面向智能制造的數字孿生工廠構建方法與應用

李鴻峰，賈昌武，吳 亮，郭 銳，鄧一民

（深圳市玄羽科技有限公司，廣東深圳 518000）

智慧工廠制造就是面向工廠設計與制造生產過程的整個產品生命周期的管理，以實現云計算、大數據、移動通信網絡、物聯網技術和工業數字化等以新型網絡技術應用為技術基礎，配合各種新興技術的先進能源、材料、工藝技術與智能裝置等，通過對智能環境的實時感知以及人機交互、決策分析還有戰略執行技術，連接產品與設計、生產、管理工作和服務業務的各個環節，而構成的先進制造的過程、體系與管理模式的統稱。而數字孿生技術的運用將推動企業生產數字化到網絡化再到現代化智能制造的進程。

1 數字孿生的概念及內涵

1.1 數字孿生的概念

數字孿生（Digital Twin）指的是通過信息技術數字化的手段對物理空間中現實存在的某個物體進行復刻、模仿，從而衍生出一個與現實物理空間一模一樣的存在于虛擬空間中的虛擬物體，通過計算機技術對虛擬物理進行分析和研究，再將結果作用在實體中。數字學技術的應用，通過對“實體”與“虛體”的融合分析，實現了虛擬空間與現實空間之間的交互反饋以及決策迭代優化，為人類生產制造創建了一個新的空間維度，對智能制造有著深刻的意義。

1.2 數字孿生的內涵

在計算機技術發展之前，人們的世界主要由現實存在的客觀世界以及人類的意識主觀世界組成。但是隨著計算機技術的出現和發展，人類社會開始使用二進制數字對客觀世界即物理空間進行描述，從而創造出了第三個空間——虛擬空間，從簡單的數字表達逐漸轉變為可以替代人類生產生活中的一些自動分析和控制等認知工作。

數字孿生有以下幾個特點：①虛擬空間不僅僅是現實空間的模仿和復刻，是在現實空間的基礎上創造起來的。②虛體沒有固定的模式，可根據制造需求呈現出相應的特征，具有可擴展、可集成的特點。③虛體是在實體的基礎上存在的，一個實體可以對應多個虛體，但是虛體只能對應一個實體，且虛體創建和消亡的時間不必與實體一致，可以晚于或是早于實體。④有計算機參與控制的產品，可以看成融合了虛體的實體，甚至整個控制軟件都可以看成處于物理空間時空的一個虛體，同時對實體及其數字孿生體進行控制。

2 工廠發展現狀及存在的問題

2.1 數字化基礎薄弱

傳統制造業生產流程多靠人力來解決生產過程中遇到的問題，缺少信息化實時數據監測手段，導致設備狀態、生產進度、良率等信息不及時不準確。

2.2 問題分析靠經驗

由于生產鏈路較長，對于生產問題環節很難精準定位，提高良率缺乏有效的手段；同時生產流程記錄大多僅為紙質資料存檔，針對實際產品在生產過程中產生的各種問題，多為憑個人經驗進行排查，無數據資料支持，無法準確溯源出產品具體存在的問題，導致時間和材料成本較高而人員工作效率低。

2.3 人力缺乏且昂貴

隨著勞動年齡人口下降，人口紅利不再；我國目前工廠周轉率和員工離職率相當高，新一代年輕人相較于機械式的工業生產工作，更傾向于在其他行業其他領域挖掘自身的潛能，從而導致工業從業者越來越少，人力成本激增。尤其是疫情之后，機器人替代的需求非常旺盛

2.4 軟件硬件生態割裂

傳統解決方案多為純軟件或是純硬件，軟件與硬件之間不互通、不協同，導致生產過程信息整合效率極低。

2.5 傳統自動化不智能

傳統的自動化設備不能對外界的變化及時進行有效的響應，無法適應當今快速變化的生產狀況，更不符合柔性生產的條件。

2.6 IT/OT融合困難

由于IT 與OT 之間除了在數據網絡的傳輸接口與標準統一、IT 在訪問OT 段數據中以及在邊緣側控制器與云端之間的連接端口等方面存在的技術問題，同時還存在著利益驅動的問題，因而工業系統、信息系統兩者之間各自獨立，缺少互通和兼容的條件，從而導致IT 與OT 之間無融合，不智能。

3 數字孿生技術的優點

3.1 快速部署上線

數字孿生技術系統內有眾多項目成熟案例，可以根據這些案例進行工業大數據分析從而積累經驗，再運用于實際項目中。據統計，數字孿生技術對于傳統項目從調研到上線實現3周基礎功能上線，部署周期遠低于傳統軟件；同時利用數字孿生技術新型數據建模理念，可以實現對工業產品的快速建模以及快速部署。

3.2 配置靈活適配

數字孿生技術具有模塊化功能設計，可根據生產需求靈活配置功能清單；數字孿生技術具有流程模塊化設計，SOP、BOM、PDA 作業皆可自定義流程，以快速適應業務變更；數字孿生技術具備用戶功能權限與數據權限的獨立設計，可以滿足不同階層各種范圍的瀏覽及使用。

3.3 操作便捷多元

①數字孿生技術依托數據庫中多年工業軟件產品設計經驗，能根據各企業不同的關注點設計出具有針對性的產品，以最大化滿足各企業的使用習慣和需求；②利用數字孿生技術進行了消費軟件界面的設計，使操作更加簡單便捷，即使是小白也能快速上手；③設置了炫酷的自定義看界面，方便企業對客戶進行產品的展示。

3.4 看板任意組合

用戶可以將任意頁面中的任意圖表元素組合成自定義頁面和看板，從而實現靈活展示；結合分層的用戶功能與數據權限，實現不同權限的人員可以隨時隨地查看他所關心的數據看板

3.5 應用廣

孿生數字技術在增效、減存、節能、獲取客戶資源等方面有著重要作用。①孿生數字技術通過工業大數PAAS 和SAAS 平臺進行工業數據的采集、處理和分析，根據系統反饋數據進行生產調整，增加生產效益；②利用工業AI 算法模型對工業設備進行預測性維護、故障診斷和工藝的優化等從而降低生產成本，提高了制造業生產質量；③孿生數字技術系統可以熟練操作各類工業控制平臺，根據企業的工藝要求量身定制，其自動化機械設備操作簡單靈活，具備較強的非標自動化設計能力。

3.6 數據+算法+工控及自動化技術的軟硬一體賦能

數字孿生技術依托工業大數據AI、互聯網、5G等技術，為客戶提供軟硬一體化的基于物聯數據的智能、柔性制造的整體解決方案和產品服務，其產品涵蓋范圍廣，主要包括工業大數據處理、工業AI、工業數據采集、工業云、可視化、工業控制及自動化等。如圖1所示。

圖1 數據+算法+工控及自動化技術的軟硬一體化賦能

4 面向智能制造的數字孿生工廠構建方法及應用

4.1 設計階段的數字孿生工廠構建方法及應用

企業在生產前，首先可以在云平臺中規劃設計平臺的支持及相關知識庫的輔助下，經過協同設計，完成產品的設計工作，創建產品的設計模型從而形成孿生數字體的初始模型，再利用運動學等物理性技術相關的仿真優化，對產品設計以及加工工藝方案進行初步確定。隨后在云平臺層環境中使用虛擬空間進行虛擬生產，實體產品再通過對虛擬空間中的生產過程以及可使用性等進行模擬檢驗。經過以上這些模擬和檢驗的操作之后，就已經基本確定可以順利地步入到實際的生產階段。這時的數字孿生體產品不僅具有模擬實體產品本身的物理特性并能自動產生反映用戶自身實際需求的數據信息。設計階段的數字孿生體技術主要包括MBD、多種物理性和多尺度性仿真、高保真建模技術和模型的輕量化技術等。

4.2 生產控制階段的數字孿生工廠構建方法及應用

生產任務通過云平臺中的生產管理平臺進行管理，并將有實時性要求的調度及控制任務進行邊緣層管理。產品制造是實體與虛體相互融合的過程，物理工廠的數字孿生運行在云平臺的虛擬空間中。物理工廠中的設備以及由傳感器組成的物聯網LOT 位于現場層，通過低時延網絡如時間敏感性網絡TSN、5G 等，以OPCUA 等協議標準與邊緣層進行數據交換，這種多源數據需根據自身特性進行不同的處理。①這些數據處理可以直接通過和數字孿生體在控制維度方面進行模型交互，從而獲取預測的數據，在此過程中實現對數據加工處理過程的優化和調控，實現了虛擬空間對實體的控制；②在邊緣層結構中對所有的虛體數據信息進行篩選、整理、分析和過濾，把數據信息傳至整個云平臺底層，驅動整個云平臺體系結構中所有虛體數據實現與實體的同步運作，并在各大數據庫系統中保存這些數據，為云平臺資源的深度挖掘和研究奠定了數據基礎，對加工過程的虛擬化提供了預測與優化的數據支持。生產控制階段的數字孿生技術主要是及時對多源傳感器的數據進行虛實融合以及對模型的控制。

4.3 運維階段的數字孿生工廠構建方法及應用

廠商在提供產品時，需要先提供產品的一個數字孿生體，然后再讓企業按照廠商所提供的產品數據在一個虛擬的空間環境中創建一個數字產品的虛體。如果廠商提供的是零部件，可直接在虛擬的空間中對該零件的裝配和制造工藝、過程控制等參數進行仿真模擬，從而進一步優化零件組裝制造流程；如果廠商所提供產品為完整的產品，也就可以實現在虛擬空間中對虛擬產品的使用情況數據和工作運行狀況的數據進行實時仿真優化，再根據這些數據在實際的生產過程中加以調整，實現虛實融合與互動。同時，產品供應商、技術部和用戶都可以通過這些云平臺實現數據共享和交流，從而提供針對性的技術服務。在使用和維護過程中對產品的空間位置、外部環境、使用狀況與健康狀況等進行實時監測，再通過云端監控記錄而形成履歷資料庫，企業負責人也可以直接通過應用層的APP 來收集這些信息并進行應用。虛體在云平臺基礎上可以對用戶產品自身的安全健康運行狀況、功能特點與產品特性等進行實時分析預測以及故障預報，提前地對生產中存在的安全問題進行風險警示，提供了一個真實而有效的三維實時可視化的數據分析與預測手段，輔助企業用戶對自身產品的生產經營過程中準確、快速、有效地進行安全隱患位置的準確定位，以及進行危險的預測和排查。而且在培訓和實際的運用中，運用虛體與實體相融合的數字孿生技術也能夠帶來更加符合實際的效果。運維階段值得關注的幾個關鍵的數字孿生技術主要有：虛體與實體的交互以及仿真預測技術。

5 數字孿生技術工廠應用實例

圖2是玄羽科技智能機加廠的運行狀況。

圖2 玄羽科技智能機加廠的運行狀況

智能機加廠由清潔機器人、上下料機器人、換刀機器人全程自動操作調節，與二維碼識別綁定，實現加工全程可溯源。并設有機加工車間數據大屏，實現生產數據可視化，生產過程全透明。同時設置多級預警及應急方案，以從容應對壓力與調度瓶頸等。根據數據顯示，智能機加廠的應用，提升了人力效益，人員減少40%；嫁動效益提升30%，促進了產能提升；換刀時間減少70%，備用刀柄數減少60%，提高了換刀效益以及備刀流轉效益。

6 結束語

智能制造是未來企業發展的趨勢，而數字孿生技術則是未來新一代智能制造技術最關鍵的部分。隨著未來大數據技術和移動云計算技術等新科技手段的持續發展，數字孿生技術應用也還將隨著用戶在未來生產中的需求而持續更新和變化以實現對生產全流程的高度自動化管理和高度柔性化的調整，甚至可以真正地達到智慧化生產過程的無人化管理。