基于數字化孿生技術的設備健康狀態管理研究

戴敏，張偉，沈克劍，胡永芳

（南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039）

1 數字化孿生技術在信息技術與制造業的融合概況

信息技術與制造業的融合與應用促進了制造業的變革，為應對這場變革，世界各國紛紛提出先進的制造發展戰略，以促進本國制造業的轉型升級，如“美國工業互聯網”“德國工業4.0”“中國制造2025”等，這些舉措的目的都是借助信息技術，實現制造的物理世界和信息世界的互聯互通與智能化操作，進而實現智能制造。作為實現物理信息系統融合的關鍵技術之一，數字化孿生技術近年來得到深入研究。

數字化孿生（Digital Twin,DT）的概念最早誕生于2003年，是由美國密歇根大學的Grieves 在講授產品全生命周期管理課程時提出的。數字化孿生技術是指用數字技術描述和建模一個與物理實體的特性、行為和性能一致的過程或方法，它是實現物理空間與信息空間，如Gartner 公司將數字化孿生列為十大戰略科技發展趨勢之一；洛克希德·馬丁公司將數字化孿生列為未來國防和航空工業十大頂尖技術之首；特別是Rosen 等探索了一種產品全生命周期管理方法，該方法通過系統集成對產品物理模型、虛擬模型和工程數據進行管理，從而使與產品相關的數據在其全生命周期的各個階段都能充分使用，并使數字化孿生技術在建模、仿真和優化技術有了重大進展。因此，基于數字化孿生技術的發源及應用趨勢，數字化孿生在產品設計和生產制造中的綜合參考模型，車間作為制造執行的基礎，是實踐智能制造的重要應用場景。

2 數字化孿生技術設備健康狀態管理的提出

隨著智能制造在國有大中型企業的不斷推進，生產數字化已經大規模運用到現代化的生產節奏和模式中，企業的設備管理系統的建設也在不斷地完善和提升，交互與融合的有效途徑隨著智能制造在國有大中型企業的不斷推進，生產數字化已經大規模運用到現代化的生產節奏和模式中，企業的設備管理系統的建設也不斷地完善和提升，但目前設備的健康管理受到企業管理系統中的運行和實施過程中各項條件和因素的制約，本文基于設備健康管理急需進行一套系統的新管理創模式來引導和實施高密度的數字化生產，因此，提出了數字化孿生技術的設備健康狀態管理。

3 數字化孿生技術設備健康狀態管理內涵和主要做法

3.1 頂層規劃融合數字化智能制造，建立健全數字化孿生技術的設備健康管理發展

數字化孿生車間(Digital Twin Workshop,DTW)是在新一代信息技術和制造技術驅動下，通過物理車間與虛擬車間的雙向真實映射與實時交互，實現物理車間、虛擬車間、車間服務系統的全要素、全流程、全業務數據的集成和融合，在車間孿生數據的驅動下，實現車間生產要素管理、生產活動計劃、生產過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務系統間的迭代運行，從而在滿足特定目標和約束的前提下，達到車間生產和管控最優的一種車間運行新模式。具體如圖1。

圖1 數字化孿生車間

圖2 數字化孿生技術設備健康發展最新情況

基于數字化孿生車間的理念，數字化孿生技術的設備健康狀態也是依據此工作模式進行頂層的設計。依據數字化孿生技術的設備特點，在結合智能制造的新工業工作生產模式，可將設備的數字化孿生設備健康管理的流程歸結如圖2 所示的四個階段。

將數字化孿生的設備健康管理，分為4 個階段：

第1 階段：車間的設備生產管控僅限于物理實體空間，這個階段的生產要素、生產計劃及生產控制主要以人為操作管理為主，設備作為生產工具。

第2 階段：隨著計算機信息技術的應用，設備信息空間誕生，使得車間的生產設備管控步入計算機輔助階段，各種企業資源管理系統、產品數據管理系統等得以使用，生產計劃的下發、人員設備物料等生產要素的管理、生產活動的監控等方面基本實現了信息化，但此階段車間物理空間與信息空間缺少交互與融合，設備依然作為生產工具。

第3 階段：隨著以無線射頻識別（Radio Frequency Identification,RFID）、條形碼、二維碼等為代表的物聯網技術以及大數據、云制造等技術的發展，車間中的設備的物理空間與信息空間開始交互與融合，人員、設備、物料等信息實現了實時采集并動態跟蹤，生產活動的預測性及對車間不確定性生產擾動的處理能力得以增強，車間的設備生產管控由單點管理逐步發展到集成管理、協同管理和智能管理，這時，設備已經作為管理要素的重要部分，逐漸體現其網絡和數據特性，其活躍度和關注度得到了持續的提升。

第4 階段：將數字化孿生技術應用到智能制造廠房中，徹底實現模擬工作狀態顯示和實物設備之間的有效通信，從而為智能制造生產提供可靠的保障，這時，設備就融合到智能制造中成為一個有機整體，產生其遠超于其本質生產的特性，為生產提供數據生產保證。

3.2 建立設備管理全生命周期電子網絡化平臺，實現設備三維建模孿生技術管理系統

建立全生命周期的綜合保障信息平臺建設，涵蓋設備的自主研制或采購及使用維護全生命期階段，包括保障性分析、預測與健康管理、交互式電子技術手冊、設備維修服務與保障系統（如圖3）。

圖3 設備一體化信息化平臺架構圖

數字化孿生技術的設備的健康管理在廠房內首先是要進入六性設計階段，借助六性協同設計平臺(IDS)，按“計劃—流程—任務”一體化的理念通過六性工作項目與功能設計項目的業務集成、方法集成、工具集成和知識集成，保證六性設計的過程是規范、可控與正確的。通過綜合保障分析（LSA）形成設備保障方案、維修程序、保障資源等綜合分析。為提升數字化孿生設備的自主保障能力，在六性設計階段同步開展健康管理開發系統（PHM）設計，以實現設備使用和維護時發揮出自主保障能力的效果。設備使用后，通過虛擬的PHM 系統實時監控裝備的狀態，并進行健康評估、故障隔離和性能預測。前端研制階段通過與產品研發平臺（PDS）系統進行BOM 信息的傳遞，實現數字化孿生技術的設備保障設計一體化；后端使用階段通過故障案例向前端設計的閉環迭代，實現裝備設計的持續優化。

在服務保障階段，通過數字化孿生技術的設備服務與維修保障系統（MRO）對所有數字化孿生技術的設備技術狀態、維修任務（包括計劃修理、預防性維修、應急維修、任務保障、返修件、日常巡檢等任務和維修資源等進行全過程、全要素管理，通過企業資源管理系統（ERP）進行保障資源的調配和任務的計劃管控；借助質量管理系統（QMS）對數字化孿生技術的設備使用和維護中的所有故障進行FRACAS 閉環處理，并將處理結果借助知識管理系統推送至六性一體化設計系統，以實現數字化孿生技術的設備質量的持續優化。

通過三維建模，將生產車間內設備的三維建模與重要參數對應，依據模型仿真適當優化車間（生產線）布局。通過數字化孿生技術的設備的健康管理設備數據庫信息：（1）包括維修維保履歷、設備利用率、設備拋料率、生產線漫游、設備當前狀態、關鍵配件壽命等；（2）環境監控：包括溫度、濕度、噪音等環境狀態；（3）視頻監控：對關鍵設備單元的加工過程可進行實景視頻監控，對異常狀態進行預警；（4）車間巡檢：在數字化環境下進行第一人稱視角的車間巡檢，實現對車間設備狀態的實時感知（如圖4～6）。

圖4 三維建模車間

圖5 三維建模車間內實體設備選圖

圖6 三維建模后車間內實體設備放置圖

4 應用孿生技術設備系統環境監控實現綠色環保穩定生產

相對原先車間人工進行記錄能耗、環境監控數據，出現問題時，一般溫濕度已經超標嚴重，發現較晚，通知相關部門人員到問題解決周期時間較長，對生產會產生一定的影響。

通過增加溫濕度感知裝置、設備電表聯網、建立網絡數據庫，實現對能耗、環境實時監控，并展示發布。同時根據針對各個分點位實際情況，設定不同的能耗、溫濕度、潔凈度閾值。當感知裝置測量結果超過設定閾值時，該區域生產狀態標為異常，系統將問題推送至對于生產班組進行預警提醒，同時推送部門領導和安全員，確保問題及時響應解決，避免問題擴大（如圖7、8）。

圖7 生產線能耗環境監控虛擬采集圖

圖8 生產線環境監控顯示圖

5 依托智能生產組織管理系統實施數字化孿生技術的設備健康管理模式及相關管理制度

數字化孿生技術的設備健康管理，主要是突出其管理的重要性，通過建立虛實映射的設備數字化管控平臺，對設備健康狀態的體系化、實時化、準確化管理，解決傳統管理模式掌握不全面、問題發現滯后、信息不精準的問題；通過建立設備健康狀態預警性維護機制，對關鍵設備或關鍵易損件進行實時監控，提前預警可能出現的故障，降低由設備造成的產品質量問題；建立制造部門與保障部門協同統一的設備管理機制，打造設備狀態履歷表以及問題發現、信息傳遞與故障響應一體化聯動機制縮短問題解決周期（如圖9、10）。

圖9 數字化孿生技術設備管理系統示意圖

圖10 數字化孿生技術設備報故顯示圖

傳統的生產模式下，由于缺乏設備狀態的了解，往往只有在發生問題后才會發現，部分關鍵易損件帶病工作。數字化孿生技術的設備健康管理，可實現對設備狀態的實時掌控，并可監控諸如設備、儀表等關鍵易損件的實際狀態，進而進行上述部件的壽命預測，通過單元級可視化生產組織管理的大屏進行顯示，提示現場操作人員進行及時更換，變被動維護保養為主動預測保養，確保產品質量水平（圖11）。

圖11 設備關鍵易損件預測性維護

數字化孿生技術的設備健康管理模式主要是通過如下制度和方法進行管理制度實施。

第一，建立數據收集制度：設備數據開放服務接口，經過整合的數據資源、數據分析結果需要以靈活的方式對外提供服務，平臺提供了數據開放服務接口以便上層應用訪問所需的各種數據。目前，構建數據開放服務通常以微服務的架構實現，上層應用只需通過應用程序接口來獲取所需的數據和服務，進而實現各自的功能即可。

第二，建立設備測試數據集成管控制度：現有設備分布于各機臺內的測試數據整合帶來了較大困難。開展測試數據統一管理技術研究，通過改變測試數據采集存儲的方式，將多臺套、分布式的測試數據統一存儲于一個集成式網絡數據庫中，并且通過制定品種規則、階段規則、配置規則等，從技術方面杜絕網絡端存儲時可能存在的誤操作問題，保證測試數據的安全性（圖12）。

通過大數據技術是進行生產過程實時分析的有效手段，在設備生產線信息感知手段建立的基礎上，可以通過大數據分析處理技術，通過對生產過程實時數據進行分類、聚類、關聯分析，從而解決以往時效性差、分析不準確的問題，為技術人員和管理人員提供實時有效的決策信息支持。

圖12 數字化孿生技術設備測試數據集成管控對比圖

第三，建立數字化孿生技術的設備健康管理模式數據實時處理與系統集成平臺制度：為企業提供工業大數據采集與交換、存儲、計算和分析的工具平臺，為上層循環經濟和本質安全應用的構建奠定堅實基礎，其主要由數據實時接入、數據倉庫、計算框架、數據分析工具集以及數據開放服務接口組成。生產、工藝、質量、安全及環保等數據主要是來自MES 系統。數據源通過大數據實時處理與集成平臺服務于應用層，真正實現數據驅動業務。數據源被平臺實時接入后分布式存儲到大數據平臺中，通過大數據的計算框架統計出各種數據，最后通過數據分析服務于應用層。如循環經濟一體化與協同應用中通過大數據分析，制定更科學的生產計劃，優化調度及排放，提供設備狀態監控與預警。

第四，建立數字化孿生技術設備生產過程實時分析制度：本項目的數據源主要來自數字化孿生技術設備在生產過程中實時產生及歷史積累的生產過程數據、生產工藝數據、質量數據、安全數據、能耗數據、環境監測數據以及各類基礎數據，如車間布局、物料數據、按照電氣、振動、溫度、精度等對設備數據采集與存儲。數據實時接入主要負責數據的實時采集、傳輸、分發、配置以及數據治理工作，旨在統一數據接口，對外提供多樣的數據接入方式，構建數據源和數據處理間的橋梁，將數據處理與業務側的數據源解耦，對數據采集、數據傳輸、數據分發、采集狀態監控以及數據治理等，利用基于HDFS 分布式文件系統的數據存儲服務，主要將采集的數據分類整理后存儲在HBase、Hive 等分布式數據庫或數據倉庫中，從而形成相應的大數據業務主題數據。

第五，建立數字化孿生技術的設備健康管理模式主題域制度，確定：①生產主題，主要包括生產流程、生產計劃、生產調度、生產批次等數據；②質量主題，主要包括檢驗申請、檢測、工藝檔案、質量報告等數據；③安全主題，安全分析、工藝危害、控制策略、異常工況、環境數據等；④能源主題，能耗情況、能源計劃、能源實績等。

第六，建立計算框架制度：提供目前主流的兩種計算模式及相應的框架，即離線計算和實時計算框架為數據的最終服務于設備提供架構。

離線計算框架：其將任務分解為較小的任務，分別在集群中的每個計算機上進行計算，根據中間結果重新組合數據，然后計算和組合最終結果。它通常被用來處理歷史數據，但是由于海量數據的處理需要耗費很多時間，所以批處理系統一般不適合用于對延時要求較高的場景。

實時計算框架：實時計算并不對已經存在的數據集進行操作，而是對從外部系統接入的數據進行處理，非常適合應用于對實時性要求較高的場景。

數據分析工具由數據挖掘工具箱、機器學習算法庫和展示工具組成。一般是指從大量的數據中通過算法搜索隱藏于其中信息的過程，通過計算機運算，運用統計、在線分析處理、情報檢索、機器學習、專家系統（依靠過去的經驗法則）和模式識別等諸多方法來實現上述目標。

第七，建立機器學習制度：機器學習是一門多領域交叉學科，涉及概率論、統計學、逼近論、凸分析、算法復雜度理論等多門學科。專門研究計算機怎樣模擬或實現人類的學習行為，以獲取新的知識或技能，重新組織已有的知識結構，使之不斷地改善自身的性能。

6 基于數字化孿生技術的設備健康狀態管理實施效果

6.1 實現降本增效，有效提升設備健康狀態

隨著數字化孿生技術的設備健康狀態管理的建立，陸續結合部門的智能制造車間的管理，通過若干管理制度和流程，擺脫了以往依附出現問題后維修問題，解決了只有現場出現情況才能進行設備布局及維修調整的被動實施項目管理體系的局面，構建出虛擬設備運行為核心、適應生產線設備使用運維的的網絡化管理架構。同時，以信息化平臺為載體，控制設備的運行狀態體系、故障分析體系、風險防控體系、執行體系以及配套維修的機制運行過程的全業務流程，有效提升管理的顯性化水平和規范化水平，改善原先設備運行體系僵化、管理模式單一、觀念落后的局面。通過數字化孿生技術的設備健康狀態管理模式的持續保持穩定，大大減少了人力成本，提高了設備工作效率，體現出1+1＞2 的管理效益（如圖13）。

圖13 設備健康狀態監控性能和質量

6.2 突破設備健康運行維護發展瓶頸，設備維修費用逐年降低

基于數字化孿生技術的設備健康狀態管理構建以來，為單位創造了良好的經濟效益。2014～2017年，設備生產制造能力持續提升（圖14、15）。

圖14 設備生產制造能力持續提升

7 結語

通過建設基于數字化孿生技術的設備健康狀態管理系統，可實現生產設備健康狀態的高效管控，保證生產的正常進行的同時，減少設備停機時間，提高設備維護效率，預見產品質量和制造過程、推進設計和制造的高效協同、確保設計和制造的準確執行提供了基礎。

圖15 設備生產維修費持續下降

將此技術應用到設備健康狀態的管理，不僅可以高效實時地記錄和反映產品的構型狀態，而且可以基于反饋回的產品構型數據進行大數據統計和分析，從而改進設備在生產線的工作流程產能，提高設備利用率、降低維修率、提高產能輸出比。