本性便是仿真;许多学者将“先觉”中的中心技能——工业大数据视为一种新的仿真范式;“共智”需求经过不同孪生体之间的多种学科耦合仿真才干让思维磕碰,才干发生才智的火花。数字孪生也由于仿真在不同成熟度阶段中无处不在而成为智能化和才智化的源泉与中心。

  一个与数字孪生严密联络在一起的概念是数字线程(digital thread)。数字孪生运用的条件是各个环节的模型及许多的数据,那么类似于产品的规划、制作、运维等各方面的数据,怎么发生、交流和流通?怎么在一些相对独立的体系之间完结数据的无缝活动?怎么在正确的时刻把正确的信息用正确的办法衔接到正确的当地?衔接的进程怎么可追溯?衔接的效果还要可评价。这些正是数字主线要处理的问题。CIMdata引荐的界说:“数字主线指一种信息交互的结构,可以打通本来多个竖井式的事务视角,连通设备全生命周期数据的互联数据流和集成视图”。数字线程经过强壮的端到端的互联体系模型和根据模型的体系工程流程来支撑和支撑,图7是其示意图。

  数字线程是与某个或某类物理实体对应的若干数字孪生体之间的交流桥梁,这些数字孪生体反映了该物理实体不同旁边面的模型视图。数字线程和数字孪生体之间的联系如图8所示。

  从图8可以看出,可以完结多视图模型数据交融的机制或引擎是数字线程技能的中心。因而,数字孪生的概念模型中,将数字线程表明为模型数据交融引擎和一系列数字孪生体的结合。数字孪生环境下完结数字线程有如下需求:

  数字线程必须在全生命周期中运用某种“一起语言”,才干交互。例如,在概念规划阶段,就有必要由产品工程师与制作工程师一起创立可以同享的动态数字模型。据此模型生成加工制作和质量查验等出产进程所需可视化工艺、数控程序、查验标准等,不断优化产品和进程,并坚持实时同步更新。数字线程能有用地评价体系在其生命周期中的其时和未来才能,在产品开发之前,经过仿真的办法及早发现体系功用缺点,优化产品的可操作性、可制作性、质量操控,以及在整个生命周期中运用模型完结可猜测保护。

  在电厂、钢铁厂、矿场都有物料堆积场。传统上,规划这些堆积场时,规划需求是人为规划的。堆积场建造运转后,却常常发现其时的规划无法满意现场需求。这种距离有时会非常大,构成巨大糟蹋。为了应对这一应战,在规划新的物料堆积场时,ABB公司运用了数字孪生技能。从规划需求开端,规划人员就运用物联网取得的前史运转数据进行大数据剖析,对需求进行优化。在规划进程中,ABB借助于CAD/CAE/VR等技能开发了物料堆积场的数字孪生(图9)。该数字孪生实时反映了物料传输、存储、混合、质量等随环境改变的参数。针对该物料场的规划并不是一次完结的,而是经过屡次优化才定型的。在优化阶段,在数字孪生中对物理场进行虚拟运转。经过运转反映出的动态改变,提早取得运转后或许会呈现的问题,然后主动改善规划。经过屡次迭代优化,构成终究的规划方案。

  经过运转进程证明,经过数字孪生规划的新方案可以更好地满意现场需求。并且,结合物联网,规划阶段的数字孪生领会在运转阶段持续运用,不断优化物料场的运转。

  在欧盟领导的欧洲研讨和立异方案项目中,研讨人员开发了机床的数字孪生体,以优化和操控机床的加工进程(图10)。除了惯例的根据模型的仿真和评价之外,研讨人员运用开发的东西监控机床加工进程,并进行直接操控。选用根据模型的评价,结合监督数据,改善制作进程的功用。经过操控部件的优化来保护操作、进步动力功率、修正工艺参数,然后进步出产率,保证机床重要部件在下次修理之前都坚持杰出状况。

  在树立机床的数字孪生体时,运用CAD和CAE技能树立了机床动力学模型(图11)、加工工程模仿、动力功率模型和要害部件寿数模型。这些模型可以核算资料去除率和毛边的厚度改变,以及猜测道具损坏的状况。除了优化道具加工进程中的切屑力外,还可以模仿道具的稳定性,答应对加工进程进行优化。此外,模型还猜测了外表粗糙度和热差错。机床数字孪生体能把这些模型和丈量数据实时衔接起来,为操控机床的操作供给辅佐决议计划。机床的监控体系布置在本地体系中,一起将数据上传至云端的数据办理渠道,在云渠道上办理并运转这些数据。

  数字孪生是物理实体在虚拟空间的实在反映,数字孪生在工业范畴运用的成功程度取决于数字孪生的传神程度,即拟实化程度。产品的每个物理特性都有其特定的模型,包含核算流体动力学模型、结构动力学模型、热力学模型、应力剖析模型、疲惫损害模型以及资料状况演化模型。怎么将这些根据不同物理特点的模型相关在一起,是树立数字孪生、继而充分发挥数字孪生模仿、确诊、猜测和操控效果的要害。根据多物理集成模型的仿真效果可以愈加精确地反映和镜像物理实体在实际环境中的实在状况和行为,使得在虚拟环境中产品的功用和功用并终究代替物理样机成为或许,一起还可以处理根据传统办法猜测产品健康状况和剩下寿数所存在的时序和几许标准等问题。多物理建模将是进步数字孪生拟实化程度、充分发挥数字孪生效果的重要技能手法。

  根据物联网、工业互联网、移动互联等新一代信息与通讯技能,实时收集和处理出产现场发生的进程数据,并将这些进程数据与出产线数字孪生进行相关映射和匹配,可以在线完结对产品制作进程的精细化管控;一起结合智能云渠道以及动态贝叶斯、神经网络等数据发掘和机器学习算法,完结对出产线、制作单元、出产进展、物流、质量的实时动态优化与调整。

  数字线程技能作为数字孪生的使能技能,用于完结数字孪生全生命周期各阶段模型和要害数据的双向交互,是完结单一产品数据源和产品全生命周期各阶段高效协同的根底。美国国防部将数字线程技能作为数字制作最重要的根底技能,工业互联网联盟也将数字线程作为其需求侧重处理的要害性技能。其时,产品规划、工艺规划、制作、查验、运用等各个环节之间依然存在断点,并未彻底完结数字量的接连活动;MBD技能的呈现尽管加强和标准了根据产品三维模型的制作信息描绘,但仍首要逗留在产品规划阶段和工艺规划阶段,需求向产品制作/安装、查验、运用等阶段延伸;并且现阶段的数字量活动是单向的,需求数字线程技能完结双向活动。因而,交融数字线程和数字孪生是未来的开展趋势。

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