數字孿生技術在鋼鐵企業中的應用研究

劉 巖

（唐鋼國際工程技術股份有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

數字孿生技術最早提出是用于航空航天領域，美國NASA 指出“一個數字孿生，是一種集成化了的多種物理量、多種空間尺度的運載工具或系統的仿真，該仿真使用了當前最為有效的物理模型、傳感器數據的更新、飛行的歷史等等，來鏡像出其對應的飛行當中孿生對象的生存狀態”[1]。目前隨著網絡技術的發展，數字孿生技術已逐步應用于智慧工廠、智慧城市等領域。鋼鐵生產作為典型的流程制造業，具備工藝復雜、物料交叉、生產節奏緊湊等特點。傳統鋼鐵生產往往通過人工經驗對生產過程中出現的情況進行判斷和決策，在新產品試制和研發的過程中更多依賴專業人員對設備和工藝的認識進行分析和判斷。而數字孿生技術關注于現場設備與虛擬世界的統一，借助虛擬環境下的物質流、能量流和信息流的仿真，對鋼鐵生產過程的各個環節進行指導與預判，可有效提高生產過程的精細程度，加速鋼鐵企業智能制造進程。

本文介紹了數字孿生技術在工業生產領域中的實施步驟和關鍵應用技術，著重闡述了數字孿生技術在鋼鐵生產流程中的應用特點以及擬解決的問題，并對在鋼鐵生產流程中的各種具體應用情況進行了分析和總結。

1 數字孿生與工業生產

數字孿生技術涉及仿真計算、三維建模、動態感知、信息傳遞與處理等多項技術。綜合國內外關于數字孿生技術的定義和研究成果，可總結出數字孿生技術是打通物理實體世界與虛擬實體世界連接，形成二者之間動態連接的橋梁。針對工業生產領域，通過數字孿生技術將工藝生產仿真模型算法與虛擬工廠進行結合，可以通過虛擬世界的仿真計算結果指導生產、輔助決策、改進工藝，有效避免生產過程中出現的不可預知因素，提高生產效率[2]。建設工業生產的數字孿生系統分為三個階段：

第一階段，實體工廠的靜態虛擬化。將工廠內部的廠房、設備、管線等設施通過BIM（Building Information Modeling）技術進行建模。模型不僅包括了靜態物體的外觀尺寸信息，還賦予了模型設計階段的各種設計參數，區別于以往的三維逆向建模方式，BIM 模型豐富的屬性信息為后續模型應用提供了無限可能。

第二階段，實體工廠的動態關聯。通過現場傳感技術和數據傳輸手段將現場的實際情況反饋到虛擬工廠，將現場設備的運行狀態、環境狀況與采集到的實時數據進行關聯，驅動虛擬場景內進行隨動，建立虛實世界的動態關聯關系。

第三階段，生產工藝的仿真與反饋。通過智能算法，將復雜的生產過程數字化，通過若干個關聯性強，耦合程度復雜的因素進行建模，形成仿真算法并在虛擬工廠環境中進行實驗，往往可用于新產品的試制、現有產品的升級改造，以及工藝過程的優化。在虛擬平臺進行仿真測試，一方面可以直觀反饋運行結果，另一方面可以極大程度減少改進過程中的生產資源占用和能源消耗。

2 數字孿生關鍵技術

數字孿生技術的核心是通過虛擬建模手段，將現場設備或生產情況進行數字化呈現，通過生產過程的計算模擬預測并展示物理場景，以及虛擬現實的交互，為生產提供決策依據，改進生產方式。因此可知數字孿生的關進技術體現在以下幾個方面。

2.1 數字化交付技術

數字化交付技術指的是工程建設過程中，將設計成果、采購資料、施工記錄等建設階段的信息，通過一個統一的數字化平臺進行收集和整理，完成工程建設項目最初階段的數據池。隨著BIM 設計技術的發展，BIM 技術與數字化交付技術的融合，形成了基于可視化平臺的全專業、全設備的交付方式。數字化交付技術完成了建設、采購、施工階段的數據收集，完成了工廠BIM 物理模型的創建，搭建了虛擬世界的可視化模型平臺，為數字孿生技術的實現奠定了模型與數據基礎。

2.2 數據采集與傳輸技術

設備的實際運行情況需要傳感器進行采集，目前傳感器數據的傳輸方式多采用模擬量傳輸方式，通過電壓或電流信號傳輸到控制器進行解析。但針對一些采集精度高的應用場景，這種采集方式的實時性和準確性并不能滿足需求，尤其是一些改造項目，需要新加檢測設備，傳統傳輸方式增加了項目實施成本。物聯網與5G 技術的發展為數據采集和傳輸提供了新的解決方案，物聯網技術強調萬物互聯，5G 的低延時、高速率特性加強了數據傳輸的效率[3]。在工廠，通過建設統一的工廠數據庫，將各個環節的生產實時數據進行匯集和存儲，方便數字孿生技術連接和抓取。

2.3 虛擬現實技術

虛擬現實技術是指通過計算機技術，使人沉浸于模仿現實的虛擬環境中，通過視覺、聽覺、觸覺感受，增強虛擬世界的效果，同時允許使用者對現實的實際環境或物體進行操作[4]。虛擬現實技術延伸了數字孿生技術的應用，將虛擬與現實之間的互動提高到了一個新的層次[5]。

2.4 分析處理技術

數字孿生過程中產生的海量數據，需要進行有序的組織與處理，對某一生產過程、某一生產現象或某一設備的運行規律的數據進行加工，形成過程仿真計算。以往的仿真傾向于將實體抽象化的生產過程仿真計算，是將單一的復雜的實體進行簡化處理，關注于關鍵問題的研究與計算。而數字孿生則是對實體的復刻，是對復雜過程、多耦合實體的綜合仿真處理，將不同專業、不同領域的問題放在統一平臺、同一模型上進行研究。數字孿生過程中的數據處理涉及到不同周期，建模仿真過程也需要多維度、多尺度統一考慮。因此數據的分析處理是數字孿生技術的核心。

3 數字孿生技術在鋼鐵企業中的應用

3.1 鋼鐵企業信息化建設的現狀分析

目前，隨著自動化、信息化進程的不斷深化，鋼鐵企業的信息技術得了長足發展，建立了從產線檢測到公司運營支持的五級信息化系統架構。一級為產線自動化控制系統，二級為產線專家系統，三級為生產經營管理，四級為企業資源管理，五級為公司智慧運營平臺。鋼鐵企業五級信息化架構覆蓋了從原料進廠到產品訂單銷售的全過程，提高了產品生產過程的精細化管理程度和智能制造水平。此外，鋼鐵企業的建設周期包括設計、采購、建設、生產、運行、維護直至退役。上面提到的信息化系統覆蓋了生產、運行、維護全過程。

雖然目前信息化系統相對完備，但同樣存在著問題。首先，建設過程中的數據收集程度較差，一個項目基礎的數據來源均產生于設計階段，設備的運行參數、儀表的檢測范圍等設計數據往往停留在圖紙和設備表上，采購過程中對供應商的管理和隨機資料等數據不能得到妥善管理，安裝調試過程中產生的記錄也沒有被收集，紙質版的設計成果并不方便查詢和保存；其次，在項目運維階段，缺少了一個統一的數據集成展示平臺，雖然已經建立了完備的五級信息化架構，但對于公司領導層來說，沒有一個貫穿五級系統的數據統一展示平臺來承載所有數據；最后，在流程行業特別是鋼鐵企業需要在生產制造之前對產線進行模擬仿真生產，以檢驗生產數據和校驗生產結果，目前雖然很多產線都已經具備了相關仿真能力，但往往只是對單一產線，或單一環節的仿真計算，難以模擬現場復雜環境條件和多耦合體交織影響的真實條件。

3.2 數字孿生技術在鋼鐵行業擬解決的問題

數字孿生技術依托其高還原程度、高計算能力等特點，著力解決目前鋼鐵企業信息化建設存在痛點。

（1）數字化交付技術可為數字孿生提供基礎數據與模型庫[7]。數字化交付概念的提出有別于以往以藍圖和設備表的紙質交付方式。數字化交付是通過一個軟件平臺，將設計圖紙、設計數據、采購數據和安裝調試數據進行統一整合，以設備或管線位號作為唯一檢索標準，關聯該設備生命周期內的所有數據。交付物的格式可以是電子版圖紙、PDF 或OFFICE 電子文檔。隨著BIM 技術的發展，設計數據可集成在BIM 模型中，通過模型進行直觀的審查和應用，因此將BIM 與數字化交付技術結合，可形成更直觀的三維交付方式。數字孿生技術的重要依托之一就是現場物理實體設備的數據參數與實體模型，從全生命周期維度上講，將三維數字化交付系統應用范圍從設計、采購、施工擴展到生產運維階段，便可將鋼鐵企業全生命周期的模型和數據進行集成，為數字孿生技術提供數據支撐。

（2）數字孿生技術可承載全五級信息架構數據。鋼鐵企業日常生產可產生海量數據，數據的組織、采集和處理需要嚴密的邏輯和有效的承載平臺。在業務管理部門已經具備完備的本專業信息化系統的情況下，數字孿生技術的價值點在于融合不同業務系統的數據在同一平臺進行集成展示。如針對公司領導層，更關注于企業生產經營數據的集成、能源環保等關鍵業務系統的數據反饋、生產資源的指揮調度等信息。通過數字孿生平臺從各業務系統中抽取數據，直觀反應在三維立體場景中，提升數據的獲取效率；針對產線級生產管理，數字孿生平臺可將生產過程的仿真結果通過三維畫面和場景進行動態呈現，提升仿真試驗性生產的效率和直觀性，同時對于日常生產經營活動，數字孿生系統抽取設備管理系統的設備運行參數、檢維修關鍵提示記錄，抽取MES生產經營數據方便用戶直觀獲取生產資源組織；針對車間級應用，數字孿生系統可集成數字化交付成果，依托BIM 設計成果與可視化技術形成可視化資產管理平臺，方便用于查閱管轄范圍內各關鍵設備的全生命周期數據[8]。三維場景內部的生產數據集成使數據監控的過程更加直觀。數字孿生平臺在鋼鐵企業信息化架構中的定位如圖1所示。

圖1 數字孿生平臺在鋼鐵企業信息化架構中的定位Fig.1 Positioning of digital twin platform in the information architecture of steel enterprises

3.3 數字孿生技術的具體應用

生產管控大廳的生產、調度管理數據的集中展示。在鋼鐵企業調度指揮大廳內，集成了設備、能環、生產、調度、物流等部門的數據，在管控平臺內如何對這些數據進行組織和應用是數字孿生系統能夠解決的一個重要問題。數字孿生平臺數據結構如圖2所示。

圖2 數字孿生平臺數據結構Fig.2 Data structure of digital twin platform

（1）數字孿生系統的價值在于對實時數據的收集、對生產關系的仿真。鋼鐵企業日常生產過程中的仿真生產涉及到方方面面。在原料系統中，對于散裝料料庫如何高效利用的問題一直是工藝生產研究的重點，通過數字孿生系統模擬料條內如何布置不同的散裝料，將堆取料機和皮帶輸送系統進行建模，有效指導散裝料貯料作業。在燒結系統，通過模擬布料厚度、燒結溫度、風閥開度等燒結過程，可有效控制燒透點，直觀顯示效果。在煉鋼車間通過數字孿生技術構建真實比例的三維場景與設備，將天車倒運過程進行模擬，三維場景內劃定不同的天車運行路徑合理規劃，提高生產效率降低設備利用率。

（2）VR 技術作為數字孿生技術的延伸可有效應用于鋼鐵企業產前培訓和考核，使員工在不進入實體環境的情況下完成對生產過程的直觀感受和培訓，尤其在煉鋼、煉鐵等復雜危險的環境下，實體培訓不僅危險系數高，還會占用正常的生產和檢修時間。通過數字孿生系統搭建的模擬工廠，場景還原度高，還能產生互動。

4 結語

數字孿生技術的發展將物理世界與數字世界之間建起了橋梁。實體模型的創建、計算模型的形成和實時數據采集是數字孿生的核心問題。鋼鐵企業通過多年的信息化建設，形成了以五級架構為主體的智能制造體系。物聯網和5G 傳輸技術逐步推廣和應用為數字孿生技術的落地提供了數據源；BIM 技術與數字化交付技術在鋼鐵企業的應用為數字孿生技術提供了模型與靜態數據基礎；產線的專家系統應用為數字孿生技術提供了計算模型基礎。

綜上所述，目前數字孿生技術與鋼鐵企業信息化系統架構已經形成密切的關聯，如何將數字孿生技術應用于企業的生產決策、指導現實生產、提高生產效率、降低生產成本將成為鋼鐵企業信息化建設的新方向。