复杂产品数字孪生的多维信息统一融合设计研究

闫雪锋，赵楠

天津职业技术师范大学机械工程学院，天津300222

基金项目：天津市教委科研计划资助项目（2017KJ105，JWK1718）；天津职业技术师范大学科研启动资助项目（KYQD1623，KJY12-13）

作者简介：闫雪锋（1980—），男，讲师，博士，主要研究方向为数字孪生、故障诊断和智能计算， yxf_journal@tute.edu.cn.

摘要：为了有效支持复杂产品设计开发，基于元模型建模理论和MBD方法，分析复杂机电产品数字孪生体全生命周期各阶段多维信息关联机制，构建复杂产品数字孪生体全生命周期的信息模型。最后以某车辆液力变矩器的数字孪生体的信息模型构建为例，展示了复杂产品的多维信息统一融合设计的过程。

关键词：数字孪生；多维信息；元模型；统一融合；基于模型的定义

中图分类号：TP391.9   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)03-0092-06

复杂产品是具有高效率、高精度、极限功能且结构复杂的一类产品，如汽车、飞机、高端机床和武器装备等［1］。复杂产品的设计开发已从基于文本信息的离散化、阶段性、协同优化模式发展到虚实信息同步融合“所看即所得”的形式。传统的产品物理与信息系统分离设计，侧重产品信息表达的数字样机（digital muck-up, DMU），无法精确地描述真实物理产品，难以在产品全生命周期（product life management, PLM）不同阶段、不同层次以及不同学科进行多粒度协同数据交换和信息共享，不能实现虚拟空间与物理空间的交互融合有效地设计与开发工程产品。为此，国内外研究人员借鉴数字孪生（digital twin, DT）技术对物理实体的特征、行为、功能、形成过程以及性能等数字化描述、建模过程和建模方法进行了深入研究［1］，弥补了传统方法的不足。庄存波等［2］基于数字孪生体的产生背景，提出了DT的概念和体系结构，从理论上给出了数字孪生体在产品设计、制造以及服务等阶段的实现途径，但没有给出具体的工程应用。陶飞等［3］从多物理、多尺度、多学科属性角度，定义了数字孪生的五维结构模型，提出数字孪生驱动的应用准则以及实施过程的关键技术，但产品设计开发中不同学科、不同阶段的多维信息在PLM的信息融合仍需要人工完成。张鹏等［4］基于已有研究成果，引入DT技术和发明问题解决（TRIZ）理论，分析复杂机电系统动态参数及其物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能，提取设计过程中的设计参数和失效参数并融合数字孪生模型与TRIZ理论，支持复杂机电系统PLM信息交互。于勇等［5］针对产品工艺设计中各种活动的优化决策问题，提出数字孪生环境下计算机辅助工艺设计（computer aided process planning, CAPP）的体系框架，并研究实时工艺决策和工艺知识挖掘的技术路线，但只分析了产品工艺信息在数字孪生中的应用，难以实现PLM多维信息的融合设计。

尽管上述方法为基于DT的产品设计做了有益探索，但物理模型（physical model, PM）和数字模型（digital model, DM）之间的信息融通仍存在以下不足：1）产品PM与DM的数据交换和信息传递以及共享中，产品PLM不同学科、不同阶段的多维异构信息无法在系统层普适性表达，数字孪生体的可扩展性较差；2）数字孪生PLM的物理域和信息域之间数据交互缺乏联动机制，不能满足复杂产品DT多维信息快速驱动的需求。

本文融合DT理论、元模型理论、面向对象技术及基于模型设计（model based design, MBD）方法，并基于STEP标准和元对象机制（meta-model facility, MOF）建立模型转换机制，搭建基于元模型实现架构与EXPRESS描述机制的MBD模型，利用Pycharm开发环境，搭建复杂产品数字孪生（digital twin of complex product, DTCP）多维信息统一融合设计平台。最后实现了某车辆液力变矩器的DT多维信息统一融合设计及应用