基于数字孪生的复杂产品制造与运维一体化 20221217

基 于 数 字 孪 生 的 复 杂 产 品 制 造 与 运 维 一 体 化原 作 YunruiWang& WenzheRen & YanLi &ChuanweiZhang翻 译 方 建 勇鉴 于 复 杂 产 品 的 制 造 和 运 维 过 程 中 缺 乏 深 度 集 成 ， 实 现 复 杂 产 品 制 造和 运 维 流 程 的 深 度 集 成 ， 同 时 消 除 制 造 和 运 维 环 节 中 产 生 的 信 息 孤 岛现 象 。 借 助 数 字 孪 生 技 术 ， 提 出 了 基 于 数 字 孪 生 的 复 杂 产 品 制 造 与 运维 集 成 的 总 体 框 架 和 虚 拟 与 现 实 集 成 的 系 统 集 成 模 式 。 分 析 了 基 于 数字 孪 生 的 制 造 与 运 维 、 数 据 融 合 、 建 模 与 仿 真 、 制 造 工 厂 运 营 模 式 等

复 杂 产 品 集 成 的 解 决 方 案 。 讨 论 了 基 于 数 字 孪 生 的 制 造 与 运 维 深 度 集成 、 故 障 预 测 和 知 识 库 /案 例 库 构 建 的 关 键 技 术 。 最 后 ， 结 合 某 型 电力 动 车 组 （ EMU） 转 向 架 故 障 预 测 案 例 ， 论 证 了 EMU 运 行 维 护 过 程与 制 造 商 之 间 的 关 联 运 行 模 式 ， 证 明 了 该 集 成 方 法 的 可 行 性 和 有 效 性 。1 引 言物 联 网 、 大 数 据 、 数 字 孪 生 、 5G 通 信 技 术 等 新 一 代 信 息 技 术 的 快 速发 展 ， 推 动 了 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 理 论 体 系 从 数 字 化 、 网 络 化 向 智 能

化 发 展 ， 这 使 得 复 杂 的 产 品 制 造 和 操 作 维 护 系 统 越 来 越 自 动 化 。 复 杂产 品 具 有 多 个 跨 学 科 、 多 个 协 作 部 门 和 高 度 集 成 的 特 点 。 其 制 造 、 操作 和 维 护 是 一 个 极 其 复 杂 的 过 程 。 除 了 遵 循 一 般 操 作 和 维 护 流 程 （ 如操 作 和 维 护 要 求 获 取 、 零 件 维 护 等 ） 外 ， 还 需 要 考 虑 备 件 、 维 护 地 点 、

加 工 、 组 装 和 测 试 等 制 造 信 息 。 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 的 深 度 物 理 信 息集 成 是 实 现 智 能 制 造 和 智 能 运 维 的 关 键 。 制 造 阶 段 为 后 期 操 作 和 维 护阶 段 提 供 了 重 要 支 持 。 然 而 ， 当 前 复 杂 的 产 品 制 造 和 运 维 环 节 直 接 产生 的 大 量 数 据 无 法 深 度 集 成 ， 导 致 制 造 和 运 维 信 息 的 可 重 用 性 低 ， 形成 信 息 孤 岛 ， 导 致 产 品 制 造 和 运 营 维 护 环 节 无 法 形 成 有 机 统 一 。为 了 解 决 复 杂 产 品 设 计 、 制 造 、 运 营 和 维 护 的 深 度 集 成 问 题 ， 大 量 学者 对 复 杂 产 品 运 营 和 维 护 资 源 控 制 、 备 件 库 存 、 制 造 服 务 、 设 计 和 制造 进 行 了 大 量 研 究 。 Li 等 人 以 复 杂 产 品 运 行 维 护 过 程 中 的 物 理 资 源 分

配 、 技 术 人 员 匹 配 和 维 护 时 间 控 制 为 目 标 ， 针 对 复 杂 产 品 运 行 和 维 护过 程 中 所 需 服 务 资 源 的 调 度 问 题 ， 建 立 了 多 目 标 优 化 模 型 。 复 杂 产 品运 行 和 维 护 的 资 源 分 配 提 供 了 理 论 基 础 。 Kadir 等 人 通 过 研 究 航 空 产品 的 运 行 和 维 护 大 修 计 划 ， 针 对 有 限 的 维 护 人 员 数 量 、 库 存 持 有 量 和劳 动 力 相 关 成 本 ， 建 立 了 混 合 整 数 规 划 模 型 ， 为 制 定 飞 机 大 修 计 划 和人 工 计 划 提 供 参 考 ， 缩 短 飞 机 维 修 时 间 ， 降 低 维 修 成 本 。 Matias 等 人研 究 了 产 品 运 维 过 程 中 运 维 库 存 与 备 件 库 存 管 理 之 间 的 关 系 ， 并 提 出了 一 种 产 品 运 维 过 程 的 备 件 库 存 过 程 管 理 方 法 ， 该 方 法 提 高 了 库 存 控制 和 生 产 率 ， 降 低 了 产 品 运 营 成 本 。 Li 等 人 研 究 了 复 杂 产 品 的 数 字 驱

动 智 能 服 务 ， 提 出 了 设 备 故 障 识 别 和 动 态 预 测 方 法 ， 以 及 基 于 设 备 状态 的 维 护 和 备 件 库 存 的 联 合 多 目 标 决 策 优 化 方 法 ， 为 复 杂 产 品 的 维 护支 持 模 式 提 供 了 一 种 新 的 方 法 。 Liu 等 人 研 究 了 产 品 维 护 和 备 件 库 存控 制 ， 并 通 过 建 立 算 法 得 出 了 库 存 成 本 对 产 品 维 护 的 影 响 ， 表 明 备 件

库 存 和 产 品 维 护 在 运 营 和 维 护 过 程 中 相 互 制 约 。 Li 等 人 利 用 决 策 测 试与 评 估 实 验 室 （ DEMATEL） 和 改 进 分 析 网 络 过 程 （ ANP） 建 立 了MRO 管 理 指 标 的 绩 效 评 估 模 型 ， 并 分 析 了 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 过 程中 管 理 者 的 联 合 优 化 过 程 。 Francisco 等 人 针 对 制 造 过 程 中 不 同 信 息 的可 重 用 性 ， 提 出 了 一 种 基 于 产 品 制 造 服 务 的 可 定 制 产 品 设 计 规 范 方 法 ，并 通 过 创 建 产 品 服 务 本 体 实 现 了 产 品 设 计 和 制 造 数 据 的 集 成 。 Sun 等人 提 出 了 一 种 基 于 本 体 元 模 型 的 数 字 原 型 构 建 方 法 ， 用 于 复 杂 产 品 开发 过 程 中 不 同 学 科 之 间 的 信 息 集 成 和 共 享 ， 并 实 现 了 复 杂 产 品 设 计 过程 中 的 数 据 集 成 。 Enzo 等 人 为 复 杂 产 品 的 动 态 制 造 系 统 提 出 了 一 种

数 据 驱 动 的 自 适 应 规 划 和 控 制 方 法 。 针 对 不 断 变 化 的 生 产 条 件 ， 实 现了 基 于 仿 真 优 化 的 物 理 制 造 系 统 与 仿 真 模 型 之 间 的 数 据 集 成 ， 为 复 杂产 品 的 制 造 数 据 集 成 提 供 了 参 考 。 Li 等 人 研 究 提 出 了 一 种 基 于 数 据 驱动 的 复 杂 产 品 循 环 设 计 框 架 ， 为 实 现 复 杂 产 品 的 智 能 制 造 提 供 了 有 效途 径 。回 顾 上 述 文 献 ， 复 杂 产 品 的 制 造 、 操 作 和 维 护 在 相 关 理 论 、 技 术 研 究和 应 用 等 方 面 取 得 了 一 定 进 展 。 然 而 ， 大 多 数 学 者 将 制 造 、 操 作 、 维护 和 设 计 过 程 相 互 隔 离 ， 制 造 和 运 维 不 能 有 效 地 相 互 支 持 ， 产 品 实 际

制 造 和 运 维 过 程 中 产 生 的 数 据 实 时 动 态 反 馈 能 力 不 足 。 此 外 ， 这 些 研究 理 论 不 能 完 全 满 足 新 一 代 信 息 技 术 背 景 下 复 杂 产 品 制 造 与 运 维 一体 化 的 要 求 。 因 此 ， 迫 切 需 要 新 的 方 法 来 支 持 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 过程 的 深 度 集 成 ， 使 产 品 运 维 信 息 能 够 有 效 地 集 成 到 制 造 过 程 中 ， 促 进

复 杂 产 品 制 造 与 运 维 的 全 面 升 级 。数 字 孪 生 技 术 的 出 现 为 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 的 深 度 融 合 和 集 成 提 供了 有 效 途 径 。 数 字 孪 生 技 术 通 过 高 保 真 建 模 、 实 时 动 态 交 互 反 馈 以 及高 度 可 靠 的 分 析 和 预 测 ， 为 复 杂 产 品 的 制 造 、 操 作 和 维 护 提 供 了 深 度 。Fusion 提 供 精 确 的 服 务 。 对 于 复 杂 产 品 ， 数 字 孪 生 技 术 也 广 泛 应 用 于各 个 方 面 ， 如 装 配 制 造 过 程 质 量 控 制 、 协 同 设 计 和 装 配 过 程 。 Tao 等人 提 出 了 数 字 孪 生 的 五 维 模 型 和 十 大 应 用 领 域 ， 并 将 数 字 孪 生 技 术 引入 制 造 车 间 。 在 原 有 三 维 模 型 的 基 础 上 ， 增 加 了 孪 生 数 据 和 服 务 两 个

新 维 度 。 经 过 多 年 的 研 究 ， 已 经 形 成 了 产 品 生 命 周 期 管 理 和 产 品 制 造车 间 的 基 础 理 论 和 技 术 支 撑 。 Zhuang 等 人 提 出 了 一 种 基 于 数 字 孪 生的 复 杂 产 品 装 配 车 间 智 能 生 产 管 理 和 控 制 框 架 ， 为 实 现 复 杂 产 品 的 智能 装 配 提 供 了 重 要 基 础 。 Yi 等 人 研 究 了 将 制 造 数 据 和 传 感 器 数 据 集 成到 “ 数 字 孪 生 ” 虚 拟 样 机 工 具 中 的 方 法 ， 并 应 用 将 数 据 传 输 到 物 理 铣床 ， 实 现 数 字 孪 生 数 据 的 采 集 和 应 用 。 Wang 等 人 将 数 字 孪 生 技 术 与计 划 和 调 度 相 结 合 ， 以 应 对 车 间 生 产 中 不 确 定 因 素 的 出 现 ， 并 对 不 确定 因 素 实 施 控 制 。 Andrea 等 人 构 建 了 一 个 数 据 驱 动 的 船 舶 数 字 孪 生 ，并 在 相 应 传 感 器 的 帮 助 下 收 集 了 大 量 船 舶 运 行 信 息 ， 这 减 少 了 不 必 要

的 燃 料 消 耗 ， 提 高 了 船 舶 维 护 效 率 。 Zhang 等 人 以 采 煤 机 为 研 究 对 象 ，研 究 了 基 于 数 字 孪 生 的 设 备 维 修 指 导 总 体 模 型 和 技 术 框 架 ， 探 索 了 维修 环 境 感 知 和 数 据 信 息 交 互 等 关 键 技 术 ， 为 复 杂 产 品 故 障 信 息 与 维 修指 导 的 结 合 提 供 了 新 途 径 。 组 合 提 供 了 一 种 新 的 方 式 。 总 之 ， 数 字 孪

生 技 术 的 引 入 可 以 解 决 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 过 程 中 产 生 的 多 源 异 构数 据 融 合 问 题 ， 为 复 杂 产 品 制 造 与 运 维 一 体 化 提 供 了 新 思 路 。本 文 将 数 字 孪 生 技 术 引 入 到 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 的 集 成 环 节 。 基 于 复杂 产 品 制 造 和 运 行 维 护 环 节 中 产 生 的 数 据 ， 建 立 了 虚 拟 制 造 单 元 和 维护 单 元 。 本 文 采 用 了 仿 真 建 模 技 术 、 数 据 综 合 感 知 技 术 、 数 据 处 理 技术 ， 实 现 物 理 制 造 与 运 维 一 体 化 、 虚 拟 制 造 与 运 维 融 合 ， 构 建 基 于 数字 孪 生 的 复 杂 产 品 制 造 与 运 维 集 成 模 型 。 在 此 基 础 上 ， 描 述 了 数 字 孪生 驱 动 的 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 集 成 的 总 体 过 程 ， 应 用 数 据 平 台 建 设 和

集 成 流 程 ， 实 现 制 造 和 运 维 中 多 阶 段 、 多 类 型 、 多 系 统 数 据 的 集 成 管理 和 实 时 共 享 。 最 后 ， 将 本 文 构 建 的 制 造 与 集 成 框 架 应 用 于 一 家 企 业 ，通 过 对 关 键 部 件 故 障 数 量 的 预 测 以 及 制 造 与 运 行 与 维 护 过 程 串 联 的集 成 过 程 ， 实 现 了 维 护 计 划 、 计 划 与 调 度 、 备 件 、 备 件 和 备 件 的 配 置优 化 ， 以 及 其 他 资 源 ， 并 完 成 制 造 与 操 作 和 维 护 的 深 度 集 成 。2 基 于 数 字 孪 生 的 复 杂 产 品 制 造 与 运 维 一 体 化 模 型传 统 的 复 杂 产 品 制 造 和 操 作 维 护 是 相 互 分 离 的 。 制 造 商 将 产 品 交 付 给

用 户 后 ， 制 造 商 的 任 务 完 成 。 运 维 人 员 在 产 品 运 维 过 程 中 很 少 考 虑 制造 商 的 制 造 信 息 ， 导 致 制 造 与 运 维 信 息 无 法 及 时 沟 通 ， 形 成 信 息 孤 岛 。为 了 实 现 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 过 程 的 数 据 和 信 息 交 换 ， 本 文 设 计 了 基于 数 字 孪 生 的 复 杂 产 品 制 造 与 运 维 集 成 总 体 模 型 。 如 图 1 所 示 ， 它 主

要 包 括 五 个 模 块 ： 操 作 和 维 护 系 统 模 块 、 虚 拟 维 护 单 元 模 块 （ VMU） 、维 护 中 心 模 块 、 制 造 商 工 厂 模 块 和 数 据 平 台 模 块 。 制 造 工 厂 和 维 护 中心 模 块 构 成 了 孪 生 系 统 的 物 理 空 间 ， 虚 拟 维 护 单 元 模 块 构 成 了 双 胞 胎系 统 的 虚 拟 空 间 。 借 助 数 字 孪 生 技 术 ， 通 过 在 虚 拟 空 间 中 模 拟 产 品 故障 后 与 维 修 中 心 和 制 造 厂 进 行 信 息 交 换 的 整 个 过 程 的 真 实 模 拟 ， 可 以及 时 发 现 产 品 运 行 维 护 和 生 产 计 划 中 可 能 存 在 的 问 题 。 在 制 造 和 运 维一 体 化 的 基 础 上 ， 通 过 制 造 车 间 和 维 修 车 间 的 孪 生 数 据 的 深 度 融 合 ，并 及 时 更 新 数 据 平 台 中 的 数 据 ， 预 测 未 来 产 品 在 运 行 过 程 中 的 部 件 故障 和 维 护 计 划 ， 确 保 产 品 的 正 常 运 行 ， 实 现 智 能 制 造 和 运 维 的 转 型 升

级 。复 杂 产 品 制 造 和 运 维 一 体 化 的 整 体 模 型 是 由 制 造 和 运 维 过 程 中 产 生的 数 据 驱 动 的 。 数 据 平 台 模 块 从 其 他 模 块 收 集 与 制 造 、 操 作 和 维 护 集成 相 关 的 数 据 信 息 。 融 合 处 理 后 ， 这 些 数 据 将 与 其 他 模 块 交 互 ， 为 其他 模 块 的 正 常 运 行 提 供 数 据 支 持 。 运 维 系 统 模 块 及 时 高 效 地 为 制 造 与运 维 一 体 化 过 程 提 供 原 始 数 据 信 息 ， 确 保 制 造 与 运 维 集 成 过 程 的 数 据需 求 。 根 据 从 数 据 平 台 获 得 的 制 造 和 维 护 数 据 信 息 ， 虚 拟 维 护 模 块 制定 初 步 的 虚 拟 维 护 计 划 ， 然 后 根 据 数 据 平 台 知 识 库 中 的 规 则 确 定 最 佳

维 护 计 划 ， 以 指 导 物 理 维 护 过 程 。 物 理 维 护 模 块 在 考 虑 备 件 库 存 的 基础 上 ， 根 据 虚 拟 维 护 模 块 制 定 的 维 护 计 划 进 行 物 理 维 护 ， 以 确 保 产 品运 行 和 维 护 过 程 中 对 零 件 的 准 时 需 求 。 制 造 商 模 块 根 据 从 数 据 平 台 获取 的 制 造 数 据 信 息 和 虚 拟 维 护 模 块 制 定 的 维 护 方 案 ， 实 施 返 修 零 件 的

维 修 和 其 他 零 件 的 制 造 ， 以 满 足 产 品 运 行 和 维 护 的 需 要 。 各 模 块 的 具体 功 能 如 下 ：

2.1 运 维 系 统操 作 和 维 护 系 统 是 对 复 杂 产 品 正 常 运 行 的 监 控 。 它 不 仅 为 数 据 平 台 提供 运 维 服 务 数 据 ， 而 且 在 收 到 数 据 平 台 反 馈 信 息 后 ， 及 时 调 整 运 维 计划 ， 确 保 产 品 正 常 运 行 。 运 维 系 统 提 供 的 服 务 数 据 包 括 产 品 运 行 状 态 、部 件 状 态 信 息 、 故 障 原 因 类 型 、 故 障 分 类 标 准 、 现 场 备 件 库 存 等 数 据 。其 中 ， 产 品 运 行 状 态 显 示 产 品 运 行 现 场 是 否 存 在 故 障 。 零 件 状 态 信 息是 追 踪 产 品 故 障 原 因 的 重 要 数 据 。 故 障 原 因 类 型 、 故 障 等 级 标 准 和 现场 备 件 库 存 数 据 为 虚 拟 维 修 单 位 制 定 维 修 计 划 提 供 了 重 要 依 据 。

2.2 虚 拟 维 护 单 元虚 拟 维 修 单 元 基 于 从 数 据 平 台 获 得 的 维 修 数 据 ， 通 过 对 需 要 维 修 的 零件 进 行 仿 真 建 模 ， 并 制 定 不 同 的 维 修 计 划 。 根 据 数 据 平 台 知 识 库 中 的规 则 ， 虚 拟 维 护 单 元 基 于 时 间 成 本 、 维 护 成 本 、 过 程 优 化 和 维 护 路 线获 得 最 优 维 护 方 案 。 最 佳 维 护 方 案 包 括 有 关 维 护 级 别 、 维 护 方 法 和 部件 维 护 位 置 的 信 息 。 不 同 零 件 的 维 修 级 别 和 位 置 不 同 。 有 的 需 要 日 常维 护 和 维 修 ， 有 的 需 要 分 体 维 修 ， 有 的 要 返 厂 维 修 ， 有 的 在 作 业 现 场维 修 ， 有 的 到 维 修 基 地 维 修 。 在 虚 拟 数 据 平 台 制 定 出 最 佳 维 护 计 划 后 ，

虚 拟 维 护 单 元 引 导 在 物 理 空 间 中 承 担 相 应 维 护 任 务 的 维 护 单 元 发 挥作 用 ， 并 根 据 最 佳 维 护 计 划 实 施 部 件 的 物 理 维 护 。 虚 拟 维 修 单 元 提 供模 拟 维 修 现 场 和 最 优 维 修 方 案 ， 实 现 产 品 制 造 和 运 维 一 体 化 过 程 中 虚拟 空 间 和 物 理 空 间 的 无 缝 连 接 、 实 时 交 互 和 集 成 。在 决 策 过 程 中 ， 一 方 面 ， 基 于 维 修 数 据 在 虚 拟 维 修 单 元 中 建 立 虚 拟 维修 计 划 决 策 模 型 ； 另 一 方 面 ， 虚 拟 维 护 方 案 的 可 视 化 结 果 与 物 理 维 护单 元 的 物 理 环 境 相 结 合 ， 通 过 虚 拟 和 真 实 以 及 进 行 组 织 和 逻 辑 交 互 的二 元 决 策 者 的 组 合 。 基 于 数 字 孪 生 的 维 修 方 案 决 策 ， 通 过 虚 拟 维 修 单

元 和 维 修 中 心 ， 形 成 相 互 调 整 、 相 互 学 习 、 相 互 适 应 的 持 续 改 进 模 式 。通 过 连 接 虚 拟 世 界 和 物 理 世 界 ， 确 保 决 策 结 果 的 科 学 性 和 客 观 性 ， 形成 了 “ 虚 实 ” 协 同 决 策 ， 有 助 于 提 高 维 修 效 率 和 质 量 。

2.3 维 修 中 心维 修 中 心 是 实 现 零 件 物 理 维 修 任 务 的 重 要 场 所 。 因 此 ， 维 修 中 心 的 维修 效 率 直 接 影 响 到 产 品 运 行 和 维 护 的 效 率 。 维 修 中 心 根 据 虚 拟 维 修 单位 制 定 的 维 修 计 划 ， 对 复 杂 产 品 的 部 件 进 行 物 理 维 修 。 维 修 中 心 分 为产 品 运 行 现 场 维 修 和 维 修 基 地 维 修 。 根 据 维 护 计 划 中 零 件 的 维 护 位 置 ，如 果 需 要 在 操 作 现 场 进 行 维 护 ， 则 应 在 产 品 的 操 作 现 场 进 行 物 理 维 护 ，例 如 目 视 检 查 、 维 护 和 性 能 检 查 、 更 换 备 件 以 及 根 据 条 件 进 行 维 护 。如 果 需 要 在 维 修 基 地 维 修 零 件 ， 零 件 将 被 运 送 到 维 修 基 地 进 行 维 修 ，

如 定 期 拆 卸 、 设 备 维 护 、 零 件 更 换 、 探 伤 维 修 和 系 统 维 护 。2.4 制 造 商 工 厂制 造 厂 通 过 数 据 平 台 实 现 与 运 维 系 统 的 信 息 交 互 ， 为 复 杂 产 品 的 制 造和 运 维 提 供 更 实 时 、 高 效 、 智 能 的 服 务 。 制 造 工 厂 不 仅 是 复 杂 产 品 组装 和 维 护 任 务 的 场 所 ， 也 是 实 现 虚 拟 车 间 和 物 理 车 间 互 连 的 数 据 源 。它 还 包 含 许 多 装 配 和 维 护 资 源 ， 如 装 配 线 人 员 、 材 料 库 存 和 维 护 设 备 。制 造 商 负 责 制 造 复 杂 产 品 所 需 的 零 件 ， 并 维 护 需 要 返 回 工 厂 维 修 的 零

件 。 当 运 维 系 统 将 异 常 零 件 信 息 上 传 到 数 据 平 台 时 ， 通 过 故 障 诊 断 获得 零 件 的 维 修 状 态 。 如 果 制 造 商 需 要 供 应 备 件 ， 制 造 商 应 安 排 备 件 库存 计 划 。 如 果 需 要 返 回 工 厂 进 行 维 修 ， 在 制 造 商 收 到 维 修 信 息 后 ， 将

其 作 为 生 产 过 程 中 的 不 确 定 因 素 引 入 日 常 生 产 计 划 控 制 系 统 ， 并 调 整制 造 商 的 生 产 计 划 和 调 度 方 案 。 重 新 安 排 生 产 计 划 系 统 后 ， 生 产 计 划完 成 ， 制 造 商 根 据 生 产 计 划 安 排 备 件 生 产 ， 最 终 保 证 复 杂 产 品 的 正 常运 行 和 维 护 。2.5 数 据 平 台作 为 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 一 体 化 过 程 中 的 整 个 数 据 载 体 ， 数 据 平 台 存储 由 各 个 模 块 交 互 生 成 的 孪 生 数 据 以 及 与 制 造 和 运 维 一 体 化 相 关 的

物 理 数 据 ， 为 复 杂 产 品 的 制 造 和 运 维 集 成 提 供 数 据 。数 据 平 台 分 为 四 个 模 块 ： 数 据 收 集 、 存 储 、 处 理 和 应 用 ， 并 从 操 作 和维 护 系 统 、 虚 拟 维 护 单 元 、 维 护 中 心 和 制 造 工 厂 收 集 相 应 的 维 护 和 制造 数 据 。 数 据 平 台 从 操 作 和 维 护 系 统 获 取 产 品 状 态 数 据 和 零 件 状 态 数据 ， 并 从 制 造 商 处 收 集 工 厂 维 护 周 期 数 据 和 零 件 生 产 周 期 数 据 。 数 据平 台 从 运 营 现 场 收 集 库 存 数 据 ， 从 维 护 中 心 收 集 维 护 基 地 。 数 据 平 台从 虚 拟 维 护 单 元 收 集 仿 真 数 据 。 这 些 数 据 经 过 数 据 融 合 处 理 后 存 储 在数 据 平 台 中 ， 然 后 反 馈 给 相 应 的 模 块 ， 以 提 高 每 个 模 块 的 运 行 效 率 。

数 据 平 台 是 收 集 数 据 的 综 合 应 用 。 不 仅 可 以 使 用 从 其 他 模 块 收 集 的 数据 来 建 立 知 识 库 ， 而 且 还 可 以 使 用 维 护 和 制 造 过 程 中 生 成 的 孪 生 数 据来 建 立 历 史 案 例 库 和 维 护 知 识 库 ， 为 将 来 类 似 的 零 件 维 护 任 务 提 供 专业 指 导 。 在 收 集 的 数 据 的 帮 助 下 ， 数 据 平 台 可 以 预 测 库 存 、 故 障 和 计

划 ， 并 及 时 响 应 制 造 、 运 营 和 维 护 集 成 过 程 中 出 现 的 异 常 情 况 。 简 而言 之 ， 数 据 平 台 为 产 品 制 造 和 运 维 一 体 化 提 供 了 一 个 全 要 素 、 全 流 程 、全 服 务 的 数 据 融 合 处 理 和 共 享 平 台 ， 消 除 了 复 杂 产 品 制 造 和 运 营 维 护一 体 化 过 程 中 产 生 的 信 息 孤 岛 ， 实 现 制 造 与 运 维 的 完 美 对 接 。3 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 一 体 化 模 式3.1 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 集 成 过 程

当 复 杂 产 品 运 行 过 程 中 出 现 异 常 时 ， 运 维 人 员 需 要 分 析 运 维 系 统 中 异常 的 原 因 ， 获 取 故 障 诊 断 后 需 要 维 修 的 部 件 的 维 护 信 息 数 据 ， 并 将 这些 数 据 输 入 数 据 平 台 。 在 数 据 平 台 中 ， 基 于 历 史 维 护 数 据 、 知 识 库 和案 例 数 据 库 制 定 初 步 维 护 计 划 ， 并 在 虚 拟 空 间 中 模 拟 维 护 计 划 。 调 用数 据 平 台 中 的 知 识 库 ， 判 断 初 步 维 护 计 划 。 如 果 不 是 最 佳 维 护 计 划 ，则 将 在 虚 拟 空 间 中 继 续 模 拟 以 纠 正 维 护 计 划 ， 直 到 形 成 最 佳 维 护 计 划 。根 据 最 佳 维 护 计 划 维 修 零 件 。 需 要 返 厂 维 修 的 运 输 至 制 造 厂 维 修 ， 需要 现 场 维 修 的 在 产 品 运 营 现 场 维 修 ， 需 要 在 维 修 基 地 维 修 的 运 输 到 维修 基 地 维 修 。 需 要 维 修 的 零 件 的 维 修 任 务 完 成 后 ， 将 返 回 产 品 操 作 现

场 ， 以 确 保 产 品 的 正 常 运 行 ， 在 处 理 产 品 异 常 的 过 程 中 ， 当 制 造 商 、操 作 现 场 和 维 修 基 地 完 成 维 修 任 务 时 ， 更 新 的 维 护 数 据 和 制 造 数 据 被输 入 到 数 据 平 台 中 ， 以 为 下 一 个 维 护 计 划 的 制 定 提 供 数 据 支 持 。 在 数据 平 台 中 ， 一 方 面 ， 基 于 处 理 后 的 故 障 数 据 和 维 护 过 程 中 产 生 的 数 据 ，

建 立 故 障 预 测 机 制 ， 并 将 故 障 预 测 结 果 反 馈 到 故 障 诊 断 过 程 ， 以 提 高诊 断 效 率 。 另 一 方 面 ， 根 据 故 障 零 件 维 修 过 程 中 零 件 库 存 数 据 的 变 化以 及 制 造 商 的 零 件 制 造 数 据 ， 建 立 了 库 存 预 测 机 制 ， 为 制 定 最 佳 维 修计 划 提 供 库 存 零 件 信 息 。 到 目 前 为 止 ， 复 杂 产 品 的 制 造 和 运 维 一 体 化过 程 已 经 结 束 ， 详 细 流 程 图 如 图 2 所 示 。3.2 制 造 与 运 维 一 体 化 实 施 路 线复 杂 产 品 制 造 任 务 与 运 维 需 求 的 深 度 融 合 是 合 理 利 用 制 造 资 源 和 维

护 资 源 的 前 提 ， 是 实 现 制 造 与 运 维 一 体 化 的 重 要 手 段 。 当 复 杂 产 品 在运 行 和 维 护 过 程 中 出 现 异 常 时 ， 可 以 将 异 常 信 息 及 时 发 送 到 制 造 厂 。在 制 造 工 厂 中 ， 车 间 服 务 平 台 根 据 虚 拟 车 间 的 模 拟 、 验 证 和 优 化 结 果以 及 物 理 运 行 状 态 实 时 调 整 生 产 计 划 或 维 护 。 计 划 满 足 运 营 和 维 护 运营 的 实 际 需 求 。 基 于 数 字 孪 生 制 造 和 运 维 一 体 化 实 施 路 线 （ 图 3） ，根 据 不 同 制 造 工 厂 的 设 施 布 局 、 装 配 站 、 人 员 配 置 、 维 护 流 程 等 相 关数 据 ， 制 定 适 合 维 护 需 求 的 生 产 维 护 计 划 ， 从 而 能 够 及 时 准 确 地 满 足复 杂 产 品 的 操 作 和 维 护 要 求 。 当 数 据 平 台 接 收 到 复 杂 产 品 的 运 维 要 求时 ， 将 运 维 要 求 发 送 给 制 造 商 ， 制 造 商 根 据 相 应 的 运 维 要 求 安 排 计 划 。

如 果 制 造 商 在 操 作 现 场 或 维 修 基 地 收 到 满 足 备 件 需 求 的 操 作 和 维 护需 求 ， 则 将 检 查 制 造 商 的 相 应 备 件 库 存 ， 如 果 库 存 能 够 满 足 备 件 需 求 ，则 安 排 相 应 的 备 件 运 输 。 否 则 ， 将 所 需 备 件 任 务 转 换 为 紧 急 订 单 ， 并调 用 计 划 和 调 度 模 型 以 生 成 初 步 计 划 和 调 度 计 划 。 然 后 ， 根 据 数 据 平

台 中 虚 拟 制 造 车 间 的 人 员 、 设 备 、 材 料 等 资 源 的 实 时 数 据 ， 对 规 划 调度 方 案 进 行 仿 真 ， 并 得 到 仿 真 结 果 。 如 果 模 拟 结 果 能 够 满 足 备 件 生 产要 求 ， 将 指 导 生 产 车 间 按 照 计 划 的 调 度 计 划 实 施 备 件 生 产 。 如 果 模 拟结 果 不 能 满 足 备 件 要 求 ， 将 检 查 模 拟 数 据 和 计 划 调 度 数 据 的 一 致 性 ，并 分 析 异 常 原 因 并 再 次 调 用 。 计 划 和 调 度 模 型 ， 生 成 计 划 和 调 度 计 划 。在 生 成 的 计 划 和 调 度 方 案 能 够 满 足 备 件 需 求 之 前 ， 将 优 化 的 计 划 和 计划 方 案 保 存 到 数 据 平 台 ， 并 更 新 数 据 平 台 中 的 知 识 库 。 经 过 制 造 商 对备 件 需 求 的 迭 代 优 化 ， 可 以 满 足 复 杂 产 品 的 备 件 需 求 ， 实 现 制 造 与 运维 的 有 效 集 成 。

如 果 制 造 商 收 到 的 操 作 和 维 护 需 求 是 返 厂 维 护 需 求 ， 则 会 拆 卸 相 应 的零 件 ， 并 调 用 数 据 平 台 中 的 维 护 计 划 模 型 ， 生 成 初 步 维 护 计 划 ， 然 后

根 据 维 修 车 间 的 维 修 人 员 、 设 备 、 材 料 和 路 线 ， 在 虚 拟 维 修 车 间 模 拟和 验 证 初 步 维 修 计 划 。 如 果 维 护 计 划 能 够 满 足 零 件 的 维 护 要 求 ， 将 指导 维 护 车 间 实 施 零 件 维 护 ， 以 满 足 操 作 和 维 护 要 求 。 如 果 仿 真 结 果 验证 无 法 满 足 零 件 的 维 护 要 求 ， 请 检 查 仿 真 数 据 与 维 护 计 划 数 据 之 间 的一 致 性 ， 分 析 不 一 致 的 原 因 ， 再 次 调 用 维 护 计 划 模 型 ， 并 生 成 维 护 计划 ， 直 到 生 成 维 护 计 划 。 维 护 维 护 计 划 ， 将 最 佳 维 护 计 划 保 存 到 数 据平 台 ， 并 更 新 数 据 平 台 中 的 知 识 库 和 实 例 数 据 库 。

3.3 数 据 融 合 处 理 模 式

如 何 准 确 、 高 效 、 快 速 地 从 复 杂 产 品 的 各 个 模 块 中 获 取 相 关 数 据 ， 进行 运 维 制 造 集 成 ， 从 而 产 生 更 高 的 价 值 ， 更 好 地 服 务 于 制 造 与 运 营 的集 成 过 程 ， 是 复 杂 产 品 制 造 与 运 营 集 成 过 程 中 的 一 个 重 要 起 点 。 基 于数 字 孪 生 的 数 据 融 合 处 理 单 元 体 系 结 构 分 为 数 据 源 层 、 数 据 预 处 理 层 、数 据 过 滤 层 和 数 据 应 用 层 。每 一 层 都 基 于 数 字 孪 生 技 术 ， 以 数 据 流 为 驱 动 ， 紧 密 相 连 ， 实 现 复 杂产 品 的 制 造 和 运 维 数 据 的 集 成 ， 为 制 造 和 运 维 集 成 提 供 重 要 的 数 据 基础 。 数 据 融 合 处 理 单 元 的 技 术 路 线 如 图 4 所 示 。

（ 1） 数 据 源 层 ： 数 据 源 层 中 的 数 据 来 自 存 储 在 数 据 平 台 中 的 操 作 和维 护 系 统 、 制 造 工 厂 和 维 护 单 元 收 集 的 数 据 。 这 些 数 据 包 括 产 品 状 态数 据 、 零 件 故 障 数 据 、 零 件 维 护 数 据 、 库 存 数 据 、 零 件 维 修 周 期 和 零件 生 产 周 期 数 据 。

（ 2） 数 据 预 处 理 层 ： 由 于 复 杂 产 品 在 制 造 和 运 维 过 程 中 产 生 的 数 据具 有 多 样 性 和 异 质 性 等 特 点 ， 其 中 一 些 数 据 无 法 服 务 于 制 造 和 运 维 一体 化 ， 因 此 需 要 对 相 应 的 数 据 进 行 预 处 理 。 在 数 据 处 理 层 ， 可 以 根 据神 经 网 络 、 聚 类 分 析 、 关 联 分 析 和 深 度 学 习 等 算 法 模 型 处 理 数 据 。 在对 收 集 的 数 据 进 行 清 理 、 整 合 、 转 换 和 汇 总 后 ， 获 得 初 步 处 理 的 数 据 。根 据 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 一 体 化 的 需 要 ， 初 步 处 理 的 数 据 分 为 维 护 数据 和 制 造 数 据 ， 为 制 定 维 护 和 制 造 计 划 提 供 了 依 据 。（ 3） 数 据 过 滤 层 ： 预 处 理 的 数 据 可 以 应 用 于 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 的

集 成 过 程 。 但 是 不 同 的 数 据 在 虚 拟 维 护 制 造 单 元 中 具 有 不 同 的 计 划 。因 此 ， 为 了 获 得 最 佳 的 维 护 和 制 造 计 划 ， 需 要 对 数 据 进 行 处 理 以 进 行过 滤 。 借 助 数 字 孪 生 技 术 ， 建 立 了 物 理 维 修 制 造 空 间 的 孪 生 体 ， 即 虚拟 维 修 制 造 单 元 。 在 虚 拟 维 修 制 造 单 元 中 ， 首 先 建 立 虚 拟 仿 真 模 型 ，分 解 和 演 化 维 修 和 制 造 任 务 ， 制 定 不 同 的 虚 拟 维 修 和 制 造 计 划 。 然 后 ，在 虚 拟 维 修 制 造 单 元 中 ， 根 据 不 同 的 方 案 对 维 修 和 制 造 任 务 进 行 虚 拟仿 真 ， 并 根 据 仿 真 结 果 确 定 最 佳 方 案 。 最 后 ， 获 得 与 最 优 解 对 应 的 数据 并 存 储 在 数 据 平 台 中 。 经 过 上 述 过 程 ， 获 得 了 制 造 和 运 维 一 体 化 过程 中 最 有 用 的 数 据 。

（ 4） 数 据 应 用 层 ： 对 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 过 程 中 产 生 的 源 数 据 进 行预 处 理 和 过 滤 ， 得 到 与 最 优 计 划 对 应 的 数 据 ， 并 反 馈 给 不 同 的 模 块 ，为 制 造 和 运 维 流 程 的 实 施 提 供 保 障 。 这 些 数 据 反 馈 到 运 维 系 统 ， 以 优化 复 杂 产 品 的 运 维 流 程 ， 降 低 运 维 成 本 ， 提 高 业 务 水 平 。 数 据 和 最 佳计 划 被 反 馈 给 维 护 单 元 。 物 理 维 护 单 元 根 据 最 佳 维 护 计 划 实 施 物 理 部件 维 护 ， 还 可 以 根 据 反 馈 的 维 护 数 据 预 测 产 品 故 障 ， 以 确 保 产 品 制 造和 运 维 的 顺 利 集 成 。 数 据 被 反 馈 给 制 造 商 ， 制 造 商 可 以 根 据 既 定 的 维修 和 维 护 计 划 执 行 需 要 返 回 工 厂 的 维 修 和 零 件 制 造 。

3.4 虚 拟 维 修 单 元 建 模 与 仿 真 构 建 模 式虚 拟 维 修 单 元 的 建 模 与 仿 真 基 于 数 字 孪 生 技 术 的 支 持 ， 通 过 数 据 的 有

机 集 成 ， 实 现 了 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 集 成 过 程 中 物 理 维 修 空 间 与 虚 拟维 修 单 元 之 间 的 虚 拟 与 真 实 同 步 ， 为 复 杂 的 产 品 制 造 和 运 维 一 体 化 提供 准 确 的 服 务 。 虚 拟 维 修 单 元 是 复 杂 产 品 维 修 过 程 的 重 要 组 成 部 分 。它 不 仅 是 物 理 维 护 单 元 的 数 字 镜 像 ， 也 是 制 定 虚 拟 维 护 计 划 、 数 据 处理 、 数 据 交 互 等 过 程 的 重 要 参 考 依 据 。 因 此 ， 虚 拟 维 修 单 元 和 物 理 维修 单 元 的 耦 合 程 度 直 接 决 定 了 复 杂 产 品 的 制 造 和 运 维 集 成 性 能 。 虚 拟维 修 单 元 的 建 模 和 仿 真 包 括 制 造 、 维 修 和 操 作 人 员 的 工 作 流 模 型 、 备件 的 模 型 和 库 存 数 据 、 维 修 零 件 的 虚 拟 原 型 模 型 和 零 件 故 障 模 型 、 基于 数 字 孪 生 的 维 修 数 据 处 理 结 果 智 能 分 析 、 仿 真 知 识 库 模 型 等 。 虚 拟

维 修 单 元 的 建 模 和 仿 真 不 仅 包 括 二 维 数 据 和 模 型 ， 还 包 括 三 维 模 型 和仿 真 过 程 ， 这 是 零 件 维 修 过 程 的 完 整 信 息 。 只 有 建 立 复 杂 产 品 零 件 维修 的 数 据 和 仿 真 模 型 ， 实 现 数 字 孪 生 过 程 虚 拟 维 修 单 元 的 建 模 和 仿 真 ，才 能 有 效 地 服 务 于 复 杂 产 品 异 常 零 件 的 快 速 建 模 和 维 修 。复 杂 产 品 虚 拟 维 修 单 元 的 建 模 和 仿 真 如 图 5 所 示 。 主 要 包 括 三 个 方 面 ：（ 1） 复 杂 产 品 虚 拟 维 修 单 元 的 建 模 与 仿 真 。 虚 拟 维 修 单 元 的 建 模 和仿 真 基 于 数 字 孪 生 技 术 的 支 持 ， 通 过 对 维 修 过 程 中 的 要 素 （ 如 人 员 、

零 件 、 支 持 资 源 ） 进 行 建 模 和 仿 真 ， 以 实 现 低 成 本 和 高 效 率 的 维 修 任务 。 维 修 过 程 建 模 和 仿 真 包 括 实 物 制 造 厂 、 操 作 场 所 和 维 修 基 地 。 主要 要 素 包 括 维 护 任 务 请 求 、 维 护 计 划 、 运 行 和 维 护 调 度 、 维 护 执 行 和完 成 确 认 ， 以 及 不 同 阶 段 的 其 他 人 员 、 环 境 和 数 据 建 模 ， 并 通 过 这 些

要 素 的 不 同 行 为 建 立 这 些 要 素 之 间 的 相 互 行 为 关 系 ， 包 括 备 件 的 运 输 、各 种 人 员 活 动 、 各 种 车 间 的 操 作 以 及 不 同 零 件 的 维 护 活 动 。（ 2） 复 杂 产 品 虚 拟 维 修 单 元 仿 真 知 识 库 的 构 建 。 为 了 确 保 虚 拟 维 修单 元 能 够 真 实 反 映 实 体 维 修 单 元 的 零 件 维 修 、 人 员 活 动 和 任 务 分 配 ，构 建 了 复 杂 产 品 虚 拟 维 修 单 元 的 仿 真 知 识 库 。 仿 真 知 识 库 包 括 确 定 仿真 时 间 步 长 、 划 分 维 护 单 元 、 开 发 不 同 级 别 的 建 模 工 具 以 及 计 算 不 同维 护 单 元 的 维 护 成 本 。 建 立 了 能 够 真 实 描 述 复 杂 产 品 维 修 单 元 的 多 层结 构 ， 有 效 描 述 了 从 维 修 单 元 子 系 统 到 组 件 级 的 维 修 单 元 组 成 ， 形 成

了 复 杂 产 品 维 修 单 位 的 全 要 素 仿 真 知 识 库 。

（ 3） 复 杂 产 品 虚 拟 维 修 单 元 关 键 模 块 建 模 。 复 杂 产 品 虚 拟 维 修 单 元的 建 模 和 仿 真 过 程 不 仅 涉 及 人 员 、 环 境 、 材 料 、 核 心 设 备 和 辅 助 设 备 ，还 涉 及 设 备 、 人 员 和 环 境 等 多 要 素 的 复 杂 系 统 。 复 杂 产 品 虚 拟 维 修 单元 的 关 键 模 块 建 模 是 通 过 组 合 复 杂 产 品 虚 拟 维 护 单 元 系 统 动 态 模 型 ，对 零 件 的 整 个 维 修 过 程 进 行 分 析 和 仿 真 ， 揭 示 维 修 零 件 的 动 态 过 程 和维 修 状 态 的 演 化 规 律 ， 提 高 零 件 维 修 效 率 。 复 杂 产 品 虚 拟 维 护 单 元 关键 模 块 的 建 模 ， 包 括 所 需 维 护 部 件 的 几 何 数 据 转 换 和 建 模 、 关 键 部 件的 数 字 原 型 建 模 、 部 件 维 护 环 境 建 模 以 及 部 件 维 护 期 间 生 成 的 数 据 转换 和 模 型 ， 用 于 复 杂 产 品 维 护 性 能 分 析 的 程 序 和 可 视 化 仿 真 分 析 平 台 。

3.5 虚 拟 维 护 单 元 操 作 模 式在 虚 拟 维 护 单 元 完 成 建 模 和 仿 真 后 ， 通 过 对 虚 拟 维 护 单 元 中 维 护 活 动所 需 的 各 种 资 源 进 行 建 模 ， 可 以 准 确 、 动 态 地 评 估 和 验 证 复 杂 产 品 的维 护 过 程 ， 并 预 测 物 理 车 间 维 护 过 程 中 的 不 确 定 性 因 素 ， 并 通 过 虚 拟维 护 及 时 调 整 和 优 化 相 应 的 维 护 计 划 。 通 过 虚 拟 维 护 单 元 和 物 理 维 护单 元 的 并 行 操 作 ， 虚 拟 维 护 单 元 根 据 实 时 获 取 的 信 息 调 整 和 优 化 物 理空 间 ， 最 终 促 进 虚 拟 与 现 实 的 融 合 和 联 合 优 化 ， 以 确 保 复 杂 产 品 部 件维 护 的 正 常 运 行 （ 图 6） 。

虚 拟 维 护 单 元 实 施 的 服 务 主 要 是 预 测 、 管 理 和 控 制 物 理 维 护 空 间 中 的维 护 活 动 ， 并 优 化 维 护 过 程 。 虚 拟 维 修 单 元 中 的 主 要 建 模 对 象 包 括 拆

卸 生 产 线 模 型 、 清 洁 生 产 线 模 型 ， 检 查 生 产 线 模 型 和 维 修 零 件 模 型 以及 装 配 线 模 型 。 通 过 为 实 施 虚 拟 维 护 单 元 的 不 同 维 护 活 动 而 建 立 的 虚拟 模 型 ， 通 过 与 孪 生 平 台 的 数 据 信 息 交 互 ， 虚 拟 维 护 单 元 获 得 所 需 的维 护 部 件 和 历 史 维 护 计 划 。 虚 拟 维 护 单 元 首 先 执 行 虚 拟 拆 卸 ， 并 在 清洁 后 通 过 ， 完 成 零 件 最 小 维 护 单 元 的 识 别 。 其 次 ， 通 过 虚 拟 检 测 生 产线 ， 对 零 件 进 行 全 方 位 、 三 维 的 检 测 ， 获 得 零 件 所 需 的 维 护 特 征 。 然后 ， 在 虚 拟 单 元 中 调 用 数 据 平 台 中 的 维 护 知 识 库 ， 以 完 成 所 需 维 修 部件 的 虚 拟 维 修 ， 并 通 过 与 物 理 空 间 的 交 互 ， 判 断 是 否 可 以 根 据 相 应 的维 修 方 法 完 成 预 定 任 务 。 如 果 能 够 实 现 维 修 目 标 ， 则 将 按 照 相 应 的 维

修 计 划 完 成 维 修 。 否 则 ， 信 息 将 被 反 馈 到 孪 生 数 据 平 台 以 修 改 修 复 计划 ， 直 到 虚 拟 修 复 单 元 和 物 理 修 复 单 元 能 够 完 成 修 复 任 务 。 最 后 ， 通过 虚 拟 装 配 线 组 装 修 复 后 的 零 件 ， 以 确 保 复 杂 产 品 的 正 常 运 行 和 维 护 。4 基 于 数 字 孪 生 的 复 杂 产 品 制 造 与 运 维 一 体 化 关 键 技 术基 于 数 字 孪 生 的 复 杂 产 品 制 造 与 运 营 集 成 是 在 感 知 复 杂 产 品 制 造 和运 营 过 程 中 产 生 的 数 据 的 基 础 上 ， 借 助 历 史 数 据 和 实 时 数 据 ， 模 拟 、验 证 、 预 测 和 控 制 复 杂 产 品 的 制 造 与 运 营 过 程 ， 从 而 提 前 安 排 复 杂 产

品 的 制 造 和 运 营 计 划 ， 提 高 复 杂 产 品 的 生 产 和 运 营 效 率 。 因 此 ， 如 何全 面 感 知 数 据 、 复 杂 产 品 的 故 障 诊 断 ， 以 及 数 据 平 台 中 知 识 库 和 实 例库 的 构 建 就 显 得 尤 为 重 要 。

4.1 用 于 制 造 和 运 维 的 集 成 数 据 感 知 技 术全 面 感 知 制 造 和 运 维 数 据 是 实 现 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 一 体 化 的 首 要前 提 。 数 据 感 知 是 为 制 造 和 运 维 一 体 化 提 供 服 务 的 基 础 ， 也 是 实 现 运维 数 据 价 值 的 重 要 手 段 。 基 于 制 造 与 运 维 一 体 化 的 数 据 感 知 网 络 有 望实 现 复 杂 产 品 制 造 与 运 维 集 成 过 程 中 数 据 的 综 合 利 用 。 如 图 7 所 示 ，制 造 和 运 维 一 体 化 数 据 感 知 系 统 的 构 建 主 要 包 括 ： ① 产 品 制 造 、 运营 和 维 护 的 不 同 单 位 之 间 的 资 源 共 享 标 准 。 ② 利 用 复 杂 的 产 品 感 知设 备 和 传 感 器 布 局 以 及 在 线 监 测 技 术 ， 构 建 复 杂 的 产 品 突 发 异 常 感 知

网 络 。 ③ 为 具 有 多 个 异 构 数 据 的 复 杂 产 品 建 立 全 面 的 感 知 指 数 、 通用 技 术 和 标 准 体 系 。 ④ 结 构 化 和 非 结 构 化 数 据 的 降 维 处 理 和 存 储 。复 杂 产 品 的 集 成 数 据 感 知 架 构 具 有 以 下 5 个 基 本 特 征 ：（ 1） 在 各 种 产 品 的 制 造 过 程 和 操 作 维 护 过 程 中 ， 考 虑 不 同 地 方 的 数据 管 理 要 求 。（ 2） 有 效 管 理 产 品 动 态 状 态 数 据 。

（ 3） 有 效 管 理 传 感 器 网 络 的 实 时 观 测 数 据 。

（ 4） 支 持 维 护 和 制 造 过 程 的 实 时 动 态 模 拟 。（ 5） 有 效 地 建 立 各 种 产 品 、 对 象 、 状 态 、 时 间 、 过 程 和 其 他 要 素 的相 互 关 系 。

操 作 模 式制 造 和 运 维 一 体 化 感 知 一 体 化 数 据 充 分 利 用 一 体 化 感 知 架 构 ， 获 取 复杂 产 品 制 造 和 运 维 过 程 中 产 生 的 实 时 数 据 ， 及 时 、 全 面 、 准 确 地 提 取

制 造 和 运 维 流 程 中 的 动 态 变 化 ， 使 数 据 成 为 产 品 制 造 到 运 维 过 程 中 的驱 动 力 ， 为 复 杂 产 品 的 制 造 和 运 维 一 体 化 提 供 数 据 基 础 。 基 于 数 字 孪生 的 全 面 数 据 感 知 ， 以 及 在 复 杂 产 品 的 制 造 、 操 作 和 维 护 阶 段 不 间 断地 感 知 数 据 信 息 ， 以 确 保 在 复 杂 产 品 制 造 、 操 作 与 维 护 过 程 中 生 成 的数 据 和 信 息 被 充 分 感 知 而 无 遗 漏 。 通 过 数 字 孪 生 技 术 ， 复 杂 的 产 品 制造 、 操 作 和 维 护 过 程 以 及 相 关 设 备 完 全 反 映 在 虚 拟 世 界 中 ， 实 时 感 知制 造 、 操 作 、 维 护 过 程 的 状 态 ， 以 及 决 策 和 基 于 感 知 数 据 在 虚 拟 世 界中 进 行 优 化 ， 然 后 通 过 感 知 系 统 反 馈 到 物 理 世 界 ， 与 物 理 世 界 形 成 互动 和 协 调 发 展 。

4.2 基 于 数 字 孪 生 的 零 件 失 效 预 测 技 术故 障 预 测 是 确 保 复 杂 产 品 安 全 可 靠 运 行 的 主 要 科 学 手 段 ， 也 是 制 造 与运 维 一 体 化 模 式 的 前 提 。 通 过 零 件 的 故 障 预 测 ， 可 以 及 时 、 准 确 、 可靠 地 识 别 复 杂 产 品 和 设 备 的 运 行 状 态 。 数 据 平 台 可 以 将 预 测 信 息 提 前

传 递 给 制 造 厂 ， 使 制 造 厂 能 够 及 时 调 整 生 产 计 划 和 维 护 计 划 ， 为 制 造和 运 维 做 出 更 好 的 规 划 和 决 策 。在 复 杂 产 品 的 运 行 和 维 护 过 程 中 ， 部 件 的 故 障 预 测 与 维 护 计 划 的 制 定相 互 影 响 、 相 互 制 约 ， 是 维 护 计 划 决 策 的 重 要 制 约 因 素 之 一 。 复 杂 产品 的 故 障 预 测 基 于 产 品 部 件 的 状 态 检 测 和 故 障 诊 断 ， 通 过 对 历 史 数 据和 在 线 监 测 数 据 的 统 计 分 析 ， 并 使 用 模 型 进 行 故 障 预 测 。 故 障 预 测 是复 杂 产 品 日 常 运 行 、 维 护 和 应 急 处 理 的 重 要 保 障 ， 也 是 确 保 复 杂 产 品维 修 方 案 可 靠 性 和 合 理 性 的 重 要 因 素 。 因 此 ， 如 何 有 效 预 测 故 障 是 复

杂 产 品 制 造 与 运 维 一 体 化 过 程 中 的 难 点 。 在 本 文 中 ， 基 于 数 字 孪 生 故障 预 测 （ 图 8） ， 通 过 故 障 部 件 的 识 别 ， 在 虚 拟 空 间 中 对 故 障 进 行 分解 、 推 理 和 分 析 ， 并 联 合 优 化 预 测 结 果 和 备 件 库 存 ， 以 实 现 准 确 的 故障 预 测 ， 确 保 维 修 期 间 备 件 的 及 时 供 应 。传 统 的 零 件 故 障 诊 断 通 过 算 法 收 集 受 损 零 件 的 运 行 状 态 信 息 并 提 取特 征 ， 从 而 分 析 零 件 的 健 康 状 况 并 预 测 零 件 的 损 坏 。 基 于 数 字 孪 生 的零 件 故 障 预 测 可 以 通 过 高 保 真 建 模 、 实 时 监 控 和 模 拟 虚 拟 世 界 中 复 杂产 品 的 运 行 状 态 以 及 实 时 虚 拟 零 件 和 相 应 的 零 件 模 型 ， 实 现 物 理 世 界

和 虚 拟 世 界 的 实 时 同 步 。 指 令 和 信 息 的 交 互 、 同 步 ， 提 前 判 断 零 件 的运 行 状 态 ， 不 再 依 赖 维 护 人 员 的 经 验 来 判 断 和 充 分 利 用 零 件 运 行 的 历史 数 据 和 实 时 数 据 ， 完 成 复 杂 产 品 零 件 的 故 障 预 测 。

基 于 数 字 孪 生 的 零 件 故 障 预 测 模 型 ， 首 先 实 现 了 物 理 空 间 中 故 障 数 据的 感 知 ， 包 括 历 史 产 品 运 行 数 据 和 实 时 监 测 数 据 。 其 次 ， 在 虚 拟 空 间中 建 立 了 故 障 零 件 的 仿 真 模 型 ， 进 行 了 故 障 状 态 分 解 、 故 障 模 式 推 理和 故 障 原 因 分 析 。 然 后 ， 建 立 相 应 的 失 效 预 测 模 型 ， 以 预 测 未 来 失 效零 件 可 能 发 生 的 次 数 。 最 后 ， 根 据 预 测 结 果 ， 制 定 维 修 计 划 以 及 库 存计 划 和 调 度 ， 将 复 杂 产 品 维 修 与 备 件 库 存 需 求 优 化 的 多 目 标 联 合 虚 拟优 化 相 结 合 ， 并 将 优 化 结 果 反 馈 到 物 理 空 间 ， 以 实 现 基 于 数 字 孪 生 的精 确 故 障 预 测 。 故 障 预 测 系 统 的 框 架 可 以 根 据 虚 拟 环 境 中 零 件 的 历 史故 障 数 据 ， 提 前 演 化 、 评 估 和 预 测 零 件 的 未 来 故 障 状 态 ， 从 而 及 时 调

度 零 件 库 存 ， 以 满 足 复 杂 产 品 的 正 常 运 行 和 维 护 。

4.3 制 造 、 操 作 和 维 护 集 成 知 识 库 和 案 例 库

施 工 技 术在 复 杂 产 品 的 制 造 、 操 作 和 维 护 过 程 中 使 用 的 知 识 具 有 多 样 性 、 复 杂性 和 模 糊 性 的 特 点 。 知 识 库 /案 例 库 的 建 立 在 产 品 的 维 护 和 制 造 中 起着 重 要 作 用 。 通 过 知 识 库 /案 例 数 据 库 的 建 立 ， 运 维 人 员 可 以 第 一 时间 准 确 判 断 和 处 理 产 品 运 行 系 统 的 故 障 和 隐 患 。 知 识 库 /案 例 库 的 构建 是 一 个 非 常 复 杂 的 动 态 、 多 变 量 、 非 线 性 和 大 量 数 据 。 借 助 数 字 孪生 技 术 ， 构 建 知 识 库 /案 例 库 （ 图 9） ， 并 使 知 识 库 /用 例 库 在 虚 拟 空间 和 物 理 空 间 中 发 挥 作 用 。 知 识 库 /案 例 库 可 以 迭 代 更 新 并 及 时 优 化 ，

为 复 杂 产 品 的 制 造 和 运 维 集 成 提 供 更 好 的 服 务 。基 于 数 字 孪 生 的 知 识 库 /案 例 库 建 设 分 为 数 据 收 集 与 评 估 、 数 据 模 型与 分 类 、 数 据 存 储 与 发 布 、 数 据 计 算 、 数 据 共 享 与 应 用 、 知 识 库 /用例 库 虚 拟 实 现 六 个 层 次 。 将 数 字 孪 生 技 术 引 入 知 识 库 /案 例 库 的 构 建中 。 通 过 构 建 制 造 和 运 维 环 节 中 的 物 理 实 体 和 镜 像 实 体 ， 完 成 实 时 迭代 优 化 ， 以 完 成 数 据 平 台 中 知 识 库 /案 例 库 的 实 时 升 级 ， 知 识 库 /示 例库 被 标 准 化 ， 以 确 保 复 杂 产 品 制 造 和 操 作 维 护 集 成 过 程 中 的 数 据 一 致性 。

用 于 建 立 知 识 库 /数 据 库 的 数 据 来 自 产 品 操 作 场 所 、 维 护 中 心 、 制 造工 厂 和 孪 生 系 统 的 虚 拟 空 间 生 成 的 模 拟 数 据 。 这 些 数 据 包 括 日 常 维 护 、故 障 维 护 、 维 修 记 录 、 异 常 报 告 、 搜 索 历 史 记 录 和 其 他 数 据 。 在 数 据

平 台 中 ， 借 助 存 储 的 数 据 进 行 本 体 推 理 、 规 则 推 理 、 相 似 度 计 算 、 不一 致 性 检 查 等 数 据 计 算 方 法 ， 实 现 数 据 共 享 和 应 用 。 知 识 库 /案 例 数据 库 由 专 家 系 统 、 可 视 化 分 析 、 推 荐 系 统 、 历 史 搜 索 等 模 块 组 成模 块 。 构 建 的 知 识 库 /案 例 库 用 于 虚 拟 空 间 中 的 计 划 决 策 、 故 障 诊 断 、故 障 预 测 、 库 存 预 测 和 计 划 预 测 。 通 过 知 识 库 /案 例 数 据 库 的 迭 代 更新 ， 它 为 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 的 集 成 提 供 了 所 需 的 知 识 和 信 息 ， 并 加速 了 制 造 和 集 成 的 快 速 集 成 。

5 应 用 案 例以 某 型 电 力 动 车 组 关 键 部 件 转 向 架 系 统 为 例 ， 验 证 了 本 文 提 出 的 基 于数 字 孪 生 的 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 一 体 化 框 架 模 型 。 列 车 组 转 向 架 系 统关 键 部 件 在 一 段 时 间 内 的 故 障 次 数 ， 然 后 通 过 故 障 预 测 将 所 需 的 备 件

信 息 发 布 到 各 维 修 单 位 的 仓 库 ， 并 调 整 备 件 的 存 储 计 划 。 根 据 转 向 架故 障 次 数 的 统 计 ， 部 件 碰 撞 、 设 备 漏 油 、 轮 对 系 统 故 障 和 制 动 装 置 故障 是 主 要 因 素 。5.1 动 车 组 转 向 架 故 障 数 据 统 计转 向 架 系 统 是 电 力 动 车 组 系 统 的 关 键 部 件 。 在 维 修 过 程 中 ， 维 修 结 果的 质 量 与 动 车 组 的 运 行 维 护 计 划 密 切 相 关 。 不 同 的 维 护 地 点 也 会 影 响动 车 组 的 运 行 和 维 护 计 划 。 如 表 1 所 示 ， 列 出 了 动 车 组 转 向 架 运 行 过

程 中 36 个 关 键 部 件 的 故 障 数 量 和 故 障 类 型 。5.2 动 车 组 转 向 架 故 障 预 测故 障 预 测 是 分 析 故 障 原 因 的 重 要 保 证 。 同 时 ， 它 还 为 动 车 组 制 造 过 程提 供 了 必 要 的 备 件 数 据 ， 以 便 制 造 商 更 好 地 安 排 零 部 件 生 产 计 划 。 在动 车 组 的 设 计 和 生 产 过 程 中 ， 为 确 保 动 车 组 的 整 体 运 行 性 能 ， 应 综 合考 虑 动 车 组 各 系 统 中 的 潜 在 故 障 因 素 ， 并 根 据 数 据 制 定 有 针 对 性 的 预防 措 施 ， 将 故 障 控 制 在 可 控 范 围 内 。 本 文 采 用 灰 色 系 统 预 测 方 法 预 测

1 年 内 的 故 障 数 量 。 这 种 预 测 方 法 的 优 点 是 ： 通 过 一 系 列 数 据 生 成 方法 ， 完 全 不 规 则 和 无 序 的 原 始 数 据 变 得 有 规 律 ， 目 前 已 在 许 多 领 域 使用 。



表 1 和 表 2 的 分 析 表 明 ， 动 车 组 转 向 架 的 齿 轮 箱 部 件 故 障 最 频 繁 。 在不 同 的 故 障 模 式 下 共 发 生 了 20 次 故 障 ， 预 测 结 果 为 18 次 。 从 数 据 中可 以 看 出 ， 变 速 箱 部 件 在 运 行 过 程 中 对 动 车 组 的 正 常 运 行 有 很 大 的 影响 。 因 此 ， 有 必 要 在 动 车 组 运 行 期 间 重 点 关 注 齿 轮 箱 的 操 作 。 根 据 预测 结 果 ， 变 速 箱 颠 簸 了 两 次 ， 大 齿 轮 的 齿 轮 表 面 剥 落 了 三 次 ， 变 速 箱的 磁 性 螺 栓 出 现 了 两 次 故 障 ， 其 余 的 六 次 。 其 中 ， 齿 轮 箱 壳 体 、 大 型齿 轮 和 齿 轮 箱 磁 性 螺 栓 在 发 生 故 障 时 需 要 维 修 或 更 换 。 为 确 保 动 车 组在 下 一 阶 段 的 正 常 运 行 ， 提 前 制 定 了 变 速 箱 部 件 的 维 修 方 案 。

5.3 齿 轮 箱 部 件 故 障 处 理 操 作 机 构基 于 数 字 孪 生 的 动 车 组 转 向 架 故 障 处 理 的 运 行 机 制 如 图 10 所 示 。 在数 据 平 台 中 ， 根 据 转 向 架 的 历 史 故 障 数 据 进 行 故 障 预 测 。 根 据 预 测 结果 ， 在 操 作 现 场 、 维 修 基 地 和 制 造 厂 ， 结 合 齿 轮 箱 壳 体 、 大 型 齿 轮 和齿 轮 箱 磁 性 的 库 存 ， 对 故 障 进 行 了 处 理 。（ 1） 数 据 平 台 为 虚 拟 仿 真 空 间 提 供 动 车 组 转 向 架 预 测 结 果 、 知 识 库 、案 例 库 和 其 他 数 据 维 护 。 虚 拟 空 间 收 到 动 车 组 转 向 架 的 维 护 数 据 后 ，

制 定 初 步 维 护 计 划 。 然 后 ， 它 调 用 维 护 知 识 库 以 及 维 护 时 间 、 维 护 成本 、 维 护 路 线 和 其 他 因 素 来 确 定 最 佳 维 护 计 划 。 最 后 ， 将 最 佳 维 护 计划 发 送 给 相 应 的 维 护 单 元 进 行 维 护 。

（ 2） 根 据 最 佳 维 修 计 划 ， 如 果 需 要 在 操 作 现 场 或 维 修 基 地 处 理 故 障 ，首 先 检 查 操 作 现 场 和 维 修 基 地 的 齿 轮 箱 壳 体 、 大 型 齿 轮 和 齿 轮 箱 磁 性螺 栓 零 件 的 库 存 是 否 能 够 满 足 维 修 需 求 。 如 果 库 存 能 够 满 足 维 护 需 求 ，则 可 以 在 虚 拟 空 间 中 进 行 模 拟 维 护 。 如 果 库 存 不 能 满 足 维 护 需 求 ， 将向 制 造 商 发 送 齿 轮 箱 壳 体 、 大 型 齿 轮 和 齿 轮 箱 磁 性 螺 栓 零 件 的 信 息 ，以 便 制 造 商 尽 快 安 排 补 货 。 如 果 齿 轮 箱 壳 体 、 大 齿 轮 或 齿 轮 箱 磁 性 螺栓 需 要 返 回 工 厂 维 修 ， 则 会 将 相 应 的 零 件 维 护 信 息 发 送 给 制 造 商 。（ 3） 制 造 商 根 据 收 到 的 零 件 需 求 信 息 检 查 制 造 商 的 库 存 。 如 果 制 造

商 的 齿 轮 箱 壳 体 、 大 型 齿 轮 和 齿 轮 箱 磁 性 螺 栓 库 存 能 够 满 足 运 维 现 场和 维 护 基 地 的 要 求 ， 则 应 制 定 相 应 的 库 存 调 度 计 划 和 维 护 计 划 。 如 果库 存 不 能 满 足 操 作 和 维 护 要 求 ， 将 所 需 的 零 件 信 息 转 换 为 插 入 订 单 信息 ， 在 生 产 计 划 系 统 中 执 行 初 步 生 产 调 度 ， 形 成 初 步 生 产 计 划 ， 并 将其 发 送 到 虚 拟 制 造 车 间 进 行 模 拟 和 仿 真 。 根 据 模 拟 结 果 ， 修 改 初 步 生产 计 划 ， 直 到 形 成 最 佳 生 产 计 划 。 当 制 定 的 生 产 计 划 能 够 满 足 齿 轮 箱壳 体 、 大 型 齿 轮 和 齿 轮 箱 磁 性 螺 栓 的 操 作 和 维 护 要 求 时 ， 实 体 制 造 厂根 据 虚 拟 制 造 厂 制 定 的 生 产 方 案 实 施 生 产 ， 以 确 保 操 作 现 场 和 维 护 基地 的 零 件 库 存 要 求 。

（ 4） 在 齿 轮 箱 部 件 故 障 处 理 过 程 中 生 成 的 最 佳 维 护 计 划 、 生 产 计 划 、库 存 调 整 计 划 、 物 理 空 间 维 护 计 划 和 其 他 数 据 被 输 入 数 据 平 台 。 在 接收 到 这 些 数 据 后 ， 数 据 平 台 更 新 知 识 库 和 实 例 数 据 库 ， 以 提 供 相 同 故

障 的 处 理 机 制 。 通 过 变 速 箱 部 件 的 故 障 预 测 、 库 存 规 划 和 调 度 以 及 维护 计 划 实 施 ， 验 证 了 本 文 提 出 的 基 于 数 字 孪 生 的 复 杂 产 品 制 造 和 运 维集 成 框 架 模 型 。 这 确 保 了 复 杂 产 品 制 造 工 厂 与 操 作 和 维 护 之 间 的 信 息共 享 。6 总 结 和 预 测复 杂 产 品 制 造 与 运 维 的 深 度 融 合 是 智 能 制 造 的 关 键 。 因 此 ， 复 杂 产 品制 造 与 运 维 一 体 化 已 成 为 复 杂 产 品 降 低 运 维 成 本 、 确 保 安 全 运 行 的 重

要 决 策 依 据 。 传 统 的 制 造 和 运 维 自 主 研 究 没 有 形 成 良 好 的 闭 环 系 统 ，制 造 和 运 维 产 生 的 大 量 有 价 值 信 息 的 动 态 反 馈 能 力 不 足 ， 已 经 不 能 满足 复 杂 产 品 运 维 信 息 复 杂 性 的 要 求 。 目 前 ， 数 字 孪 生 的 理 论 研 究 和 应用 尚 处 于 起 步 阶 段 ， 一 些 关 键 技 术 有 待 突 破 。 然 而 ， 随 着 信 息 技 术 的发 展 ， 数 字 孪 生 技 术 的 实 现 将 具 有 更 大 的 应 用 和 发 展 前 景 。 在 分 析 了研 究 学 者 对 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 集 成 的 研 究 现 状 以 及 数 字 孪 生 技 术的 发 展 现 状 后 ， 本 文 提 出 了 一 种 基 于 数 字 孪 生 的 制 造 和 运 营 集 成 框 架 ，为 未 来 复 杂 产 品 制 造 和 运 营 维 护 集 成 的 发 展 提 供 了 一 种 新 的 数 字 模型 。 基 于 数 字 孪 生 的 复 杂 产 品 运 维 和 制 造 集 成 通 过 运 维 系 统 、 虚 拟 维

护 、 制 造 车 间 、 物 理 维 护 和 数 据 平 台 五 个 模 块 构 成 了 一 个 整 体 框 架 。运 维 系 统 为 集 成 框 架 提 供 复 杂 产 品 的 异 常 运 行 数 据 。 复 杂 产 品 的 运 行数 据 通 过 数 字 孪 生 平 台 反 馈 到 制 造 车 间 。 制 造 车 间 可 以 及 时 调 整 生 产计 划 ， 以 满 足 制 造 商 的 生 产 任 务 。 制 造 车 间 的 数 据 通 过 数 字 孪 生 平 台

反 馈 到 运 维 系 统 ， 为 复 杂 产 品 的 运 维 过 程 提 供 详 细 的 数 据 支 持 。 复 杂产 品 的 制 造 、 操 作 和 维 护 是 一 体 化 的 。 首 先 ， 对 物 理 制 造 车 间 、 维 修车 间 和 复 杂 产 品 进 行 虚 拟 建 模 ， 以 完 成 数 字 孪 生 系 统 虚 拟 空 间 的 建 模 。其 次 ， 完 成 数 据 平 台 建 设 。 在 数 据 平 台 中 ， 存 储 了 从 操 作 和 维 护 系 统 、虚 拟 维 护 单 元 、 物 理 维 护 单 元 和 制 造 车 间 收 集 的 各 种 数 据 。 数 据 平 台还 包 括 复 杂 产 品 制 造 和 操 作 维 护 集 成 过 程 中 所 需 的 知 识 库 和 案 例 数据 库 数 据 。 最 后 ， 在 虚 拟 空 间 和 物 理 空 间 交 互 和 迭 代 优 化 的 驱 动 下 ，完 成 了 复 杂 产 品 制 造 和 运 维 的 集 成 。 通 过 将 数 字 孪 生 技 术 引 入 复 杂 产品 的 制 造 与 运 维 一 体 化 ， 实 现 了 制 造 与 运 维 的 深 度 融 合 ， 希 望 能 够 为

未 来 复 杂 产 品 的 创 新 制 造 和 运 维 的 进 一 步 应 用 提 供 新 的 视 角 。