数字孪生技术在电梯设计制造中的应用探索

王英杰 张芹 左希庆

摘 要：在智能化、信息化技术与市场需求的推动下，电梯制造业的驱动模式由以往的产品驱动转变为用户驱动，为解决用户驱动背景下电梯制造过程存在的个性化定制问题，将数字孪生技术引入电梯设计与制造环节，建立了电梯数字孪生五维模型，对五维模型中各个维度重点分析。基于MCD仿真平台对电梯的机电系统进行设计，总结分析了当前数字孪生的实践情况与后续扩展方向。

关键词：数字孪生   电梯   五维模型   机电系统

中图分类号：TU857

Exploration of the Application of Digital Twin Technology in the Design and Manufacturing of Elevators

WANG Yingjie  ZHANG Qin  ZUO Xiqing

Huzhou Vocational and Technological College， Huzhou， Zhejiang Province， 313000 China

Abstract： Driven by intelligence and information technologies and market demand， the driving mode of the elevator manufacturing industry is shifting from the previous product-driven one to the user-driven one. In order to solve the personalized customization problem in the manufacturing process of elevators under the user-driven background， digital twin technology is introduced into the design and manufacturing process of elevators， a five-dimensional digital twin model of elevators is established， and each dimensions in the five-dimensional model is mainly analyzed. Based on the MCD simulation platform， the electromechanical system of elevators is designed， and the current practice and follow-up expansion directions of the digital twin are summarized and analyzed.

Key Words： Digital twin; Elevator; 5D model; Electromechanical system

近年来，随着我国城市化进程和楼宇建设的高速发展，电梯作为现代高层建筑中必不可少的垂直交通工具，承担着日益繁重的任务。伴随人们经济水平的提高，对生活品质也提出了更高的要求。人们更多地希望能够根据电梯的功能和结构进行个性化定制。为进一步提高市场竞争力，电梯制造企业不断调整发展策略，尝试运用各种新技术、新方法来缩短研发周期、提高制造效率、降低制造成本，以响应电梯市场的快速发展。在政策上，国家制定了“十四五”规划纲要，纲要指出“探索数字孪生城市建设”。数字孪生技术的出现，为各行各业的发展带来了新思路。

1  数字孪生技术分析

数字孪生模型实现了电梯的虚拟模型设计、制造过程和运行测试的全过程，并能预测电梯的性能、制造成本以及可维护性等。该模型最早由美国的迈克尔·格里夫斯教授在产品全生命周期管理课程上提出[1]，提出了“物理产品的数字表达”的概念，已经具备数字孪生的组成和功能。经过7年的发展，“Digital Twin”（DT）一词在NASA的技术报告中才被正式提出，被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”[2]，数字孪生的概念更加明确。2012年基于模型定义（Model Based Definition，MBD）和基于模型的企业（Model Based Enterprise，MBE）的概念被确定，将数字孪生扩展到了产品的整个制造周期。 2016年，西门子公司率先将数字孪生技术引入工业4.0中。2017年至今，关于数字孪生技术的研究进入快速增长期，并成为十大科技发展战略趋势之一。陶飞等人[3-6]从2016年至今先后探索了未来车间运行的新模式，提出了数字孪生车间的概念、数字孪生的五维结构模型、数字孪生驱动的6条应用准则和复杂产品设计制造一体化开发框架。李宏宇等人[7-8]在机电产品的设计上应用了数字孪生技术，解决了机电产品的设计中存在动态需求适应性差、设计阶段离散、设计周期长等问题。姜珊等人[9]在飞机柔性工装建模中提出了数字孪生模型参数化建模，解决了模型动态信息量大、建模过程复杂等问题。王发麟等人[10]在线缆装配过程中通过数字孪生技术构建，解决了装配与工艺文件的偏差问题。陈尧等人[11]利用数字孪生技术，建立了电梯的概念模型、机电系统模型和参数模型，并从电梯的功能、性能和安全等不同角度进行了基于数字孪生技术的定制电梯设计方法研究。

2 电梯五维模型构建

数字孪生是一个伴随着多种技术不断发展不断进化的动态过程，以往数字孪生模型多沿用迈克尔·格里夫斯教授最初定义的物理实体、虚拟实体及两者之间连接三维模型。

近年来随着数字孪生技术的不断发展，北京航空航天大学陶飞教授团队在三维模型的基础上增加了孪生数据和服务两个新维度，形成了数字孪生五维模型，使数据孪生适用于更多的领域。为解决用户驱动背景下电梯制造过程存在的个性化定制问题，将五维模型应用到电梯设计中，构建电梯五维模型，MDT（E）=（PE（E），VE（E），Ss（E），DD（E），CN（E）），其中：PE（E）表示电梯物理实体，VE（E）表示电梯的虚拟实体，它在虚拟空间最大程度地还原了物理实体的映射，Ss（W）表示电梯的服务，它是整个模型中最重要的一环，DD（E）表示电梯的孪生数据，CN（E）表示前四部分之间的信息交互。

2.1 物理实体

物理实体是五维模型的构成基础，从电梯全生命周期出发，考虑电梯产品的规划、设计、选型、制造、安装、使用、检测、维修、改造、拆除、报废等生产活动中涉及的物理实体要素总和，包括组成电梯的各级子系统及电力设备和传感器设备。按照功能及结构复杂程度分为3个层次，依次是单元级、系统级和复杂系统级。单元级是电梯结构最小的实物设备单元，如曳引机、轿厢、传感器设备等。系统级是由多个设备组成的系统，可以完成特定的工作任务，例如曳引系统、冲压生产线等，复杂系统级可以实现各个子系统之间的协调工作。

2.2  虚拟实体

虚拟实体是电梯结构的核心部分，包含4层特征，分别是几何模型、物理模型、行为模型和规则模型。几何模型是根据物理实体的几何参数建立的三维模型，主要反映物理实体的形状、尺寸、位置和相对关系；物理模型是在几何模型的基础上增加了物理属性、约束及特征等信息；行为模型是物理实体内外的双重控制下做出的响应；规则模型是通过对电梯物理实体力学规则、运行规律的建模，使虚拟电梯实体具备评估、预测等功能。

2.3  服务

服务是电梯孪生的核心目的，是虚拟实体和物理实体的引擎，将电梯设计过程中所用的模型、仿真、数据、算法进行封装。面向领域广泛，可以满足不同层次和不同需求的用户。展现方式较为灵活，借助软件平台或者手机App以工具组件的形式或者模块展现。并以小组件和用户在使用的过程中可以根据不同的功能需求，在电梯设计中的服务主要包括智能运行状态、故障诊断、故障预测、维修保养等。

2.4  孪生数据

孪生数据汇聚了物理实体、虚拟实体和服务等所有维度的数据，在数字孪生种发挥了驱动的功能。包括物理实体的电梯模型、大小、结构等数据，通过传感器采集获取电梯的运行情况、状态检测；虚拟实体的电梯仿真模型、行为特征等数据以及服务中的产生的运行状态、故障诊断等数据。

2.5  连接

连接是实现数字孪生各部分之间的信息交互。包括物理实体电梯与虚拟实体的信息交互，通过传感器、数据采集模块采集电梯的实体数据，通过相关协议将数据传输到数据层，通过数据优化再对数据进行处理，处理后的数据再传输到物体实体电梯层。其他部分之间的交互连接方法不再赘述。通过各个部分的信息交互、同步，实现五维模型的优化更新。

3  基于MCD仿真平台的机电系统设计

3.1 电梯模型参数化设计

电梯整机是一套复杂的机电一体化系统，在其设计过程中通常将其拆分为机械系统和电气系统两部分。其中机械模块按照功能特性又可划分为不同的子模块（如房模块、轿厢模块、门机模块等）。虽然不同电梯各模块结构尺寸不同，但各模块内零部件的形状特征类似。在设计过程中，可通过模块化设计与参数化设计的有机结合，提取各模块中关键参数（形状、尺寸特征），通过设置不同关键参数，驱动各数字模型的更新，快速完成各模块的参数化模型设计。各模块设计完成后，对各模块进行装配并设置对应的约束关系，完成电梯整机数字模型的设计。

3.2  物理及运动特征创建

为与电梯物理产品建立孪生映射关系，需要为电梯数字模型中各部件指定物理属性（如物理特性、运动属性、限制属性等），以确定各运动部件的运动方向和传动形式。

首先，根据电梯运动特性，将电梯各部件分为静止部件和运动部件两大类，并分别定义刚体（具有质量、惯性和重心的物体），便于后续建立运动和力学关系。为提高运算效率，减小工作量，通常将尽可能多的静止部件作为一个整体，设置为1个刚体，将运动部件按照运动关系（运动中相对静止的部件作为一个整体）分别设置为刚体。

其次，定义各刚体之间的运动副关系（如固定副、滑动副、旋转动副、弹簧阻尼器、螺旋副等），若各运动刚体间的运动关系比较复杂，不能用单一运动副描述，还需单独为对应刚体创建合适的运动关系（如曳引机、钢丝绳、轿厢等部件创建齿轮齿条耦合副、线缆副等）。通过运动副的创建，确保数字模型中各部件的运动方式与电梯实体各部件运动方式一致。

最后，为几何对象添加碰撞体，模拟各部件运动过程中可能发生的碰撞关系，当运动过程中发生碰撞时，系统会对碰撞部位进行高亮显示，便于进行故障的快速排除。

3.3  执行器和传感器创建

通过对电梯运动部件（曳引机、钢丝绳、轿厢、轿门等）的对应运动副添加执行器，可为系统指定刚体的运动速度和距离。

通过在电梯对应运动位置创建限位开关、距离传感器、速度传感器、加速度传感器等检测元件，定义电梯模型运动过程中的各位置的运行状态属性。

3.4  机电信号创建

为实现电梯实体与电梯数字模型运行状态的实时数据互交与通信，需要在电梯数字模型中通过MCD创建虚拟模型，根据电梯实体建立相应的机电信号。并通过信号映射方法实现双方的数据通信。在不影响系统正常运行状态下，为提高运算效率，增强系统数据传递稳定性，可根据其运动状态及特性，仅创建主要运动刚体的机电信号（如轿厢、电梯门、曳引机等）。

3.5  PLC程序调试

以S7-PLCSIM AdvancedV4.0作为PLC虚拟硬件桥梁，链接TIA博图与NX MCD进行数字孪生系统软在环PLC程序调试。在TIA博图软件中，创建轿厢操作面板HMI人机交互界面，并通过对操作面板按键的按动，模拟真实环境下乘梯人员对电梯的操作。在NX MCD中，将需要监测的部件运动特征添加到运行时察看器中（如轿厢的位置、位移、速度、加速度，轿门的开启关闭状态、曳引机的工作状态、负载等），设计人员可对电梯各项运动参数进行实时观测。通过PLC程序的运行及NX MCD 电梯模型的运动参数监测，可以检验电梯模型是否按照预定的PLC程序实现各项功能，以及系统在运行过程中是否存在其他错误（如刚体定义不合理、传感器参数设置不正确、运行方向错误、部件运动数据无法监测、PLC程序无法循环运行等）。将电梯系统各项功能在其软在环状态下调试完毕，即可将数据直接迁移至实物电梯系统并正常运行，有效地控制设计环节出现的偏差，提高设计效率，降低定制化开发成本。

4  现有电梯孪生技术存在的不足

4.1 电梯模型参数化设计程度有待提高

目前，电梯模型的参数化设计是将电梯系统按模块进行拆分，然后再对各模块进行参数化设计[12-13]，最后将各模块装配得到电梯整机系统。如需变更设计，需要在子模块中设置对应的参数，并通过参数传递，自动完成新模型的参数化设计，最后再将更新的子模块装配得到电梯整机系统，并未从整机设计角度实现参数化设计。各模块间参数化设计的关联性较低，在电梯整机模型装配过程中，还可能存在部件干涉的问题。

此外，现有参数化模型设计方法，并未考虑结构模型的优化设计问题。例如：在对设计轿架时，没有考虑各杆件的壁厚因素，当使用更大或更小的承载参数驱动轿架参数化模型更新得到的新模型很可能不是最优解，造成材料浪费或产生安全风险。

因此，后续电梯设计参数化设计的方向应从整机系统的参数化角度出发，结合有限元、干涉检查等技术对参数化模型进行迭代优化，在达到定制化要求的基础上，得到数字模型的最优解。

4.2 电梯参数化模型与MCD系统互交需要加强

NX MCD机电系统设计是基于电梯三维数字模型设计并运行的，当电梯设计参数数值变化较大时，电梯各模块中可能会出现零部件的增加或减少（如当轿厢深度参数变大时，轿厢底部支撑筋的数量会增加），若后续刚体、属性、运行参数、机电信号等数据不能实时更新，会造成系统运行部件干涉、运动数据错误、PLC程序运行错误等问题。同时，在MCD系统设计中，因机构运动和PLC程序运行错误而暴露的机械结构问题也无法被标记并反馈给电梯参数化模型，只能通过设计人员手动排查和修改。

5  结语

将数字孪生技术与电梯设计制造进行融合，利用虚拟模型映射实物电梯，通过软件在环虚拟调试电梯机电系统，可大幅度提高调试的精度和效率，降低企业成本。但现有调试流程还存在诸如电梯整机参数化程度不高、MCD系统与模型互交较弱等问题，后续还需深入开展电梯行业的数字孪生技术应用研究。

参考文献

[1] GRIEVES M.PLM-beyond lean manufacturing[J].Manufacturing Engineering，2003，130（3）：23-25.

[2] TUEGEL E J，INGRAFFEA A R，EASON T G，et al.Reengineering Aircraft Structural Life Prediction Using a Digital Twin[J].International Journal of Aerospace Engineering，2011，2011：1-15.

[3] 陶飞，张萌，程江峰，等.数字孪生车间：一种未来车间运行新模式[J].计算机集成制造系统，2017，23（1）：1-9.

[4] 陶飞，刘蔚然，刘检华，等.数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统，2018，24（1）：1-18.

[5] 陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统，2019，25（1）：1-18.

[6] 陶飞，马昕，胡天亮，等.数字孪生标准体系[J].计算机集成制造系统，2019，25（10）：2405-2418.

[7] 李宏宇，康献民，谢啊奋等.产品设计域数字孪生模型演化过程及方法研究[J].机床与液压，2023，51（19）：65-71.

[8] 谢啊奋，王建生，康献民等.机电产品设计阶段数字孪生模型演化方法及应用[J].机械工程师，2022（09）：60-65+68.

[9] 姜珊，王仲奇，夏松等.飞机柔性工装数字孪生几何模型构建方法[J].航空制造技术，2022，65（12）：86-91+111.

[10] 王发麟，郭耀文，龚建华等.基于数字孪生的复杂机电产品线缆装配工艺模型动态构建方法[J].计算机集成制造系统，2023，29（6）：2047-2061.

[11] 陈尧.基于数字孪生技术的定制电梯设计方法研究[D].江门：五邑大学，2023.

[12] 简显科，王亮，赵亚南等.基于VB.NET的Solidworks二次开发系列之电梯轿厢参数化设计[J].中国电梯，2020，31（15）：26-31.

[13] 林洁纯.基于SolidWorks的电梯轿顶装配参数化设计系统的开发[J].中国电梯，2018，29（19）：7-10.