基于模型定義MBD(Model Based Definition，MBD)技術是將產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產品三維模型中的先進的數字化定義方法。基于模型定義的技術自波音787飛機首次引入并向其他行業進行推廣已經日趨成熟，其效益已經被國內外知名公司和機構反復驗證。目前國外相關研究的重點是實現面向產品生命周期全過程全要素的制造信息集成共享和協同環境，最終建立基于模型的企業MBE(Model Based EntERPrise)。在此基礎上，美國開展了數字線DT(Digital Thread)技術研究，進而又提出了數字孿生DT(Digilal Twin)的概念。數字孿生概念的產生和應用是MBD技術的進一步發展，使數字化設計制造技術邁向了一個新的臺階，是實現智能制造的基礎。目前，我圍制造企業已經較好地實現了二維研制模式下的產品構型管理和控制過程，然而，隨著MBD技術的發展和深入應用，如何實現全三維模式下的產品構型管理又成為產品構型管理領域中的新議題，數字孿生相關技術的產生和應用為全三維研制模式下產品構型管理提供了一個可借鑒的技術方案。
數字線與數字孿生的概念與應用
數字線最早是由洛克希德·馬工公司提出的，他們在生產F一35中將MBD數據直接輸入計算機數控機床加工成零件。或通過編程系統完成復合材料的敷設，并將這種新的工作模式稱之為“數字線”。“數字線”為F一35的3種構型節省了6000套工裝，還省去了這些工裝的管理和與零件相互配置的時間，以及工裝的配送和向機床上裝夾所花費的時間。數字線產生的背景建立在“模型為中心”的基礎上，這里的模型是具備信息完整豐富、按照統一的開放標準建立的、規范的和語義化的數字化模型，并且可被機器(或系統)穩定無歧義地讀取。在此基礎上，數字線集成并驅動現代化的產品設計、制造和保障流程，使各環節的模型都能夠及時進行關鍵數據的雙向同步和溝通。其原理如1所示。可以看到，在設計與生產的過程中，仿真分析模型的參數傳遞給產品定義的全三維幾何模型和數字化生產線加工成真實的物理產品，然后通過在線的數字化檢測／測量系統反映到產品定義模型中，進而再反饋到仿真分析模型中，從而實現了一個數據的雙向傳遞過程。數字線的核心就是如何搭建一個涵蓋產品研制全過程的協同環境，使統一的模型在產品研制各個階段實現數據的雙向流動、重用和不斷豐富的過程。
圖1 數字線原理
數字孿生也被稱為數字鏡像、數字雙胞胎和數字化映射。數字孿生是MBD技術的深入發展和應用，其根源在于企業在實施基于模型的系統工程MBSE(Model Based System Engineering)過程中，產生了大量的基于物理的、數學的模型被忽視。由此，最早的數字孿生思想由密歇根大學的Michael Grieves命名為“信息鏡像模型”(Informarion Mirroring Model)，而后擴展為“數字孿生”的術語。2012年NASA公布的技術路線圖中給出了數字孿生的概念描述。數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程。
隨后，美國國防將數字孿生應用于航空航天飛行器的健康維護與保障中。其目的是在數字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現與飛機真實狀態完全同步，這樣每次飛行后，根據結構現有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。隨后數字孿生的概念被擴展到制造領域，美同國防采辦大學對數字孿生的定義是充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實作產品的全生命周期過程。其中實作產品(As—built Product)模型的內容可包括物理產品構型、材料微觀結構、瑕疵、制造異常等。圖2為飛機產品的數字孿生示例。
圖2 數字孿生定義示例
可以看到飛機的數字孿生模型與飛機物理產品建立了一對一的映射，不僅包括傳統的幾何模型，還包括材料屬性、生產、檢驗、力學分析、空氣動力、健康維護以及試飛等物理實現環節所反饋的一系列數據。這些數據通過數據線建立的雙向通道向研制的上游和下游不斷反饋、解析和利用從而形成可設計制造的智能閉環。也可以說數字孿生是虛擬制造和數字樣機技術的深入和拓展，從定義范同來看，其不僅僅進行了產品的數字化定義，而是擴展了包含產品研制的所有實體裝備的數字化定義；從涉及范圍來看，其向后延拓至生產研制的終端—— 實作產品的數字化定義，兩者的定義和應用目標如表1所示。
由此可以看到，數字孿生的核心問題是如何定義包含產品研制全過程的全要素產品模型，如何為研制全過程提供數據準備或者反饋，從而實現“基于模型驅動”的產品研制模式。
全三維研制模式下產品構型管理
構型管理是一種面向產品全生命周期的，以產品結構為組織方式，將各階段產品數據關聯起來并對其進行管理和控制，從而保證產品數據一致性和有效性的產品數據管理技術，有些行業也稱之為技術狀態管理和配置管理。構型管理通過5個關鍵要素，即構型管理計劃、構型標識、構型更改控制、構型紀實、構型審核和驗證，建立起一套科學的、可靠的產品質量保障體系。總地來說，實施構型管理的主要目的包括以下幾點：
(1)從宏觀上把握大型復雜產品的整體結構，建立產品整體結構，并充分利用已有的設計成果，縮短產品的設計周期；
(2)協調更改，建立產品完整的更改歷史記錄，進行有效的版本管理和控制，維護產品數據的全部有用版本，確保在各個階段能夠獲得產品的完整的技術描述；
(3)控制、檢查、調整交付狀態構型要求與真實生產后的構型偏差，確保產品的性能、功能特性和物理特性與產品的需求、設計和使用信息之間的一致性。
目前來看，大多制造企業在實施構型管理過程中，已經改變了原來基于圖紙的構型管理模式，逐步建立了基于零件或模塊的構型管理模式，即通過產品數據管理系統建立產品結構，并以之為主線建立產品各環節和各組成部分的關聯，進行產品的構型管理和控制。但在構型紀實、構型驗證和審核驗證環節中，其本質和還是沿用了傳統模式下的構型管理機制，尤其是在物理構型的審核環節，其分為功能構型審核和物理構型審核，功能構型審核是檢查構型項是否實現了需求定義的性能、功能和接口特性要求；物理構型審核是檢查物理構型項是否與圖紙或模型、技術規范、技術數據、質保數據和試驗記錄等的一致性要求。其最終目的是為了保證最終的物理產品構型與需求、設計、制造和交付整個生命周期的閉環。現有的構型管理方法往往是通過對研制過程中的文件、產品和記錄(包括構型清單、規范、二維圖樣、 維模型、操作檢驗記錄等)的逐項檢查，以及對各種程序、流程和操作系統的評估，來檢驗產品的設計是否滿足性能和功能要求，以及產品的狀態是否已被準確地記錄在文件之中 。基于這種工作模式，雖然有產品數據管理等系統的輔助，技術人員和構型審核人員也需要花費大量的時間聚焦在產品圖紙、產品模型和各種數據報表之間的比對和維護當中，效率極低且容易出錯。
隨著全三維研制模式和智能制造技術的發展和深入應用，對產品構型管理提出了更高的要求：
(1)客戶個性化需求增強，產品的設計構型多變，產品構型管理過程需要動態響應；
(2)智能化設備的大量采用，要求產品研制過程中構型數據的快速收集、提取和實時反饋；
(3)產品研制的全生命周期過程中，產品構型數據需要進行全面分析和維護。以改善設計和制造工藝過程，改善產品質量。
顯然傳統的構型管理方法已不能適應當前構型管理的高效的動態響應要求，因此需要一種高效可控的構型數據管理和控制機制，來實現產品研制全生命周期過程中產品構型數據的快速收集、提取和高效追溯。
基于數字孿生模型的產品構型管理
數字孿生通過在虛擬空間中構建真實物理世界中的產品模型，通過物理系統向賽博空間數字化模型的反饋，實現了閉環的研制過程。數字孿生的關鍵技術包括數字化定義、數據檢測與采集、大數據分析、多物理場建模等諸多技術，其中最基礎也是關鍵的是如何構建一個包含產品全生命周期全過程的全要素的產品模型，這個產品模型能夠實現與物理真實世界的一一映射。這樣包含了產品物理研制全過程全要素的產品模型，則可以在產品構型驗證和審核的過程中，建立與相關研制數據之間的關聯，省去了原來傳統構型紀實和構型驗證審核過程中人工進行模型和研制數據之間的對比工作，大大增加了審核效率和一致性判斷。同時，產品數字孿生模型中包含了產品的構型狀態數據也為構型更改控制過程中實現快速動態響應，預見產品質量和制造過程、推進設計和制造的高效協同、確保設計和制造的準確執行提供了基礎。基于產品數字孿生模型的產品構型數據定義與反饋過程如圖3所示。構型項在研制的全生命周期過程中，一般會經歷設計、工藝規劃、生產制造、檢驗檢測等全過程，相關的構型數據會在產品不斷演變和向后拓延的過程中，不斷豐富和完善，相應的產品設計和研制數據與模型特征建立關聯，從而實現模型驅動的產品研制過程。針對構型管理過程中的構型標識、構型控制、構型紀實、構型審核與驗證而言，也恰恰實現了模型驅動的產品構型數據的收集、采集和實時反饋的過程。
圖3 基于數字孿生模型的構型數據定義與反饋過程
在基于數字孿生的產品構型數據定義與反饋過程中，一個非常重要的關鍵技術就是需要實現基于語義的產品模型表達。所謂的本體是為了描述真實世界中客觀對象所隱含的語義信息而誕生的。W3C推薦采用OWL語言作為一種本體描述語言，其具有統一語法格式、明確語義。對于特定領域和應用范同，根據領域知識，利用OWL本體語言，可以定義OWL類及OWL屬性，實現領域本體構建。在基于本體的產品數字孿生模型建模過程中，可以構建以設計模型為父類、幾何特征和構型數據為子類的組織形式，其中幾何特征子類用來描述模型的實體信息和尺寸與公差信息；構型數據子類描述產品的構型技術狀態信息。圖4為包含構型數據的零件數字孿生模型的本體表達框架。
圖4 包含構型數據的數字孿生模型本體表達
幾何特征子類的本體表達抽取了5類常見特征作為研究對象，包括凸臺(Pad)、凹槽(Pocket)、旋轉體(Shaft)、加強筋(Stiffener)和也(Hole)，建立了基于草圖的特征本體分類及數據屬性。以“Hole”類為例，可將其分為簡單孔(Simple—Hole)與復雜孔(Complex—Hole)。對于“Simple—Hole”類，包括兩個屬性：
· 孔深度(has—Holedepth)：
· 孔直徑(has—Holediameter)。
對于“Complex—Hole”，以沉頭孔(Counterbored—Hole)為例，包括4個屬性：
· 沉頭直徑(has—Boreddiameter)
· 沉頭深度(has—Boreddepth)
· 孔直徑(has—Holediametet)
· 孔深度(has—Holedepth)
構型數據子類包括設計數據(Design—Data)、制造數據(Manufacture—Data)和檢測數據(Inspection—Data)。以“Inspection—Data” 的檢測反饋(Inspection—Spaceholder)子類為例,可包括3個屬性：
· 內容(has—Content)
· 鏈接(has—URL)
· 對象關聯(has—reliance)
其中內容(has—Content)屬性用來描述檢測反饋的數據，鏈接(has—URL)用來描述檢測用到的外部鏈接；對象關聯(has—reliance)屬性用來描述特征與構型反饋數據之間的關聯關系。由此，構建的基于本體的產品數字孿生模型可以與相應的構型數據關聯在一起，實際的物理產品研制過程中的相關技術狀態數據也可以與之建立關聯關系，從而可以基于產品數字孿生模型實現構型數據的紀實，進而實現全三維研制模式下模型驅動的構型數據快速追溯和快速響應。
結束語
全三維研制模式下對產品的構型管理提出了更高的要求和挑戰。產品數字孿生模型能持續積累產品設計、制造和檢驗全生命周期過程的相關數據和知識。并可以不斷地實現重用和改進，其通過動態感知、存儲和呈現產品全生命周期的構型信息，從而可以實現產品構型數據的管理、追蹤和一致性維護，實現產品構型在全生命周期過程中的可視化和透明化。本文目前僅探索了一種包含產品構型信息的產品數字孿生模型的構建框架和基于本體的表達方式，以期為全三維研制模式下的產品構型管理提供一個可行的技術解決方案。隨著研究的逐步深入，基于產品數字孿生模型的構型管理方法不僅可以高效實時地記錄和反映產品的構型狀態，而且可以基于反饋同的產品構型數據進行大數據統計和分析，從而改進產品研制流程，提高產品設計質量。
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本文標題：數字孿生模型在產品構型管理中應用探討
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