工程裝備、制造裝備、醫(yī)療裝備等各類裝備是加快國家基礎(chǔ)建設(shè)、提升國家經(jīng)濟實力和保障醫(yī)療健康的重要基礎(chǔ)。在新環(huán)境、新趨勢、新背景下，如何充分融合新一代信息技術(shù)助力裝備數(shù)智化升級，實現(xiàn)裝備軟硬系統(tǒng)的自主可控，是實現(xiàn)裝備高質(zhì)量發(fā)展、推動數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟融合發(fā)展的關(guān)鍵。本文基于作者團隊前期提出的數(shù)字孿生五維模型理論基礎(chǔ)，探討了數(shù)字孿生裝備的概念和組成，分析了數(shù)字孿生裝備理想特征能力和關(guān)鍵技術(shù)，提出了數(shù)字孿生裝備三階段發(fā)展路徑，并在紡織車間物流裝備和復材加工車間熱壓罐裝備上對相關(guān)理論開展了相關(guān)實踐。

（1）疫情/后疫情時代凸顯裝備遠程/自治運行重要性

（2）經(jīng)濟全球化迫使裝備進一步高質(zhì)量發(fā)展

（3）碳達峰/碳中和要求裝備綠色低碳環(huán)境友好

（4）從裝備大國到裝備強國需要突破裝備自主研制技術(shù)瓶頸

（5）新一代信息技術(shù)日漸成熟，數(shù)字經(jīng)濟亟需數(shù)字化裝備大力支持

綜上所述，我國亟需實現(xiàn)現(xiàn)有各類裝備的數(shù)字化賦能、網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)、智能化升級，以及裝備軟硬系統(tǒng)的自主可控，并貫徹綠色低碳可持續(xù)發(fā)展理念，創(chuàng)新裝備全生命周期各階段運作模式，鑄造大國重器，建設(shè)裝備強國。

      裝備全生命周期可劃分為設(shè)計與驗證、制造與測試、交付與培訓、運維與管控、報廢與回收五大階段。為應(yīng)對裝備發(fā)展新環(huán)境、新趨勢和新挑戰(zhàn)，未來裝備在全生命周期各階段存在以下具體新需求，如表1所示。

表1 未來裝備全生命周期新需求

本文基于作者團隊前期提出的數(shù)字孿生五維模型理論基礎(chǔ)，對數(shù)字孿生裝備概念進行探討，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生裝備組成

數(shù)字孿生裝備是一種由物理裝備、數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)、軟件服務(wù)以及連接交互五個部分構(gòu)成的未來智能裝備；數(shù)字孿生裝備通過融合應(yīng)用新一代信息技術(shù)，促進裝備全生命周期各階段（設(shè)計與驗證、制造與測試、交付與培訓、運維與管控和報廢與回收）數(shù)智化升級，使裝備具備自感知、自認知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自優(yōu)化等智能特征；基于裝備數(shù)字孿生模型、孿生數(shù)據(jù)和軟件服務(wù)等，并通過數(shù)模聯(lián)動、虛實映射和一致性交互等機制，實現(xiàn)裝備一體化多學科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計、智能制造與數(shù)字化交付、智能運維等，達到拓展裝備功能、增強裝備性能、提升裝備價值的目的。

（1）物理裝備：裝備物理實體

物理裝備是與物理空間的各要素直接發(fā)生作用關(guān)系的裝備實體部分，由動力、傳動、控制和執(zhí)行等部分組成，負責執(zhí)行控制指令，并提供實際功能，通過結(jié)合傳感器系統(tǒng)，物理裝備還可以實現(xiàn)對環(huán)境的感知。

（2）數(shù)字裝備：裝備數(shù)字孿生模型

由于物理裝備受到時間、空間、執(zhí)行成本等多方面的約束，僅憑借物理手段實現(xiàn)裝備的可視化監(jiān)測、歷史狀態(tài)回溯、運行過程預(yù)演、未來結(jié)果預(yù)測和智能運維等功能難度較大。因此，需要通過構(gòu)建裝備的數(shù)字孿生模型，在信息空間中賦予物理裝備設(shè)計、制造及運維等過程看得見、運行機理看得清、行為能力看得全、運行規(guī)律看得透的新能力，如圖2所示。

圖2 裝備數(shù)字孿生模型

（3）孿生數(shù)據(jù)：裝備數(shù)字孿生數(shù)據(jù)

物理裝備的設(shè)計、制造、測試和運維等過程離不開數(shù)據(jù)的深度參與，數(shù)字裝備仿真運行并實現(xiàn)裝備可視化監(jiān)測、歷史狀態(tài)回溯、運行過程預(yù)演、故障診斷等功能同樣需要數(shù)據(jù)驅(qū)動。因此，需要將蘊含裝備全生命周期、全流程、全業(yè)務(wù)有效信息的各類數(shù)據(jù)進行匯聚與融合，形成裝備孿生數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)與數(shù)字裝備交互聯(lián)動，相輔相成，共同支持數(shù)字孿生裝備的各種功能和服務(wù)，如圖3所示。

圖3 裝備數(shù)字孿生模型與數(shù)據(jù)融合映射

（4）軟件服務(wù)：裝備軟件與服務(wù)系統(tǒng)

物理裝備、數(shù)字裝備和孿生數(shù)據(jù)作為數(shù)字孿生裝備必不可少的三個部分，分別賦予裝備不同方面的能力，但這三個部分并不是一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)，既難以對其進行高效管理與組織，也無法有效與人交互，為人服務(wù)。因此，數(shù)字孿生裝備需要第四個部分，即軟件服務(wù)。軟件服務(wù)封裝并整合物理裝備、數(shù)字裝備和孿生數(shù)據(jù)的各種功能，面向不同的業(yè)務(wù)需求，提供具有可請求、可調(diào)用、可匹配、可重構(gòu)、可復用的裝備服務(wù)，實現(xiàn)裝備關(guān)系多樣化和組織柔性化，從而提供端到端的優(yōu)質(zhì)體驗和可重構(gòu)差異化服務(wù)，并支持人機交互和平臺化集成，使數(shù)字孿生裝備具備運維高效性、用戶友好性、調(diào)度靈活性和決策智能性，如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生裝備軟件服務(wù)

（5）連接交互：支撐裝備內(nèi)部、人機與多機的協(xié)作交互

連接交互由網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、通信協(xié)議、輸入輸出設(shè)備及相關(guān)技術(shù)等組成，作為物理裝備、數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)和軟件服務(wù)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椋约芭c人和其它裝備協(xié)作與交互的橋梁，為實現(xiàn)數(shù)字孿生裝備時效服務(wù)、物理裝備遠程管控、人機和多機高效協(xié)作等提供支持，如圖5所示。

圖5 數(shù)字孿生裝備連接交互

基于物理裝備、數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)、軟件服務(wù)和連接交互，數(shù)字孿生裝備具備自感知、自認知、自學習、自決策、自執(zhí)行和自優(yōu)化六個理想特征，如圖6所示。

圖6 數(shù)字孿生裝備理想特征

基于物理裝備、數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)、軟件服務(wù)和連接交互，數(shù)字孿生裝備具備五個理想能力：①物理裝備數(shù)字化表達能力、②數(shù)據(jù)融合與可視化呈現(xiàn)能力、③遠程管控與多要素協(xié)同能力、④動態(tài)需求快速響應(yīng)能力、⑤自適應(yīng)-自學習-自優(yōu)化能力，如圖7所示。

圖7 數(shù)字孿生裝備理想能力

為實現(xiàn)上述數(shù)字孿生裝備理想特征與能力，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)特點，從數(shù)字裝備、孿生數(shù)據(jù)、連接交互、軟件服務(wù)以及模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動五個角度分析數(shù)字孿生裝備所需的關(guān)鍵技術(shù)，如圖8所示。數(shù)字孿生裝備關(guān)鍵技術(shù)主要分為五大類：①物理裝備數(shù)字化表達相關(guān)技術(shù)；②數(shù)據(jù)融合與可視化相關(guān)技術(shù)；③遠程管控與多要素協(xié)同相關(guān)技術(shù)；④動態(tài)需求快速響應(yīng)相關(guān)技術(shù)；⑤自適應(yīng)-自學習-自優(yōu)化相關(guān)技術(shù)。

圖8 數(shù)字孿生裝備關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)數(shù)字孿生裝備不是一蹴而就的，立足當前行業(yè)現(xiàn)狀，并結(jié)合實現(xiàn)數(shù)字孿生裝備發(fā)展的具體需求，提出數(shù)字孿生裝備發(fā)展的三個主要階段，如圖9所示。

圖9 數(shù)字孿生裝備發(fā)展階段

（1）初級階段：數(shù)字化設(shè)計研制，實現(xiàn)數(shù)字化交付

裝備數(shù)字化交付是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級的基礎(chǔ)，也是推動各行業(yè)數(shù)字孿生裝備發(fā)展的必要條件。因此，為盡快實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)裝備達到數(shù)字化交付要求的階段性目標，需全面升級裝備研發(fā)模式，大力推行并堅持貫徹裝備數(shù)字化設(shè)計與研制。

（2）中級階段：數(shù)據(jù)/模型/知識積累，形成裝備數(shù)據(jù)資產(chǎn)

為積累足夠的裝備數(shù)據(jù)、模型和知識，實現(xiàn)數(shù)字孿生裝備智能服務(wù)，需要各行業(yè)：①充分認知數(shù)據(jù)資產(chǎn)對于裝備智能的重要性，提高裝備數(shù)據(jù)資產(chǎn)積累意識；②為相關(guān)裝備建立統(tǒng)一、開源、規(guī)范的裝備模型庫、數(shù)據(jù)庫、知識庫，實現(xiàn)裝備全生命周期數(shù)據(jù)資產(chǎn)的匯聚與管理；③建立通用算法庫，為裝備模型的管理和評估、裝備數(shù)據(jù)的預(yù)處理和融合以及裝備知識的挖掘和表示提供支持。

（3）高級階段：數(shù)智增值增效，實現(xiàn)裝備智能服務(wù)

數(shù)字孿生裝備發(fā)展高級階段的主要內(nèi)容是通過挖掘裝備數(shù)據(jù)資產(chǎn)隱藏價值，賦予數(shù)字孿生裝備涵蓋預(yù)見性、靈活性和自適應(yīng)性等諸多特性的自主智能，并基于云、霧、邊、端架構(gòu)發(fā)展數(shù)字孿生裝備平臺化、分布式、服務(wù)化運營新模式，面向不同的用戶提供端到端的優(yōu)質(zhì)體驗和可重構(gòu)差異化智能服務(wù)。

（1）復材加工車間數(shù)字孿生熱壓罐

航空復合材料對質(zhì)量要求極高，因此對生產(chǎn)工藝要求極高。熱壓罐作為航空復合材料制件的主要生產(chǎn)設(shè)備，為先進復合材料固化提供高溫高壓環(huán)境。熱壓罐的穩(wěn)定運行、精準控制對航空復合材料的生產(chǎn)至關(guān)重要。目前針對熱壓罐的運維大多采用的是定期檢修、事后維修的方式，即便采用故障診斷與預(yù)測的方式，也常常因為缺乏有效歷史故障數(shù)據(jù)，導致故障診斷與預(yù)測精度低的問題。針對該問題，作者團隊研究建立了一套數(shù)字孿生熱壓罐健康管控系統(tǒng)，分別從數(shù)字熱壓罐構(gòu)建、孿生數(shù)據(jù)生成、孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動的熱壓罐故障診斷與預(yù)測，以及復材加工車間數(shù)字孿生熱壓罐健康管控系統(tǒng)開發(fā)等方面進行了研究，如圖10所示。

圖10 復材加工車間數(shù)字孿生熱壓罐及其健康管控系統(tǒng)

（2）紡織車間數(shù)字孿生物流裝備

紡織車間中存在大量裝備，占地面積大、工序多、轉(zhuǎn)運流程多。車間物流裝備的自動化、數(shù)字化、智能化是實現(xiàn)紡織業(yè)由勞動密集型向自動化無（少）人化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。當前普遍存在以下不足：①裝備運行監(jiān)控二維平面化，缺乏所見即所得的監(jiān)控手段；②裝備之間的協(xié)作易失敗；③裝備遠程運維難實現(xiàn)；④裝備故障多，且難以提前預(yù)測并及時處置；⑤物流作業(yè)策略缺乏自適應(yīng)調(diào)度。針對上述不足，作者團隊建立了紡織車間數(shù)字孿生物流裝備運維管控系統(tǒng)，分別從紡織車間物流裝備數(shù)字孿生模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集與虛實交互、虛擬運行與調(diào)試、遠程運維、故障診斷與預(yù)測等方面進行了相關(guān)研究，如圖11所示。

圖11 紡織車間數(shù)字孿生物流裝備及管控系統(tǒng)

除所列作者外，北航數(shù)字孿生研究組其他成員也參與了本文的討論，在此一并表示感謝。感謝董景辰、張相木、汪宏、葉猛、黃祖廣、陳虎等專家對本文相關(guān)內(nèi)容的討論和指導。感謝劉強、寧振波、趙敏、朱鐸先和林雪萍等專家對本文數(shù)字孿生裝備軟件服務(wù)分類組成圖（圖4）的指導。

本文相關(guān)內(nèi)容先后在2021年中國紡織機械行業(yè)科技大會（2021年9月14日，杭州）、2021年第九屆航天技術(shù)創(chuàng)新國際會議（2021年10月14日，杭州）、2021年全國先進生產(chǎn)系統(tǒng)理論與應(yīng)用研討會（2021年11月6日，西安）、2021年第一屆中國國際透平機械產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟前沿科技大會（2021年10月26日，沈陽）、2021年第17屆中國CAE年會仿真與數(shù)字孿生技術(shù)論壇（2021年11月14日，海口）、2021年第七屆中國虛擬現(xiàn)實產(chǎn)學研大會（2021年12月5日，北京）等會議上進行了匯報和交流。在此感謝為相關(guān)研究工作提出寶貴建議的國內(nèi)外學者與工業(yè)界同行。

文章來源：工信頭條