数字孪生与工艺知识的关联及电控系统数字孪生的工艺管理研究

2022-11-25白静陈健李旭

科学与信息化 2022年11期

白静陈健李旭

北京遥感设备研究所北京 100854

引言

随着科学技术不断发展，信息技术在各个行业中发挥的作用越来越重要。“科技兴国”是当前我国当前发展战略，这意味着与国家安全及国家发展息息相关的行业在发展过程中一定会不断提高自身信息技术发展水平。武器装备制造行业与国家安全联系非常紧密，武器装备质量是确保军队战斗力，继而确保国家安全的关键。在这个过程中，相关制造行业需要提高工艺设计及工艺管理水平，将数字孪生运用到武器设备制作过程中，最大程度确保工艺设计的正确性以及工艺管理的有效性。

1 数字孪生概述

尽管当下国内国外对数字孪生的定义有一定区别，但是国内外的关于数字孪生的核心观念是相同的，即数字孪生指的是通过一定的技术手段使得物理和数学模型进行融合[1]。

数字孪生这一概念最早来自于西方，美国最开始提出这一概念-机身数字孪生，美国空军研究机构认为机身数字孪生是一个集成系统，此系统由模型、工具以及数据构成，可以管理机身的全寿命周期，能够进行机身故障预测及故障诊断[2]。之后其他公司对数字孪生这一概念进行了补充，不同领域的公司给出了不同概念[3]。

国内研究数字孪生相较于国外来讲晚了一段时间，但是研究成绩不错。国内认为数字孪生指的是以数字化平台为基础，依靠诉求构建出流程、物理实体及系统，以传感器为介质对相关数据进行采集录入，并将这些数据传入到系统平台之上，实现虚拟样机和物理实体之间的映射[4]。

总结国内外对于数字孪生的定义，可以得出数字孪生指的是依靠传感器进行虚拟数字模型和物理实体之间的映射，通过对数据进行实时监测，实现对物理实体状态的监控、预测及控制，并将物理实体的相关数据输入到数字模型之中，通过数据调整实现数字模型优化[5]。

2 数字孪生具体应用

2.1 设备层

一般情况下，单机设备的制造环节为：设计方案→机械设计→生产线层→电气（程序、软件）设计→现场测试→投入使用。将数字孪生运用到设计时期需要相关人员构建一个以数字为蓝本的虚拟样机，这个虚拟样机中需要包含电气、软件、程序及机械等各类信息。通过在虚拟样机中进行验证，相关人员能够清晰实际运行过程中可能会出现的问题，且在虚拟过程中出现的问题的时候，相关人员只需要调整数据就可以解决相关问题。在虚拟样机中对相关问题进行调整之后将其映射到现实设备之中，就能够尽可能避免系统运行过程中出现大问题，而且还能够适当减少研发周期。在设备层运用数字孪生主要包括：数字模型创建、虚拟信号创建、连接信号及虚拟调试。

2.2 产线层

产线设计的关键在于验证时期，这主要是因为单位生产制造出一个产品需要用到很多工序，也需要花费很多时间。每一个工序的生产流程，需要用到的时间以及其他数据都需要进行实际实验才能够进行验证，这是一个相当复杂的过程。传统产品制作过程中要进行实际验证，需要在实际装配完成之后才能开始。但是如果利用数字孪生，可以有效降低这个过程的复杂性。

利用数字孪生，相关人员可以对整个产线设计过程进行模拟，所有流程都可以1∶1还原整个过程，完全模拟安装以及测试各个环节。这对于生产线来讲，是一个非常可观的前景。在产线层运用数字孪生主要包括：依靠设备的数字孪生模型、虚拟空间运动模式进行力学控制、开发控制程序通用通信接口及网络及层和协同能力。

2.3 工厂层

工厂层的数字孪生需要以设备层及产线层为基础，这是一个集成过程，相关人员需要将所有系统进行集成，集中之后实现数字化管理。在工厂设备出现问题或是设备运行出现故障的时候，这个集成系统可以马上发出警报，同时在连接端口上标注出问题发生的问题以及关节点，这为系统管理人员提供了极大便利，足不出户或是哪怕身处在其他地方，也可以利用平板或是手机查看相关信息。

系统的预报功能并不是一个事后功能，而是一个事前功能。系统进行预报的目的并不是为了在故障发生之后促使相关人员对零件进行更换，而是在故障发生之前就及时进行提醒，使相关人员在事前就能够及时将零件进行更换，避免因为故障扩散到直播整个系统出现大问题。

数字孪生具体运用在每一个行业的形式都有一定区别在，这需要相关单位依照行业发展具体情况进行具体问题具体分析。一些行业中在工厂层用到数字孪生，需要与其他技术相结合，如果需要将现实系统与虚拟孪生相结合，则需要用到PLM集成系统、运营系统以及其他生产设备，这意味着数字孪生会与整个生产相联系，目前用到这一集成系统的行业并不是很多。

3 数字孪生与工艺知识的关联

武器装备实际上仍然是一件产品，产品制造和生产的关键是质量，对产量质量产生最大影响的因素为工艺制作流程，笼统来讲，也就是工艺管理[6]。工艺管理与产品生产效率以及最终质量有着直接联系，优秀的工艺能够促使产品工艺生产核心水平进一步提升。如果确保工艺知识能够达到一定水平，社会各界就这一问题进行了多次探讨，得出的结论为：“应当在工艺知识中融入数字孪生[7]。”

数字孪生能够为工艺知识提供技术以及数据支撑，这在一定程度上可以促使普通工艺知识进化为核心工艺知识[8]。以产品数字孪生及实体模型为介质，将产品整个生命周期展现出来的状态（主要是相关数据）映射至虚拟空间之中，相关人员可以通过这个过程对数据进行研究，以数据为蓝本,挖掘隐藏的工艺知识[9]。将数字孪生运用在产品生产及制造全过程中能够实现对这个过程的工艺管理以及有效指导。

以数字孪生为蓝本，进行工艺知识挖掘的具体流程如下所示：

产生制造需要经历以下几个环节：产品设计→工艺设计→生产制造→质量检验-运行维护→报废回收。

数字孪生对工艺知识进行挖掘的几个环节如下所示：实物模型＋孪生数据=数据融合→数据挖掘→工艺知识挖掘及推荐→评价与优化。

数字孪生与工艺知识的关联主要指的就是通过数字孪生对工艺知识进行挖掘，将挖掘出来的知识进行总结和优化，并将这些知识用到具体的产品制作过程中。以数字孪生为蓝本进行工艺知识挖掘，可以记录产品在生产之后的环节，也就是具体运行以及维护环节中的数据，通过总结这些数据，产品制造业相关人员能够提炼出新的或是优化过的工艺知识，以此为基础，促使产品工艺设计及工艺管理的水平更高，实现优化生产的目的。

4 某武器装备电控系统数字孪生的工艺管理研究

4.1 研发设计

武器装备电控系统是当下武器设备制造业生产需要用到的工具。在研发设计时期，设计人员要保证设计的准确性，需要用到数字孪生。数字孪生可以帮助设计人员检验电控系统在实际操作时候的性能。以生产需求为导向，武器装备电控系统控制模式主要包括“定义需求、仿真系统、设计功能（逻辑、物理、仿真）、实物验证”等这几个环节。

4.2 生产制造

在生产制造时期，数字孪生能够在最大程度上保证系统的效率及质量，还能够有效降低产品生产成本。武器装备电控系统中的信息主要有工艺流程信息、电控系统信息、工厂产线信息以及产品制造信息等，产品制作厂家只有将上述这些信息进行汇总，构建出完整的管理结构，进行武器装备电控系统细化管理，产品制造水平以及制造效率才能够不断提升。这其中牵涉以下几点对应信息：①虚拟仿真实验→系统工艺流程模型信息；②虚拟制造环境→系统装配及制造方法及制作过程；③生产车间模型→系统的三重模型。

制造厂商在使用武器装备电控系统之前，可以先应用数字孪生，通过数字孪生，依靠虚拟数据对电控系统实际生产过程进行模仿。从这个虚拟过程中预判和推测实际电控系统生产过程中可能会出现的问题，总结和分析模拟电控系统生产过程中相关数据，实行实时监测，对于虚拟生产过程中出现的问题在实际产品生产过程中要特别注意，尽可能避免这些问题出现。尽管利用数字孪生进行虚拟产品制造只是一个预先过程，但是在这个过程中出现的问题制造单位也需要及时进行调整，为之后的实际生产奠定一定的经验基础。

4.3 运行使用

在运行使用时期，相关人员要及时正确的判断武器装备电控系统的具体状态以及使用过程中出现的异常，确保能够及时发现系统运行过程中出现的故障，在发现系统出现故障及问题的时候，为了最大程度避免故障扩大化，影响整个系统运行，相关人员需要进行故障隔离。

一般情况下，故障诊断主要包括芯片级、板卡级及组件级,芯片级故障诊断依靠芯片检测,板卡级故障诊断依靠数字总线及板级诊断单元，组件级故障诊断依靠机箱诊断单元及维护测试总线。故障诊断会涉及多项技术，其中比较重要的包括数据处理技术、IC检测技术、系统重构及诊断算法等技术。

技术人员使用IC检测技术能够得到芯片特征参数，使用传感器能够得到机箱及板卡的特征数据，在维护测试过程中总线可以将数据上报并进行共享。实时数据、系统历史数据及工艺知识等能构建出虚拟电子控制系统多维虚拟模型，实现虚拟映射。

数字孪生模型构建的基础模糊理论及神经网络建立的综合电控箱。系统运行的时候，数字孪生模型依靠网络与生物实体、通信及数据进行实时交互，交互之后数字孪生模型会将故障信息生成，并显示在孪生机终端上（可视化三维显示）。这意味着在故障出现的时候，电控系统能够根据当前状况实现故障隔离、系统重建及维修预警告等功能。