产品设计域数字孪生模型演化过程及方法研究

李宏宇，康献民，谢啊奋，陈尧，黄光润

(五邑大学智能制造学部，广东江门 529020)

0 前言

2021年3月，国家“十四五”规划纲要明确提出要“探索建设数字孪生城市”，为建设数字孪生城市提供了国家战略指引。数字孪生技术是通过数字化重构物理世界中的实体，目的是映射物理世界中的实体。基于此模拟和复现物理世界中实体的动态和性能，进而将它应用于设备设计与制造，实现调试与维护。现阶段，在设计域数字孪生技术研究方面，文献[1]分析了现有智能产品概念结构技术系统的不足，针对其设计需求，提出以创新设计为目标，构建了一种产品数字孪生体功能模型方法，实验结果表明：该方法可以有效展示其概念结构，发现技术系统问题并改进。文献[2]针对工业锅炉设计过程的优化问题，结合工业锅炉设计和数字孪生技术，以设计过程优化为核心、数字孪生为基础提出新的设计思路，并构建了数字孪生驱动工业锅炉数字化设计技术框架，为数字孪生技术在数字化设计的应用提供一定的思路和参考。文献[3]针对物理产品设计和制造过程中的数字孪生建模需求，提出基于表面造型概念的综合参考模型，详细介绍了相关概念、表达方法以及在产品生命周期中的应用。文献[4]将数字孪生技术和TRIZ结合应用在概念设计阶段，提取设计过程中重要参数并将参数的演化应用于数字孪生技术中，服务于产品全生命周期，并以设计立体车库的实例说明了该方法的有效性与科学性。文献[5]讨论了复杂产品设计和制造信息物理融合的问题，构建了基于数字孪生技术复杂产品环形设计框架，分析了数字孪生技术在复杂产品设计制造一体化应用方法。文献[6]在数字孪生模型构建方面，首先分析需求并提出了系统原理与功能结构，利用OPC UA技术构建了通信网络架构，完成了实时数据对虚拟模型的实时映射。文献[7]针对复杂产品设计阶段多学科协同性差、研发成本高问题，将数字孪生的理念引入到复杂机械产品多学科协同设计中，提出产品数字孪生技术协同设计建模架构，并以具体实例证明该理论及优化方法的有效性，为数字孪生技术的产品设计和制造应用提供了一定参考价值。

根据设计理论与数字孪生概念，本文作者提出产品设计域数字孪生模型演化方法，并以曳引式电梯为例进行验证。首先，通过对电梯用户的需求分析与电梯概念模型演化、结构模型演化与模型演化获得初步的电梯数字孪生模型；其次，完成电梯虚拟模型的运动动力学仿真与物理电梯数据的采集；再次，通过对振动仿真数据与历史数据对比完成参数模型验证；最终得到合理的数字孪生电梯模型。

1 设计域数字孪生模型演化架构

在数字孪生模型的设计阶段，为了减少用户对需求产品的开发与后期模型优化的成本，结合数字孪生基本概念以及研发设计、生产阶段、产品阶段、使用维护阶段的概念，提出了设计域数字孪生演化方法，如式(1)所示：

DDT=(DA，CMe，SMe，PMe，MV)

(1)

式中：DA表示需求分析；CMe表示概念模型演化；SMe表示结构模型演化；PMe表示参数模型演化；MV表示数字孪生模型验证[8]。

对设计域的数字孪生技术进行了以下定义：设计域的数字孪生技术是指根据产品需求以及充分利用的历史数据和工程经验等数据基础上，对产品在“概念模型演化-结构模型演化-参数模型演化”三域中分别实现 “设计-评价-反馈-迭代”的封闭循环，并最终生成详细的产品设计方案来满足用户需求。根据上述定义，建立机电产品设计域数字孪生模型演化架构，如图1所示。

图1 设计域数字孪生模型演化架构

在设计域数字孪生模型演化架构中，将机电产品的设计过程分为5个部分，分别为：需求分析、概念模型演化、结构模型演化、参数模型演化与基于历史数据的设计域数字孪生模型验证。首先，在需求分析阶段(DA)分析需要建立数字孪生体的机电产品用户的需求，并将分析生成的需求模型提供给概念模型演化过程，在概念模型演化(CMe)过程中经过评价迭代生成合理的概念模型；再将概念模型进行理论计算，与结构计算生成基本结构模型，并在结构模型演化(SMe)过程中经过迭代优化，最终经过评价获得合理的结构模型；最后结构模型通过参数模型演化(PMe)过程中的迭代优化与评价生成合理的参数模型。得到初步的机电产品数字孪生模型后，将物理实体的监测数据与仿真数据进行对比并查看误差情况，若误差过大则回到需求分析阶段进行修改与循环，反之则获得合理的数字孪生体。以机电产品曳引式电梯为研究对象，完成并验证电梯设计域数字孪生模型演化架构。

2 设计域数字孪生模型演化过程

2.1 面向电梯产品的需求分析

因为用户需求模糊性、多样性的特点，因此直接收集到的用户数据无法用于分析和设计。在得到电梯用户需求数据后，为建立电梯的用户需求模型，引入需求元的概念对用户需求进行表达[9]。

构成用户需求模型的用户需求元具有一定的层次性，并且相互关联。在此基础上，通过分析某些用户需求的特点，可以用层次树来表达电梯产品的层次结构。基于拓扑结构的用户需求模型添加需求类别可以对需求元进行分组，使用户需求模型看起来更加直观，便于设计人员理解和使用。在构建用户需求模型时，使用需求元素表示原始的用户需求描述，然后根据需求类别对需求进行分类，并根据上述方法对复合需求元进行分解，从而获得一系列粒度不同的子需求元，然后根据需求的层次和关联关系对需求进行组织，从而使用户需求模型层次结构清晰、易于理解。图2所示为基于拓扑结构的用户需求模型。

图2 基于拓扑结构的用户需求模型

图2中，分解处理所得需求元层只有一层需求元，带箭头的实线标识了用户总体需求与各原需求元之间的组成关系，带箭头的虚线由原用户需求元指向分解处理所得到的用户需求元，标识了用户需求元之间的分解处理关系。根据该需求模型的拓扑结构对其中的需求元、需求类别进行编号。以用户评论数据中某用户的需求作为输入，得到图3所示某用户的需求模型[10]。

2.2 概念模型演化

为了更好地处理曳引式电梯概念模型演化过程中大量的用户数据以及功能运行、设计及验证评价等步骤的相互关系，在电梯设计域中应用数字孪生思想设计概念模型，提出了基于SysML虚拟运行的产品设计域孪生概念模型构建和演化方法[11-12]。图4所示为电梯设计域数字孪生概念模型演化框架。

图4 电梯设计域数字孪生概念模型演化框架

为了更好地处理机电产品设计域中大量用户数据、功能运行、设计及验证验证目标产品的概念模型，在机电产品设计域中应用数字孪生思想设计概念模型，提出了基于SysML虚拟运行的产品设计域孪生概念模型构建和演化的方法。首先，以需求模型为切入点，获取用户新需求、历史数据和工程经验；其次，进一步细化需求、活动分析和分解功能，构建产品的功能模型，在逻辑架构和形态学矩阵下进行组件分配，形成初步概念模型，最后通过合理的评价方法进行优化迭代并反馈为合理的概念模型，如图5所示。

2.3 结构模型演化

图6所示为电梯结构模型演化过程，需求分析通过概念模型演化得到了概念模型，再经过详细理论计算和结构设计得出基本结构模型[13]。按照结构模型基本评价指标进行综合评价，其结果依据评价标准判断是否进行下一步，如果其结果不满足要求则返回，继续进行结构模型设计，直到结果符合要求才进行控制系统设计。最后，基于数字孪生相关技术中的虚拟调试技术[14]，对电梯进行控制程序验证和运动学的位移、速度和加速度参数的提取，按照运动学评价指标进行评价，其结果依据评价标准判断是否进行下一步，如果结果不满足要求则返回，继续进行结构模型设计，直到结果符合要求才确定最终的合理结构模型。其结构模型与虚拟调试过程如图7、8所示。

图8 虚拟调试过程

2.4 参数模型演化

设计域数字孪生模型参数模型演化过程如图9所示，通过概念模型和结构模型两大演化过程得到了结构模型，通过需求分析建立评价指标和确定权重的评价方法。将不同的参数模型仿真获取的数据汇总，选择出参数模型，其结果依据评价标准判断是否进行下一步，如果评价的结果不满足要求则返回继续进行参数模型设计，直到结果符合要求才确定最终的合理参数模型，最后确定设计域的数字孪生模型。

图9 设计域数字孪生模型参数模型演化过程

3 基于数据驱动的参数模型验证

通过概念、结构与参数模型演化得到曳引式电梯数字孪生模型，通过对比轿厢运行中所产生的振动状况来验证孪生模型。在相同环境条件下，通过2种方法采集电梯运行数据：一种是利用传感器对物理实体电梯进行速度、加速度与振动数据采集；第二种是仿真获得振动数据，通过2种数据对比、分析并验证孪生模型及演化的可行性。

3.1 运动学仿真

对电梯虚拟模型进行运动学仿真，以获得电梯在不同加速度下的位移、速度和加速度数据曲线[15]，如图10所示。

3.2 动力学仿真

由于电梯钢丝绳属于柔性体，因此使用离散法对钢丝绳进行建模[16]，图11所示为钢丝绳各离散单元之间、离散单元与曳引轮之间的约束与受力关系。

图11 钢丝绳曳引轮约束关系

根据实际物理电梯额定载质量，选择仿真电梯载质量为200 kg，以运动仿真所得到的运行曲线作为输入，对数字孪生电梯模型的振动情况进行仿真。仿真结果如图12所示。

图12 电梯轿厢振动曲线

由图12可知：电梯轿厢垂直振动加速度的最大值为218.30 mm/s2，A95值为417.08 mm/s2；水平振动加速度的最大值为181.18 mm/s2，A95值为339.20 mm/s2。其中A95振动峰峰值是指在规定的范围内95%振动的峰峰值所低于的振动峰峰值。

3.3 物理模型监测数据对比验证

参与测试的实际物理电梯额定最大载质量为1 600 kg，实际测量时电梯载质量与仿真模型载质量一致，均为200 kg，实际测量曳引式电梯振动情况如图13所示。

图13 电梯实体振动情况

由图13可知：电梯轿厢垂直振动加速度的最大值为197.94 mm/s2，A95 值为371.29 mm/s2；水平振动加速度的最大值为166.92 mm/s2，A95 值为269.16 mm/s2。与仿真曲线相比误差较大，分别为10.30%、12.33%、8.54%、26.02%，由于特征数据误差较大，故可以推断出此数字孪生体不符合要求。再根据设计域数字孪生演化方法对迭代优化后产生的数字孪生模型进行仿真，获得了图14所示的振动情况。

图14 优化后数字孪生模型振动仿真曲线

在图14中，电梯轿厢垂直振动加速度的最大值为205.69 mm/s2，误差为3.90%，A95值为359.09 mm/s2，误差为3.29%；水平振动加速度的最大值为150.26 mm/s2，误差为9.98%，A95值为256.65 mm/s2，误差为4.64%。与迭代优化前的数字孪生模型相比，误差有明显降低，并与物理实体电梯的振动曲线更加吻合，由此可证明所提出的设计域数字孪生演化方法的可行性。

4 结论

为了解决如今机电产品需求多样化、动态需求适应性差、设计阶段离散、设计周期长等问题，用数字孪生相关技术对机电产品设计阶段的研发设计进行了研究，提出了一种以需求分析-概念模型演化-结构模型演化：参数模型演化作为设计域数字孪生模型演化方法的思路，并分别在各个演化过程中加入了迭代优化过程，以此获得数字孪生模型，最终根据该模型获得仿真数据，测得实际数据后，将两者进行对比完成数字孪生模型验证，并根据误差结果来判断是否进行优化。

为了验证所提出的设计域数字孪生模型演化方法的可行性，以机电产品曳引式电梯为研究对象，首先，分别对该演化方法的各个部分进行了解释，并通过建立电梯的需求模型、概念模型、结构模型与参数模型完成了电梯数字孪生模型的创建；其次，对该模型进行了运动动力学仿真以获得其振动参数；最后，通过实际电梯振动数据与仿真振动数据的对比、优化，获得了更加精确的数字孪生模型，验证了所提出的演化方法的可行性。