白靜 陳健 李旭

北京遙感設(shè)備研究所 北京 100854

引言

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，信息技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要?！翱萍寂d國(guó)”是當(dāng)前我國(guó)當(dāng)前發(fā)展戰(zhàn)略，這意味著與國(guó)家安全及國(guó)家發(fā)展息息相關(guān)的行業(yè)在發(fā)展過(guò)程中一定會(huì)不斷提高自身信息技術(shù)發(fā)展水平。武器裝備制造行業(yè)與國(guó)家安全聯(lián)系非常緊密，武器裝備質(zhì)量是確保軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，繼而確保國(guó)家安全的關(guān)鍵。在這個(gè)過(guò)程中，相關(guān)制造行業(yè)需要提高工藝設(shè)計(jì)及工藝管理水平，將數(shù)字孿生運(yùn)用到武器設(shè)備制作過(guò)程中，最大程度確保工藝設(shè)計(jì)的正確性以及工藝管理的有效性。

1 數(shù)字孿生概述

盡管當(dāng)下國(guó)內(nèi)國(guó)外對(duì)數(shù)字孿生的定義有一定區(qū)別，但是國(guó)內(nèi)外的關(guān)于數(shù)字孿生的核心觀念是相同的，即數(shù)字孿生指的是通過(guò)一定的技術(shù)手段使得物理和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行融合[1]。

數(shù)字孿生這一概念最早來(lái)自于西方，美國(guó)最開(kāi)始提出這一概念-機(jī)身數(shù)字孿生，美國(guó)空軍研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為機(jī)身數(shù)字孿生是一個(gè)集成系統(tǒng)，此系統(tǒng)由模型、工具以及數(shù)據(jù)構(gòu)成，可以管理機(jī)身的全壽命周期，能夠進(jìn)行機(jī)身故障預(yù)測(cè)及故障診斷[2]。之后其他公司對(duì)數(shù)字孿生這一概念進(jìn)行了補(bǔ)充，不同領(lǐng)域的公司給出了不同概念[3]。

國(guó)內(nèi)研究數(shù)字孿生相較于國(guó)外來(lái)講晚了一段時(shí)間，但是研究成績(jī)不錯(cuò)。國(guó)內(nèi)認(rèn)為數(shù)字孿生指的是以數(shù)字化平臺(tái)為基礎(chǔ)，依靠訴求構(gòu)建出流程、物理實(shí)體及系統(tǒng)，以傳感器為介質(zhì)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集錄入，并將這些數(shù)據(jù)傳入到系統(tǒng)平臺(tái)之上，實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)和物理實(shí)體之間的映射[4]。

總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)于數(shù)字孿生的定義，可以得出數(shù)字孿生指的是依靠傳感器進(jìn)行虛擬數(shù)字模型和物理實(shí)體之間的映射，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)測(cè)及控制，并將物理實(shí)體的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到數(shù)字模型之中，通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型優(yōu)化[5]。

2 數(shù)字孿生具體應(yīng)用

2.1 設(shè)備層

一般情況下，單機(jī)設(shè)備的制造環(huán)節(jié)為：設(shè)計(jì)方案→機(jī)械設(shè)計(jì)→生產(chǎn)線層→電氣（程序、軟件）設(shè)計(jì)→現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試→投入使用。將數(shù)字孿生運(yùn)用到設(shè)計(jì)時(shí)期需要相關(guān)人員構(gòu)建一個(gè)以數(shù)字為藍(lán)本的虛擬樣機(jī)，這個(gè)虛擬樣機(jī)中需要包含電氣、軟件、程序及機(jī)械等各類(lèi)信息。通過(guò)在虛擬樣機(jī)中進(jìn)行驗(yàn)證，相關(guān)人員能夠清晰實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，且在虛擬過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題的時(shí)候，相關(guān)人員只需要調(diào)整數(shù)據(jù)就可以解決相關(guān)問(wèn)題。在虛擬樣機(jī)中對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整之后將其映射到現(xiàn)實(shí)設(shè)備之中，就能夠盡可能避免系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)大問(wèn)題，而且還能夠適當(dāng)減少研發(fā)周期。在設(shè)備層運(yùn)用數(shù)字孿生主要包括：數(shù)字模型創(chuàng)建、虛擬信號(hào)創(chuàng)建、連接信號(hào)及虛擬調(diào)試。

2.2 產(chǎn)線層

產(chǎn)線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于驗(yàn)證時(shí)期，這主要是因?yàn)閱挝簧a(chǎn)制造出一個(gè)產(chǎn)品需要用到很多工序，也需要花費(fèi)很多時(shí)間。每一個(gè)工序的生產(chǎn)流程，需要用到的時(shí)間以及其他數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)才能夠進(jìn)行驗(yàn)證，這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。傳統(tǒng)產(chǎn)品制作過(guò)程中要進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，需要在實(shí)際裝配完成之后才能開(kāi)始。但是如果利用數(shù)字孿生，可以有效降低這個(gè)過(guò)程的復(fù)雜性。

利用數(shù)字孿生，相關(guān)人員可以對(duì)整個(gè)產(chǎn)線設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行模擬，所有流程都可以1∶1還原整個(gè)過(guò)程，完全模擬安裝以及測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)。這對(duì)于生產(chǎn)線來(lái)講，是一個(gè)非?？捎^的前景。在產(chǎn)線層運(yùn)用數(shù)字孿生主要包括：依靠設(shè)備的數(shù)字孿生模型、虛擬空間運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行力學(xué)控制、開(kāi)發(fā)控制程序通用通信接口及網(wǎng)絡(luò)及層和協(xié)同能力。

2.3 工廠層

工廠層的數(shù)字孿生需要以設(shè)備層及產(chǎn)線層為基礎(chǔ)，這是一個(gè)集成過(guò)程，相關(guān)人員需要將所有系統(tǒng)進(jìn)行集成，集中之后實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。在工廠設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題或是設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障的時(shí)候，這個(gè)集成系統(tǒng)可以馬上發(fā)出警報(bào)，同時(shí)在連接端口上標(biāo)注出問(wèn)題發(fā)生的問(wèn)題以及關(guān)節(jié)點(diǎn)，這為系統(tǒng)管理人員提供了極大便利，足不出戶(hù)或是哪怕身處在其他地方，也可以利用平板或是手機(jī)查看相關(guān)信息。

系統(tǒng)的預(yù)報(bào)功能并不是一個(gè)事后功能，而是一個(gè)事前功能。系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)報(bào)的目的并不是為了在故障發(fā)生之后促使相關(guān)人員對(duì)零件進(jìn)行更換，而是在故障發(fā)生之前就及時(shí)進(jìn)行提醒，使相關(guān)人員在事前就能夠及時(shí)將零件進(jìn)行更換，避免因?yàn)楣收蠑U(kuò)散到直播整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)大問(wèn)題。

數(shù)字孿生具體運(yùn)用在每一個(gè)行業(yè)的形式都有一定區(qū)別在，這需要相關(guān)單位依照行業(yè)發(fā)展具體情況進(jìn)行具體問(wèn)題具體分析。一些行業(yè)中在工廠層用到數(shù)字孿生，需要與其他技術(shù)相結(jié)合，如果需要將現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與虛擬孿生相結(jié)合，則需要用到PLM集成系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)以及其他生產(chǎn)設(shè)備，這意味著數(shù)字孿生會(huì)與整個(gè)生產(chǎn)相聯(lián)系，目前用到這一集成系統(tǒng)的行業(yè)并不是很多。

3 數(shù)字孿生與工藝知識(shí)的關(guān)聯(lián)

武器裝備實(shí)際上仍然是一件產(chǎn)品，產(chǎn)品制造和生產(chǎn)的關(guān)鍵是質(zhì)量，對(duì)產(chǎn)量質(zhì)量產(chǎn)生最大影響的因素為工藝制作流程，籠統(tǒng)來(lái)講，也就是工藝管理[6]。工藝管理與產(chǎn)品生產(chǎn)效率以及最終質(zhì)量有著直接聯(lián)系，優(yōu)秀的工藝能夠促使產(chǎn)品工藝生產(chǎn)核心水平進(jìn)一步提升。如果確保工藝知識(shí)能夠達(dá)到一定水平，社會(huì)各界就這一問(wèn)題進(jìn)行了多次探討，得出的結(jié)論為：“應(yīng)當(dāng)在工藝知識(shí)中融入數(shù)字孿生[7]?！?/p>

數(shù)字孿生能夠?yàn)楣に囍R(shí)提供技術(shù)以及數(shù)據(jù)支撐，這在一定程度上可以促使普通工藝知識(shí)進(jìn)化為核心工藝知識(shí)[8]。以產(chǎn)品數(shù)字孿生及實(shí)體模型為介質(zhì)，將產(chǎn)品整個(gè)生命周期展現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)（主要是相關(guān)數(shù)據(jù)）映射至虛擬空間之中，相關(guān)人員可以通過(guò)這個(gè)過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，以數(shù)據(jù)為藍(lán)本,挖掘隱藏的工藝知識(shí)[9]。將數(shù)字孿生運(yùn)用在產(chǎn)品生產(chǎn)及制造全過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這個(gè)過(guò)程的工藝管理以及有效指導(dǎo)。

以數(shù)字孿生為藍(lán)本，進(jìn)行工藝知識(shí)挖掘的具體流程如下所示：

產(chǎn)生制造需要經(jīng)歷以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：產(chǎn)品設(shè)計(jì)→工藝設(shè)計(jì)→生產(chǎn)制造→質(zhì)量檢驗(yàn)-運(yùn)行維護(hù)→報(bào)廢回收。

數(shù)字孿生對(duì)工藝知識(shí)進(jìn)行挖掘的幾個(gè)環(huán)節(jié)如下所示：實(shí)物模型＋孿生數(shù)據(jù)=數(shù)據(jù)融合→數(shù)據(jù)挖掘→工藝知識(shí)挖掘及推薦→評(píng)價(jià)與優(yōu)化。

數(shù)字孿生與工藝知識(shí)的關(guān)聯(lián)主要指的就是通過(guò)數(shù)字孿生對(duì)工藝知識(shí)進(jìn)行挖掘，將挖掘出來(lái)的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)和優(yōu)化，并將這些知識(shí)用到具體的產(chǎn)品制作過(guò)程中。以數(shù)字孿生為藍(lán)本進(jìn)行工藝知識(shí)挖掘，可以記錄產(chǎn)品在生產(chǎn)之后的環(huán)節(jié)，也就是具體運(yùn)行以及維護(hù)環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)，通過(guò)總結(jié)這些數(shù)據(jù)，產(chǎn)品制造業(yè)相關(guān)人員能夠提煉出新的或是優(yōu)化過(guò)的工藝知識(shí)，以此為基礎(chǔ)，促使產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)及工藝管理的水平更高，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)的目的。

4 某武器裝備電控系統(tǒng)數(shù)字孿生的工藝管理研究

4.1 研發(fā)設(shè)計(jì)

武器裝備電控系統(tǒng)是當(dāng)下武器設(shè)備制造業(yè)生產(chǎn)需要用到的工具。在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)期，設(shè)計(jì)人員要保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，需要用到數(shù)字孿生。數(shù)字孿生可以幫助設(shè)計(jì)人員檢驗(yàn)電控系統(tǒng)在實(shí)際操作時(shí)候的性能。以生產(chǎn)需求為導(dǎo)向，武器裝備電控系統(tǒng)控制模式主要包括“定義需求、仿真系統(tǒng)、設(shè)計(jì)功能（邏輯、物理、仿真）、實(shí)物驗(yàn)證”等這幾個(gè)環(huán)節(jié)。

4.2 生產(chǎn)制造

在生產(chǎn)制造時(shí)期，數(shù)字孿生能夠在最大程度上保證系統(tǒng)的效率及質(zhì)量，還能夠有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。武器裝備電控系統(tǒng)中的信息主要有工藝流程信息、電控系統(tǒng)信息、工廠產(chǎn)線信息以及產(chǎn)品制造信息等，產(chǎn)品制作廠家只有將上述這些信息進(jìn)行匯總，構(gòu)建出完整的管理結(jié)構(gòu)，進(jìn)行武器裝備電控系統(tǒng)細(xì)化管理，產(chǎn)品制造水平以及制造效率才能夠不斷提升。這其中牽涉以下幾點(diǎn)對(duì)應(yīng)信息：①虛擬仿真實(shí)驗(yàn)→系統(tǒng)工藝流程模型信息；②虛擬制造環(huán)境→系統(tǒng)裝配及制造方法及制作過(guò)程；③生產(chǎn)車(chē)間模型→系統(tǒng)的三重模型。

制造廠商在使用武器裝備電控系統(tǒng)之前，可以先應(yīng)用數(shù)字孿生，通過(guò)數(shù)字孿生，依靠虛擬數(shù)據(jù)對(duì)電控系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模仿。從這個(gè)虛擬過(guò)程中預(yù)判和推測(cè)實(shí)際電控系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)和分析模擬電控系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于虛擬生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中要特別注意，盡可能避免這些問(wèn)題出現(xiàn)。盡管利用數(shù)字孿生進(jìn)行虛擬產(chǎn)品制造只是一個(gè)預(yù)先過(guò)程，但是在這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題制造單位也需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，為之后的實(shí)際生產(chǎn)奠定一定的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

4.3 運(yùn)行使用

在運(yùn)行使用時(shí)期，相關(guān)人員要及時(shí)正確的判斷武器裝備電控系統(tǒng)的具體狀態(tài)以及使用過(guò)程中出現(xiàn)的異常，確保能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障，在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障及問(wèn)題的時(shí)候，為了最大程度避免故障擴(kuò)大化，影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，相關(guān)人員需要進(jìn)行故障隔離。

一般情況下，故障診斷主要包括芯片級(jí)、板卡級(jí)及組件級(jí),芯片級(jí)故障診斷依靠芯片檢測(cè),板卡級(jí)故障診斷依靠數(shù)字總線及板級(jí)診斷單元，組件級(jí)故障診斷依靠機(jī)箱診斷單元及維護(hù)測(cè)試總線。故障診斷會(huì)涉及多項(xiàng)技術(shù)，其中比較重要的包括數(shù)據(jù)處理技術(shù)、IC檢測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)重構(gòu)及診斷算法等技術(shù)。

技術(shù)人員使用IC檢測(cè)技術(shù)能夠得到芯片特征參數(shù)，使用傳感器能夠得到機(jī)箱及板卡的特征數(shù)據(jù)，在維護(hù)測(cè)試過(guò)程中總線可以將數(shù)據(jù)上報(bào)并進(jìn)行共享。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)及工藝知識(shí)等能構(gòu)建出虛擬電子控制系統(tǒng)多維虛擬模型，實(shí)現(xiàn)虛擬映射。

數(shù)字孿生模型構(gòu)建的基礎(chǔ)模糊理論及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的綜合電控箱。系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，數(shù)字孿生模型依靠網(wǎng)絡(luò)與生物實(shí)體、通信及數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，交互之后數(shù)字孿生模型會(huì)將故障信息生成，并顯示在孿生機(jī)終端上（可視化三維顯示）。這意味著在故障出現(xiàn)的時(shí)候，電控系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前狀況實(shí)現(xiàn)故障隔離、系統(tǒng)重建及維修預(yù)警告等功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在當(dāng)下世界發(fā)展進(jìn)入新時(shí)期，國(guó)家發(fā)展面臨更多機(jī)遇及更大挑戰(zhàn)的背景下，武器裝備質(zhì)量的重要性不言而喻，武器制造行業(yè)在裝備電控系統(tǒng)中用到數(shù)字孿生并不斷精進(jìn)工藝設(shè)計(jì)以及工藝管理，不僅是提高武器設(shè)備生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量的必然要求，也是提升國(guó)家綜合國(guó)力的客觀要求。