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DIGITAL TWIN
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文章信息
论文“Reference architecture for digital twin-based predictive maintenance systems”于2023年3月发表于《Computers & Industrial Engineering》期刊，这篇文章由Raymon van Dinter, Bedir Tekinerdogan, Cagatay Catal共同完成。
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cie.2023.109099
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360835223001237
引用本文：
Raymon van Dinter, Bedir Tekinerdogan, Cagatay Catal. Reference architecture for digital twin-based predictive maintenance systems,Computers & Industrial Engineering,Volume 177,2023,109099,ISSN 0360-8352, https://doi.org/10.1016/j.cie.2023.109099.
文章阅读
Reference architecture for digital twin-based predictive maintenance systems
Raymon van Dinter a b, Bedir Tekinerdogan b, Cagatay Catal c
a Sioux Technologies, Apeldoorn, the Netherlands
b Information Technology Group, Wageningen University & Research, Wageningen, the Netherlands
c Department of Computer Science and Engineering, Qatar University, Doha, Qatar
Abstract
Context
Digital Twin-based predictive maintenance systems are frequently integrated into complex systems. The success of the integration depends on the design of the system. A Reference Architecture can be used as a blueprint to design Application Architectures rapidly and consistently for various application domains, resulting in a reduced time-to-market.
Objective
The main objective of this study is to develop and evaluate a Reference Architecture designed using renowned software architecture methods.
Method
A domain analysis was performed to gather and synthesize the literature on Digital Twin-based predictive maintenance systems, which we used to model the key features. We applied UML diagrams to design the reference architecture based on the feature model. We evaluated the reference architecture using three case studies.
Results
We derived three views for Digital Twin-based predictive maintenance systems. For the user's view, we developed a context diagram. We developed a package diagram for the structural view, and we designed a layered view to show the system's decomposition in layers. We designed an Application Architecture for each case study based on the study's features using each Reference Architecture view. Additionally, we designed a deployment view to describe the hardware and software and its environment.
Conclusion
We demonstrated that the methods of creating a Reference Architecture could be used in the Digital Twin-based predictive maintenance domain and showed how an Application Architecture could be designed in this context.
Keynote
Reference architecture, Design, System architecture, Framework, Digital twin, Predictive maintenance
关键词
参考架构，系统架构，框架，数字孪生，预测性维护
Fig. 4. Data Flow Diagram Level-0 for a DT-based PdM system RA.
Fig. 5. Package diagram of the DT-based PdM system RA.
研究背景
工业革命以来：机器在所有领域中的使用日益增加，提高了产品性能、效率和质量的一致性。然而，机器状况极大地影响依赖机器的商业模式。传统的维修方法（事后维修或定期维护）存在一些缺点，如无法最小化故障风险、无法最优化使用稀缺的系统维护工程师资源，以及可能浪费自然资源。
预测性维护（PdM）： 是一种利用传感器装备的机器的运行至故障数据集来确定设备健康状况的方法，如剩余使用寿命（RUL）、特定健康指标或异常检测。
数字孪生（DT）：是基于物理、数据、规则、行为或几何的高保真数字模型，能够获取设备运行期间的传感器数据并存储历史运行数据以供进一步分析。
研究方法
领域分析： 通过系统文献回顾（SLR）来收集和综合关于基于数字孪生的预测性维护系统的文献，以支持参考架构（RA）的设计。
案例研究： 通过三个应用案例来验证RA的设计，包括纽荷兰拖拉机传动系统、半导体晶圆制造和电光成像系统。
实验设计
领域分析： 通过SLR来确定基于数字孪生的预测性维护系统的现有参考架构。
案例研究选择：选择三个不同应用领域的案例研究，以确保数据三角化和观察者三角化。
结果分析
领域分析： 通过SLR确定了42篇高质量文章，形成了参考架构设计的证据基础。
案例研究验证： 通过三个案例研究验证了RA的有效性，包括纽荷兰拖拉机、半导体晶圆制造和电光成像系统的应用架构设计。
研究结论
研究贡献： 本研究为基于数字孪生的预测性维护系统开发并验证了一个参考架构，展示了如何在这一领域设计应用架构。
理论贡献： 通过系统文献回顾方法，为数字孪生预测性维护系统的参考架构开发增加了新的组成部分。
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