在复杂环境中的工程产品族设计和优化是当今面向智能制造的工业转型的主要瓶颈。数字孪生（DT）作为网络物理系统（CPS）的核心部分，可以通过远程监测和控制、高保真度的仿真和数据驱动的方式来进行决策，从而增强工程产品全生命周期管理。尽管许多研究已经证明DT可以高度满足行业需求，但少有具备情境感知的产品族设计和优化功能的研究，这可能导致很多企业对DT的使用持怀疑态度。为了填补这一空白，本研究开发了一种通用的DT架构参考模型，以经济高效的方式实现情境感知的产品族设计优化过程，并以一个在动态环境中的产品族重新配置为特征的案例研究，证明了所开发的参考模型在情境感知中的决策辅助能力。作者希望这项研究，能够为学术界和工业界在改善工程产品族管理流程上提供有价值的见解。
复杂的产品族设计和优化一直是当今大规模定制范例中的主要挑战。从现有文献中发现，当前的研究将产品族的设计和优化视为工程生命周期中的两个独立问题。在设计过程初期就启动的常规产品族设计方法具有现有的逐步映射过程，以得出最终的设计解决方案，但没有任何现有的基准测试工具或图形信息以用户友好和情境感知的方式协助设计人员 。尽管DT作为一种主流技术可以促进PLM方面的发展，尤其是在设计和使用阶段，但几乎没有以整体的方式对产品族的设计和优化进行补充，并辅以真实案例的研究。
为了实现这些目标，本研究提出了几种新颖的方法。首先通过参照和交互机制，利用环境信息来建立情境感知的DT系统，以加快设计过程。在设计阶段，参照机制使设计人员能够以用户友好的方式更好地设计虚拟/数字模型，而交互机制则代表了更高级别的设计过程，其环境信息可帮助设计人员考虑产品/服务在生态系统的表现。通过基于项目约束（例如资源可用性，持续时间和成本）为产品族配置提供决策支持，这种方法减少了对第三方专家的依赖，而启用3D的环境可以在充分的维度考量下有效地规划产品族安装。在使用阶段，使用情境感知的DT系统有助于以更高的准确性进行产品族流的进一步评估，从而生成可行的解决方案。这些数据驱动的解决方案使操作员能够预先计划和可视化产品族运营，并纠正安全监督措施，以防止发生事故。此外，这些属性使DT驱动的产品族能够在动态环境中以最少的人工监督来自动执行人力相关任务。
本文介绍了DT技术驱动的产品族设计及优化通用体系结构，以实现具有情境感知功能的系统构建。该系统遵循 “数据-信息-知识-智慧（DIKW）”的方法，并阐述了DT增强的塔式起重机可视化设计及参数优化的应用。通过集成数字化模型，表达模型和计算模型，通过分层方法确保了DT系统可以保持灵活性，并可进行配置以满足利益相关者的要求。利用知识图来实现情境感知的生成，可以将DT系统复制并重新应用于管理相关的项目，同时生成的知识可以为设计下一代产品提供了必要的信息。
图1 基于产品族DT及环境DT的设计和优化概念框架
图2 DT增强的产品族设计参照机制和交互机制
图3 DT赋能的产品族自重构和优化再设计机制
图4 DT三模型（数字、计算、表示）的构建框架
图5塔吊设备产品族数字化模型和环境数字化模型示例
图6基于DT的塔吊设备旋转机构的参数优化系统示例
