基于数字孪生的产品设计与制造融合信息建模方法研究

At present, product design and manufacturing undergoes disjointed problems that cause the reuse capacity of the design result is very low, and the manufacturing information is difficult to support design optimization, which finally lead to the failure of the virtual to real mapping and cyclic iteration of product design and manufacturing. Digital Twin (DT) theory is treated as an effective approach for the fusion of product design and manufacturing. Embarking on the semantic translation and data reuse of the product design digital twin model, and the dynamic link between it and manufacturing data in physical space, this project will firstly analyze the complex process of product design and manufacturing fusion, reveal the multiple states and nonlinear relationships between the information from the fusion process. Secondly, the project will research on the unified information modeling method of product design and manufacturing fusion based on DT, and the corresponding semantic information modeling approach. Thirdly, the project will work on the data reuse method of the product design digital twin, and the standardized interaction mechanism of distributed shared data model, according to which the dynamic link between the product design digital twin and manufacturing data will be established. Research results of the project will therefore promote the virtual to real mapping, cyclic iteration and closely integration between the product design and manufacturing.

当前，产品设计与制造之间存在脱节，一方面造成设计信息可重用性低，另一反面造成制造信息不能有效支撑产品的优化设计，最终导致无法实现产品设计与制造的虚实映射和循环迭代。数字孪生（DT，Digital Twin）理论的出现为产品设计与制造的深入融合提供了一种有效途径。本项目将从产品设计数字孪生模型的语义翻译和数据重用方法，以及物理空间制造数据与产品设计孪生数据的动态连接机理出发，首先深入分析基于DT的设计与制造融合复杂过程，揭示融合过程中异构信息的多状态非线性关系；然后，建立基于DT的产品设计与制造融合统一信息模型、面向制造的产品设计数字孪生语义模型；最后，提出语义模型驱动的产品设计孪生数据重用策略与方法、标准化的分布式共享数据模型交互机制，实现产品设计孪生数据与实际制造数据的动态连接。本项目的理论与技术能有效支撑产品设计与制造的虚实映射、循环迭代和集成设计。

针对复杂产品设计与制造过程中的设计信息可重用性低，制造信息不能有效支撑产品的优化设计，最终导致无法实现产品设计与制造的虚实映射和循环迭代的问题，项目开展了基于数字孪生（Digital Twin，DT）的产品设计与制造融合信息建模方法研究。揭示了其固有特征，研究了产品设计数字孪生的统一信息建模方法、可读的产品设计数字孪生本体建模方法、语义模型驱动的本体结盟重用方法等。在此基础上，本项目构建了基于本体的公理化系统设计模型，以及本体驱动的复杂产品系统设计重用框架，提出了基于知识的复杂产品系统设计数字孪生体，提出了基于数字孪生的产品设计过程和工作量预测方法，并定义了工业数字孪生系统的概念、系统结构和运行模式，具有理论指导意义。本项目以汽车焊接生产线为例进行了应用验证，在设计制造一体化、系统设计信息统一建模等方面有潜在应用前景与价值。.通过本项目的研究，在《Robotics and Computer Integrated Manufacturing》、《机械工程学报》等领域重要期刊上发表论文8篇，其中SCI/EI论文7篇， 1篇论文获得河南省2022 年度科技成果奖一等奖、3篇论文入选中国知网学术精要高被引论文；授权发明专利5件，其中美国发明专利1件；授权软件著作权1件；出版专著《智能产品服务系统模块化设计方法》；开发基于数字孪生的白车身焊接生产线原型系统1套；获得2019年河南省科技进步一等奖1项（第七）、2020年机械工业科学技术奖一等奖1项（第八）；培养青年教师2名，培养在读研究生4人；第一指导教师指导学生获得科技竞赛全国总决赛奖项3项；兼任中国图学学会第八届数字孪生专业委员会委员。