數(shù)字孿生的概念我們可以知道,這是一項(xiàng)充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)等,集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程的技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)的組成和相對(duì)關(guān)系如圖1所示。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用面非常廣泛,可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用。特別是在工程建設(shè)領(lǐng)域也有非常多的應(yīng)用實(shí)例。在汽車(chē)制造業(yè)來(lái)看,如果把汽車(chē)工廠作為產(chǎn)品,也就是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用對(duì)象來(lái)看待,我們就可以將工廠中的土建、公用、工藝等設(shè)施按照產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行管理。根據(jù)多物理因素和多維度數(shù)字模型,運(yùn)用數(shù)值分析技術(shù)可以開(kāi)展建筑物理性能分析和結(jié)構(gòu)健康管理。對(duì)于汽車(chē)工廠的技術(shù)改造,可利用數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字空間和物理空間信息的雙向共享交互和全面追溯,進(jìn)行方案比對(duì),參數(shù)優(yōu)化和可實(shí)施性驗(yàn)證等。

圖1?數(shù)字孿生技術(shù)

為了準(zhǔn)確表示汽車(chē)工廠的幾何特征,需要?jiǎng)?chuàng)建高精度建筑工程和工藝裝備的數(shù)字模型;為了顯現(xiàn)汽車(chē)工廠的物理特性,需要?jiǎng)?chuàng)建可視化車(chē)間建筑物理性能數(shù)字模型;對(duì)于技術(shù)改造工程為了取得最佳的技術(shù)方案,在已有數(shù)字模型基礎(chǔ)上,可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行方案優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化。

汽車(chē)工廠的主要建筑功能如圖2所示。

圖2 汽車(chē)工廠建筑功能示意

1 工程概況

某汽車(chē)廠總裝及車(chē)身車(chē)間于2009年設(shè)計(jì),2011年左右建成試運(yùn)營(yíng)。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。抗震設(shè)防分類(lèi)為丙類(lèi),設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。框架抗震等級(jí)為三級(jí)。采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。屋面網(wǎng)架按照結(jié)構(gòu)縫分為四個(gè)區(qū)域。總建筑面積79237.29m2,車(chē)間建筑面積68413.9m2,車(chē)間建筑高度14.19m。主廠房結(jié)構(gòu)形式為混凝土柱鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu),桿件強(qiáng)度等級(jí)Q235,螺栓球?yàn)?5號(hào)鋼,混凝土柱強(qiáng)度等級(jí)C30。車(chē)間內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 總裝車(chē)間內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)汽車(chē)產(chǎn)品更新?lián)Q代的需要,車(chē)間里的裝配生產(chǎn)線以及工藝布置也要改變。新設(shè)計(jì)的裝配工藝設(shè)備在車(chē)間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上的吊點(diǎn)位置和工藝荷載不同,這就要求工藝設(shè)計(jì)人員掌握原結(jié)構(gòu)的幾何特征和物理特征等的相關(guān)參數(shù)。幾何特征是指建筑的空間尺寸、柱網(wǎng)尺寸、構(gòu)件形狀、節(jié)點(diǎn)位置等。物理特征是指結(jié)構(gòu)的承載能力、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、剛度和變形等。本文針對(duì)此改造工程的技術(shù)要求,深入探索一下數(shù)字孿生的應(yīng)用效果。2 數(shù)字建模在工業(yè)建筑中通常包括兩部分內(nèi)容:1)工藝裝備。2)土建公用。通過(guò)數(shù)字建模可以有效的將土建條件和工藝要求結(jié)合起來(lái)。對(duì)于汽車(chē)工廠的數(shù)字建模,可采用兩種方法:1)正向建模:根據(jù)設(shè)計(jì)的施工圖或三維設(shè)計(jì)文件生成數(shù)字模型。2)逆向建模:根據(jù)廠房實(shí)際狀況,現(xiàn)場(chǎng)掃描,經(jīng)過(guò)翻模處理構(gòu)成數(shù)字模型。其建模過(guò)程如圖4所示。

圖 4 建模流程示意

就理論上的說(shuō)法:數(shù)字孿生技術(shù)是指將物理世界的物體,通過(guò)數(shù)字化的手段來(lái)構(gòu)建一個(gè)一模一樣的數(shù)字世界的數(shù)字模型。而對(duì)于建筑工程,數(shù)字模型無(wú)法達(dá)到與物理世界完全相同。在工程應(yīng)用中,也沒(méi)有必要做到毫厘不差,否則會(huì)無(wú)法實(shí)現(xiàn),同時(shí)也會(huì)成本太高。通常情況,只要誤差在合理范圍就可以接受。因此,數(shù)字模型的精度也是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。工程建設(shè)不同階段的精度控制示意如圖5所示。

圖 5 工程建設(shè)

不同階段的精度控制采用數(shù)字?jǐn)M合方法可以提高模型精度,減少誤差。例如一次線性函數(shù)來(lái)回歸擬合的計(jì)算公式為:其中:

圖 6 擬合結(jié)果

3 控制目標(biāo)按照不同的應(yīng)用場(chǎng)景中體現(xiàn)出來(lái)的效果,數(shù)字孿生會(huì)有一定的差異,對(duì)于不同層次的要求,數(shù)字孿生把相應(yīng)的精度標(biāo)準(zhǔn)作為各自的控制目標(biāo)。數(shù)字孿生化水平可以分為如下五個(gè)等級(jí):1)數(shù)字孿生體工程以建立幾何模型為基礎(chǔ),它是任何物理世界設(shè)備或產(chǎn)品的第一個(gè)特征。2)數(shù)據(jù)描述是以傳統(tǒng)的仿真分析為手段,使數(shù)字空間與物理世界的設(shè)備或產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生化后的模型更有價(jià)值,通常需要對(duì)它的材料和物理特征進(jìn)行描述,以便數(shù)字線程傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí),可以有更豐富的信息。3)數(shù)據(jù)融合是指一些靜態(tài)的多尺度場(chǎng)景的數(shù)據(jù)融合,本例中表現(xiàn)為工藝裝備與建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型的融合。4)動(dòng)態(tài)孿生是指分析對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征分析,可以用于建造和運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。5)自動(dòng)孿生是指各種環(huán)境變化需要,可自行進(jìn)行第1級(jí)到第4級(jí)的過(guò)程。在改造過(guò)程中首先根據(jù)建筑工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)(表1)作為控制精度的要求對(duì)既有建筑的幾何特征進(jìn)行測(cè)量。正向建模可以直接利用施工圖設(shè)計(jì)資料來(lái)實(shí)現(xiàn)。逆向建模可采用三維激光掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪。

表 1 建筑工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

作為建筑結(jié)構(gòu)物理特征之一的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)應(yīng)符合相關(guān)容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)不同性能條件,如安全性、適用性、耐久性、舒適性等可以找到相應(yīng)的容許振動(dòng)限制要求,見(jiàn)表2所示。

表 2 結(jié)構(gòu)容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

4 方案比較

針對(duì)具體工程項(xiàng)目的建模分析,工程實(shí)物的物理世界如圖7所示。運(yùn)用BIM三維建模可以得到車(chē)間建筑整體模型,如圖8所示。根據(jù)模型可以漫游內(nèi)部各個(gè)區(qū)域，圖9為該建筑內(nèi)部局部的效果。可以看到工藝輸送設(shè)備經(jīng)過(guò)辦公展示區(qū)的效果,將生產(chǎn)、展示與辦公環(huán)境巧妙地融為一體。

圖 7 車(chē)間照片

圖 8 三維建模

圖 9 模型內(nèi)部

總裝工藝設(shè)備包括懸掛輸送機(jī)等。不同區(qū)域?qū)斔蜋C(jī)的性能有不同的要求。綜合技術(shù)性能指標(biāo)的要求,選定兩種輸送機(jī):1)在生產(chǎn)車(chē)間部分采用無(wú)撬鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī),其特點(diǎn)為:車(chē)身通過(guò)橫桿作為載體輸送,取代傳統(tǒng)意義上的撬體。鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)速度為24~36m/min;設(shè)備承載為1t。能適應(yīng)多變的工藝要求,工件節(jié)距可任意調(diào)節(jié),節(jié)省存放空間。2)在辦公區(qū)展示區(qū)采用靜音皮帶輸送機(jī),其特點(diǎn)為:采用皮帶輸送機(jī)替代鏈條輸送,運(yùn)行噪聲可控制在60dB以?xún)?nèi)。皮帶輸送機(jī)速度為12m/min;設(shè)備承載為1t。采用Movigear無(wú)風(fēng)扇電機(jī),減小減速傳動(dòng)比,降低電機(jī)本體噪聲。5 可視化結(jié)果可視化是三維數(shù)字孿生技術(shù)中非常重要的內(nèi)容。隨著發(fā)展領(lǐng)域的增加,他的表現(xiàn)內(nèi)容也在不斷變化,不斷增加。三維數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析三維可視化展示在工程中也發(fā)揮很大的作用。可視化技術(shù)不但可以展示三維幾何模型和外觀效果,更重要的是可以顯現(xiàn)人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界無(wú)法看到的物理現(xiàn)象和內(nèi)在特征,例如結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài),溫度場(chǎng)變化,氣流場(chǎng)分布等。并且還可以通過(guò)用戶(hù)交互調(diào)整參數(shù),修改其物理特征,也就是優(yōu)化物理模型,優(yōu)化操作行為和優(yōu)化運(yùn)行效果等。

圖 10 輸送設(shè)備

懸掛結(jié)構(gòu)模態(tài)以總裝車(chē)間輸送機(jī)懸掛結(jié)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析和優(yōu)化為例(圖10),運(yùn)行振型疊加法分析可以得到結(jié)構(gòu)的某階振型狀態(tài),彩色云圖和相對(duì)變形就可以清晰的顯現(xiàn)分析結(jié)果,乃至可以在顯示器上顯現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果。通過(guò)歸一化處理,可以得到結(jié)構(gòu)最優(yōu)的結(jié)果(圖11)。

圖 11 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

6 結(jié)論

圖 12?數(shù)字孿生技術(shù)示意

近年來(lái),數(shù)字孿生發(fā)展較為迅速,正在逐漸走向成熟,有可能成為主流技術(shù)。特別是在物流和供應(yīng)鏈領(lǐng)域應(yīng)用較廣。在建筑工程方面,受到控制精度差、空間尺度大、產(chǎn)品批量少和建設(shè)周期長(zhǎng)等因素的制約,該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用尚需探索。然而,數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的是建立現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的相互映射、實(shí)時(shí)交互,該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)不斷嵌入人們的工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活中,利用虛擬世界的分析優(yōu)化,幫助我們實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的精準(zhǔn)管控,降低成本,提升效率的目的。本文以汽車(chē)制造廠為例,在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用方面進(jìn)行了一些有益的探索,由此建立的數(shù)字孿生技術(shù)的示意框圖(圖12),可供相關(guān)技術(shù)人員參考。