 2.2 面向对象编程与面向孪生制造 面向对象是一个成功的概念，对应的方法包括继承、重载和多态。其中，继承解决了is-a的耦合关系，重载提供了函数参数决定行为的运行模式，多态使得统一的接口可以绑定不同的行为。这三种方法提供了对同一族类进行批处理的可能，提升了大型程序的开发效率，这对面向过程语言来说是维度性的提高。其中，C++的多态是通过虚函数来实现的，而虚函数是通过函数指针的功能完成的。函数和虚函数非常像，但是体现的思想截然相反。数字孪生与仿真也存在类似的比较问题，他们很像，但体现的思想却截然不同。事实上，函数和虚函数体现的思想与仿真和数字孪生体现的思想是可以参照对应的。函数与仿真类似，体现的是静态绑定的思想；虚函数与数字孪生类似，体现的是动态绑定的思想。以下给出编程语言中，静态与动态绑定的定义与对比： 1）静态绑定：函数的行为在编译时决定，而且在运行时不能变； 2）动态绑定：函数的行为在运行时决定，而且在运行时可以变。 套用类似的思想，传统仿真可以理解是静态绑定的：仿真的行为在仿真阶段确定，数字孪生是动态绑定的：仿真的行为在执行阶段确定。就如同虚函数本质还是函数（通过函数指针来实现）一样，数字孪生的本质还是仿真，只不过是动态绑定的仿真。这就可以解释，为何数字孪生与仿真如此相像，却又存在相互对立的关系的原因。动态绑定是面向对象的前提，没有动态绑定就无法实现多态，也就是无法实现面向对象；因此，动态绑定意义重大。而面向对象对比于面向过程的高维优势是显而易见，这就可以满足一个经典概念的三条特性。以下给出制造仿真的静态绑定与动态绑定的定义： 1）静态绑定：仿真的行为在制造前决定，而且在制造时不会变； 2）动态绑定：仿真的行为在制造时决定，而且在制造时可以变。 根据数字孪生是动态绑定的仿真这一定义，继续分析与拓展。 首先，由于需要实现动态绑定，就必须与物理端通过一定的频率进行数据同步。数据同步可以通过连接来实现，但是不一定必须通过连接完成。例如，在数据采样频率要求比较低的装配场景，人工输入误差数据完全可以满足操作要求，温度可以通过连接采集，同样也可以通过红外视觉采集，形式并不重要，关键是数据的实时获取。从数据到仿真模型的传输过程中，还需要关注一个重要的问题：数据如何转换为信息，因为只有有效的信息对仿真模型才有意义，具体结合业务的信息才是有作用的。 其次，数字孪生需要建模与仿真技术作为支撑。这就如同虚函数需要函数作为支撑一样，脱离仿真技术谈数字孪生是无意义的，也只能形成虚的概念，或者与已有技术趋同，或者毫无实际用处。在讨论仿真技术时，需要注意，不同领域的建模与仿真技术有很大区别的。只有深入理解了不同仿真技术的基本思路与优缺点，才能确定需要动态绑定的数据与信息，实现解决具体业务问题的升维方法。例如，机器人的模型重在运动学与动力学，而制造模型重在几何与工艺的表达，差异性很大，不能单以建模进行简单统称；运动规划的仿真重在实时性，而有限元仿真重在计算精度，不能用仿真一言以蔽之。 再次，数字孪生的动态绑定的最终目标是为了实现多态式的仿真。多态可以统一控制接口，以及自适应决定仿真与决策的行为，从而为顶层系统提供批处理的可能。在产品的加工阶段，多态仿真可以单个加工工件与加工设备进行个性化的仿真分析，从而采集大量的有用信息并进行统计分析；在产品的装配阶段，多态仿真可以记录单个产品在整体装配流程中产生的大量误差数据，形成个性化的装配产品样机，为数据分析、质量回溯、容差预测等提供依据；在产品的使用阶段，各个产品可以拥有自己的数字样机，记录在整个产品生命周期中的各类运行数据，提供各类运行服务，且可以进行整体统计与分析。 动态绑定本身并不是C++ 面向对象特有的，早在C 语言的函数指针就产生了类似的概念。但是，动态绑定可以催生面向对象，而面向对象就是C++/Java等语言区别于C语言的最重要特点之一。从这个角度来看，动态绑定的仿真极有可能催生面向孪生的制造。而面向孪生的制造则可以有无限的遐想空间，且不必担心落入与传统技术的“趋同陷阱”。面向对象与面向孪生的相关概念对比见表1，由此可知，面向对象编程与面向孪生制造是很有可能产生较强的对偶关系。当前的产品制造流程几乎都是面向过程的，就如同上世纪70~90年代的C语言一样，一旦面向孪生的制造模式可以实施，极有可能再现类似面向对象的成功模式，从而引发新一轮的制造革命。 从上述分析来看，数字孪生的意义非常明确，就如同类定义是实现面向对象编程的重要基础一样，数字孪生也是实现面向孪生制造的重要基础。因此，为了明确数字孪生的最终目的以及规范数字孪生的内涵定义，有必要对Michael Gieves教授提出的概念进行补充：数字孪生是连接物理世界的数字化镜像，以实现动态绑定的同步仿真。之所以需要在数字化镜像的基础上进一步强调数字孪生仿真的动态绑定特性，是因为在计算机技术的发展历史上，动态绑定起到了从结构化编程转变为面向对象编程的桥梁的作用，这一变化在历史上是革命性的，而那场革命使得软件危机问题得以有效解决。例如，C++语言用以实现多态的虚函数是通过函数指针来实现的，所以动态绑定可以催生多态，而多态又是类与面向对象的重要基础。C/C++从动态绑定、多态到面向对象的演变过程如图1所示。 …… 6 结论与展望 本文从面向对象编程的理念出发，分析了数字孪生的动态绑定仿真的特性，探讨了面向孪生制造的未来智能制造运行模式。采用面向对象的建模思想，推理出动态绑定仿真的最终意义在于实现多态式仿真与分析。通过面向对象编程与面向孪生制造的对偶关系，推导出界定数字孪生的原则与规范。将数字孪生与数字样机、硬件在环仿真、多物理场仿真等技术进行对比，分析了数字孪生与各概念之间的区别与联系。提出“先模型、再仿真、后连接”的数字孪生实施原则。针对数字孪生的当前问题与瓶颈进行了讨论，以帮助梳理数字孪生系统实施的关键。最后，结合一个面向数控加工的数字孪生及CPS系统的开发案例，阐述本文所述的数字孪生内涵在具体实施案例的应用与体现。该系统已在上海商飞制造厂试验车间得到了应用与验证，部分验证了本文提出的数字孪生实施原则的实用性。需要指出的是，目前本文介绍的数字孪生系统还处于发展的初级阶段，未来还有大量的问题需要解决。不过，本文提出的组合数字孪生镜像的CPS系统将有助于实现把智能终端连成网络[25]的阶段性目标，从而推动智能制造与工业互联网相关技术的发展。 作者简介： 肖文磊（1984-），男，江西井冈山人，北京航空航天大学副教授，博士学位，研究方向：智能数控系统、工业机器人、数控加工的数字孪生等。 曹宪（1992-），男，山西运城人，北京航空航天大学博士生，研究方向：数控加工仿真、数字孪生系统、工业机器人仿真等。 赵罡（1972-），男，河北文安人，北京航空航天大学教授，博士学位，研究方向：数字化设计与制造技术、飞机数字化装配技术及装备、虚拟现实技术及其应用等。 邢宏文（1984-），湖北襄阳人，上海飞机制造有限公司，高级工程师，研究方向：飞机数字化装配、柔性装配工装设计等。 郑湃（1988-），男，江苏扬州人，香港理工大学助理教授，博士学位，研究方向：智能产品服务系统、工业人工智能、数字服务化。 |
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来自： 阿明哥哥资料区 > 《3.先进智能制造.供应链》
