統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)有數(shù)字孿生相關(guān)理論研究和應(yīng)用實(shí)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(shí)體設(shè)計(jì)驗(yàn)證與等效分析；②基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體運(yùn)行過程可視化監(jiān)測(cè)；③基于數(shù)字孿生的物理實(shí)體遠(yuǎn)程運(yùn)維管控；④基于數(shù)字孿生的診斷與預(yù)測(cè)；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(shí)體全生命周期跟蹤、回溯與管理。通過對(duì)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(shí)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(duì)前期提出的數(shù)字孿生五維模型，從物理實(shí)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(gè)維度出發(fā)，根據(jù)連接交互方式與自動(dòng)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(gè)成熟度等級(jí),如圖 1 所示。其中,物理空間中的物理實(shí)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(shí)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(jí)

?

?

1）零級(jí)( L0 ):以虛仿實(shí)

以虛仿實(shí)指利用數(shù)字孿生模型對(duì)物理實(shí)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(jí)的第零等級(jí)( L0 ),滿足此要求的實(shí)踐和應(yīng)用可歸入廣義數(shù)字孿生的概念范疇。在該等級(jí),數(shù)字孿生模型從幾何、物理、行為和規(guī)則某個(gè)或多個(gè)維度對(duì)物理實(shí)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(shí)體進(jìn)行仿真分析或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證,但數(shù)字孿生模型與物理實(shí)體之間無法通過直接的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互,主要依賴人的介入實(shí)現(xiàn)間接的虛實(shí)交互,包括對(duì)物理實(shí)體的控制和對(duì)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(jì)驗(yàn)證階段,利用由三維可視化模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)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(shí)驗(yàn),并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,并指導(dǎo)試制品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程的相關(guān)操作。

一級(jí)( L1):以虛映實(shí)

以虛映實(shí)指利用數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)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(jí)的第一等級(jí)( L1 )。在該等級(jí),數(shù)字孿生模型由真實(shí)且具有時(shí)效性的物理實(shí)體相關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行,同步直觀呈現(xiàn)與物理實(shí)體相同的運(yùn)行狀態(tài)和過程,輸出與物理實(shí)體運(yùn)行相同的結(jié)果,從而在一定程度上突破時(shí)間、空間和環(huán)境約束對(duì)于物理實(shí)體監(jiān)測(cè)過程的限制,但對(duì)于物理實(shí)體的操作和管控依舊依賴現(xiàn)場(chǎng)人員的直接介入,仍無法實(shí)現(xiàn)物理實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)效數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)介入,停止其運(yùn)行并對(duì)其進(jìn)行維修。

二級(jí)( L2 ):以虛控實(shí)

以虛控實(shí)指利用數(shù)字孿生模型間接控制物理實(shí)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(jí)的第二等級(jí)( L2 )。在該等級(jí),信息空間中的數(shù)字孿生模型已具有相對(duì)完整的運(yùn)動(dòng)和控制邏輯,能夠接受輸入指令在信息空間中實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的運(yùn)行過程。同時(shí),在以虛映實(shí)的基礎(chǔ)上,增量建設(shè)由數(shù)字孿生模型到物理實(shí)體的數(shù)據(jù)傳輸通道,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)實(shí)時(shí)雙向閉環(huán)交互,從而賦予物理實(shí)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(duì)于物理實(shí)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(shí)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(duì)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(duì)產(chǎn)品A加工過程的同時(shí)預(yù)先設(shè)定機(jī)器人對(duì)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(duì)物理機(jī)器人進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)無縫銜接的柔性制造。

三級(jí)( L3 ):以虛預(yù)實(shí)

以虛預(yù)實(shí)指利用數(shù)字孿生模型預(yù)測(cè)物理實(shí)體未來一段時(shí)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(jí)的第三等級(jí)( L3 )。在該等級(jí),數(shù)字孿生模型能夠基于與物理實(shí)體的實(shí)時(shí)雙向閉環(huán)交互,動(dòng)態(tài)反映物理實(shí)體當(dāng)前的實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體未來運(yùn)行過程的在線預(yù)演和對(duì)運(yùn)行結(jié)果的推測(cè),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(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其關(guān)節(jié)伺服電機(jī)能耗和震動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù),在線預(yù)測(cè)機(jī)器人加工精度無法滿足良品率最低要求的可能時(shí)段,從而在此之前便提前對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)。

四級(jí)( L4 ):以虛優(yōu)實(shí)

以虛優(yōu)實(shí)指利用數(shù)字孿生模型對(duì)物理實(shí)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(jí)的第四等級(jí)( L4 )。在該等級(jí),數(shù)字孿生不僅能夠基于數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)反映物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài),結(jié)合數(shù)字孿生數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)物理實(shí)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(shí),實(shí)現(xiàn)具有時(shí)效性的智能決策和優(yōu)化,并基于實(shí)時(shí)交互機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)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(shí)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(cè)和預(yù)測(cè)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(jì)算得到針對(duì)各種可能性的最優(yōu)軌跡規(guī)劃方案集,在一段時(shí)間后,根據(jù)人和障礙物實(shí)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(jí)( L5 ):虛實(shí)共生

虛實(shí)共生作為數(shù)字孿生的理想目標(biāo),指物理實(shí)體和數(shù)字孿生模型在長時(shí)間的同步運(yùn)行過程中,甚至是在全生命周期中通過動(dòng)態(tài)重構(gòu)實(shí)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(jí)的第五等級(jí)(L5)。在該等級(jí),物理實(shí)體和數(shù)字孿生模型能夠基于雙向交互實(shí)時(shí)感知和認(rèn)知對(duì)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(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和數(shù)字孿生模型的自主構(gòu)建或動(dòng)態(tài)重構(gòu),使兩者在長時(shí)間的運(yùn)行過程中保持動(dòng)態(tài)一致性,從而保證包括可視化、預(yù)測(cè)、決策、優(yōu)化等諸多功能服務(wù)的有效性,實(shí)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(cè)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(dòng)態(tài)一致,保證基于數(shù)字孿生模型的預(yù)測(cè)結(jié)果和決策方案的有效性。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的数字孪生|成熟度等级的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。