戴敏，張偉，沈克劍，胡永芳

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

1 數(shù)字化孿生技術(shù)在信息技術(shù)與制造業(yè)的融合概況

信息技術(shù)與制造業(yè)的融合與應用促進了制造業(yè)的變革，為應對這場變革，世界各國紛紛提出先進的制造發(fā)展戰(zhàn)略，以促進本國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，如“美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“德國工業(yè)4.0”“中國制造2025”等，這些舉措的目的都是借助信息技術(shù)，實現(xiàn)制造的物理世界和信息世界的互聯(lián)互通與智能化操作，進而實現(xiàn)智能制造。作為實現(xiàn)物理信息系統(tǒng)融合的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)字化孿生技術(shù)近年來得到深入研究。

數(shù)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(chǎn)品全生命周期管理課程時提出的。數(shù)字化孿生技術(shù)是指用數(shù)字技術(shù)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(xiàn)物理空間與信息空間，如Gartner 公司將數(shù)字化孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一；洛克希德·馬丁公司將數(shù)字化孿生列為未來國防和航空工業(yè)十大頂尖技術(shù)之首；特別是Rosen 等探索了一種產(chǎn)品全生命周期管理方法，該方法通過系統(tǒng)集成對產(chǎn)品物理模型、虛擬模型和工程數(shù)據(jù)進行管理，從而使與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)在其全生命周期的各個階段都能充分使用，并使數(shù)字化孿生技術(shù)在建模、仿真和優(yōu)化技術(shù)有了重大進展。因此，基于數(shù)字化孿生技術(shù)的發(fā)源及應用趨勢，數(shù)字化孿生在產(chǎn)品設計和生產(chǎn)制造中的綜合參考模型，車間作為制造執(zhí)行的基礎(chǔ)，是實踐智能制造的重要應用場景。

2 數(shù)字化孿生技術(shù)設備健康狀態(tài)管理的提出

隨著智能制造在國有大中型企業(yè)的不斷推進，生產(chǎn)數(shù)字化已經(jīng)大規(guī)模運用到現(xiàn)代化的生產(chǎn)節(jié)奏和模式中，企業(yè)的設備管理系統(tǒng)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(yè)的不斷推進，生產(chǎn)數(shù)字化已經(jīng)大規(guī)模運用到現(xiàn)代化的生產(chǎn)節(jié)奏和模式中，企業(yè)的設備管理系統(tǒng)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(yè)管理系統(tǒng)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(tǒng)的新管理創(chuàng)模式來引導和實施高密度的數(shù)字化生產(chǎn)，因此，提出了數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康狀態(tài)管理。

3 數(shù)字化孿生技術(shù)設備健康狀態(tài)管理內(nèi)涵和主要做法

3.1 頂層規(guī)劃融合數(shù)字化智能制造，建立健全數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康管理發(fā)展

數(shù)字化孿生車間(Digital Twin Workshop,DTW)是在新一代信息技術(shù)和制造技術(shù)驅(qū)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(xiàn)物理車間、虛擬車間、車間服務系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務數(shù)據(jù)的集成和融合，在車間孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，實現(xiàn)車間生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務系統(tǒng)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(chǎn)和管控最優(yōu)的一種車間運行新模式。具體如圖1。

圖1 數(shù)字化孿生車間

圖2 數(shù)字化孿生技術(shù)設備健康發(fā)展最新情況

基于數(shù)字化孿生車間的理念，數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康狀態(tài)也是依據(jù)此工作模式進行頂層的設計。依據(jù)數(shù)字化孿生技術(shù)的設備特點，在結(jié)合智能制造的新工業(yè)工作生產(chǎn)模式，可將設備的數(shù)字化孿生設備健康管理的流程歸結(jié)如圖2 所示的四個階段。

將數(shù)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(chǎn)管控僅限于物理實體空間，這個階段的生產(chǎn)要素、生產(chǎn)計劃及生產(chǎn)控制主要以人為操作管理為主，設備作為生產(chǎn)工具。

第2 階段：隨著計算機信息技術(shù)的應用，設備信息空間誕生，使得車間的生產(chǎn)設備管控步入計算機輔助階段，各種企業(yè)資源管理系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等得以使用，生產(chǎn)計劃的下發(fā)、人員設備物料等生產(chǎn)要素的管理、生產(chǎn)活動的監(jiān)控等方面基本實現(xiàn)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(chǎn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)、云制造等技術(shù)的發(fā)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(xiàn)了實時采集并動態(tài)跟蹤，生產(chǎn)活動的預測性及對車間不確定性生產(chǎn)擾動的處理能力得以增強，車間的設備生產(chǎn)管控由單點管理逐步發(fā)展到集成管理、協(xié)同管理和智能管理，這時，設備已經(jīng)作為管理要素的重要部分，逐漸體現(xiàn)其網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)特性，其活躍度和關(guān)注度得到了持續(xù)的提升。

第4 階段：將數(shù)字化孿生技術(shù)應用到智能制造廠房中，徹底實現(xiàn)模擬工作狀態(tài)顯示和實物設備之間的有效通信，從而為智能制造生產(chǎn)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(chǎn)生其遠超于其本質(zhì)生產(chǎn)的特性，為生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)生產(chǎn)保證。

3.2 建立設備管理全生命周期電子網(wǎng)絡化平臺，實現(xiàn)設備三維建模孿生技術(shù)管理系統(tǒng)

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(shù)手冊、設備維修服務與保障系統(tǒng)（如圖3）。

圖3 設備一體化信息化平臺架構(gòu)圖

數(shù)字化孿生技術(shù)的設備的健康管理在廠房內(nèi)首先是要進入六性設計階段，借助六性協(xié)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(yè)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(guī)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(shù)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(fā)系統(tǒng)（PHM）設計，以實現(xiàn)設備使用和維護時發(fā)揮出自主保障能力的效果。設備使用后，通過虛擬的PHM 系統(tǒng)實時監(jiān)控裝備的狀態(tài)，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(chǎn)品研發(fā)平臺（PDS）系統(tǒng)進行BOM 信息的傳遞，實現(xiàn)數(shù)字化孿生技術(shù)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(huán)迭代，實現(xiàn)裝備設計的持續(xù)優(yōu)化。

在服務保障階段，通過數(shù)字化孿生技術(shù)的設備服務與維修保障系統(tǒng)（MRO）對所有數(shù)字化孿生技術(shù)的設備技術(shù)狀態(tài)、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(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）進行保障資源的調(diào)配和任務的計劃管控；借助質(zhì)量管理系統(tǒng)（QMS）對數(shù)字化孿生技術(shù)的設備使用和維護中的所有故障進行FRACAS 閉環(huán)處理，并將處理結(jié)果借助知識管理系統(tǒng)推送至六性一體化設計系統(tǒng)，以實現(xiàn)數(shù)字化孿生技術(shù)的設備質(zhì)量的持續(xù)優(yōu)化。

通過三維建模，將生產(chǎn)車間內(nèi)設備的三維建模與重要參數(shù)對應，依據(jù)模型仿真適當優(yōu)化車間（生產(chǎn)線）布局。通過數(shù)字化孿生技術(shù)的設備的健康管理設備數(shù)據(jù)庫信息：（1）包括維修維保履歷、設備利用率、設備拋料率、生產(chǎn)線漫游、設備當前狀態(tài)、關(guān)鍵配件壽命等；（2）環(huán)境監(jiān)控：包括溫度、濕度、噪音等環(huán)境狀態(tài)；（3）視頻監(jiān)控：對關(guān)鍵設備單元的加工過程可進行實景視頻監(jiān)控，對異常狀態(tài)進行預警；（4）車間巡檢：在數(shù)字化環(huán)境下進行第一人稱視角的車間巡檢，實現(xiàn)對車間設備狀態(tài)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(nèi)實體設備選圖

圖6 三維建模后車間內(nèi)實體設備放置圖

4 應用孿生技術(shù)設備系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控實現(xiàn)綠色環(huán)保穩(wěn)定生產(chǎn)

相對原先車間人工進行記錄能耗、環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)，出現(xiàn)問題時，一般溫濕度已經(jīng)超標嚴重，發(fā)現(xiàn)較晚，通知相關(guān)部門人員到問題解決周期時間較長，對生產(chǎn)會產(chǎn)生一定的影響。

通過增加溫濕度感知裝置、設備電表聯(lián)網(wǎng)、建立網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對能耗、環(huán)境實時監(jiān)控，并展示發(fā)布。同時根據(jù)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(jié)果超過設定閾值時，該區(qū)域生產(chǎn)狀態(tài)標為異常，系統(tǒng)將問題推送至對于生產(chǎn)班組進行預警提醒，同時推送部門領(lǐng)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(chǎn)線能耗環(huán)境監(jiān)控虛擬采集圖

圖8 生產(chǎn)線環(huán)境監(jiān)控顯示圖

5 依托智能生產(chǎn)組織管理系統(tǒng)實施數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康管理模式及相關(guān)管理制度

數(shù)字化孿生技術(shù)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(shù)字化管控平臺，對設備健康狀態(tài)的體系化、實時化、準確化管理，解決傳統(tǒng)管理模式掌握不全面、問題發(fā)現(xiàn)滯后、信息不精準的問題；通過建立設備健康狀態(tài)預警性維護機制，對關(guān)鍵設備或關(guān)鍵易損件進行實時監(jiān)控，提前預警可能出現(xiàn)的故障，降低由設備造成的產(chǎn)品質(zhì)量問題；建立制造部門與保障部門協(xié)同統(tǒng)一的設備管理機制，打造設備狀態(tài)履歷表以及問題發(fā)現(xiàn)、信息傳遞與故障響應一體化聯(lián)動機制縮短問題解決周期（如圖9、10）。

圖9 數(shù)字化孿生技術(shù)設備管理系統(tǒng)示意圖

圖10 數(shù)字化孿生技術(shù)設備報故顯示圖

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

圖11 設備關(guān)鍵易損件預測性維護

數(shù)字化孿生技術(shù)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(shù)據(jù)收集制度：設備數(shù)據(jù)開放服務接口，經(jīng)過整合的數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)分析結(jié)果需要以靈活的方式對外提供服務，平臺提供了數(shù)據(jù)開放服務接口以便上層應用訪問所需的各種數(shù)據(jù)。目前，構(gòu)建數(shù)據(jù)開放服務通常以微服務的架構(gòu)實現(xiàn)，上層應用只需通過應用程序接口來獲取所需的數(shù)據(jù)和服務，進而實現(xiàn)各自的功能即可。

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

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)是進行生產(chǎn)過程實時分析的有效手段，在設備生產(chǎn)線信息感知手段建立的基礎(chǔ)上，可以通過大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，通過對生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)進行分類、聚類、關(guān)聯(lián)分析，從而解決以往時效性差、分析不準確的問題，為技術(shù)人員和管理人員提供實時有效的決策信息支持。

圖12 數(shù)字化孿生技術(shù)設備測試數(shù)據(jù)集成管控對比圖

第三，建立數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康管理模式數(shù)據(jù)實時處理與系統(tǒng)集成平臺制度：為企業(yè)提供工業(yè)大數(shù)據(jù)采集與交換、存儲、計算和分析的工具平臺，為上層循環(huán)經(jīng)濟和本質(zhì)安全應用的構(gòu)建奠定堅實基礎(chǔ)，其主要由數(shù)據(jù)實時接入、數(shù)據(jù)倉庫、計算框架、數(shù)據(jù)分析工具集以及數(shù)據(jù)開放服務接口組成。生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量、安全及環(huán)保等數(shù)據(jù)主要是來自MES 系統(tǒng)。數(shù)據(jù)源通過大數(shù)據(jù)實時處理與集成平臺服務于應用層，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務。數(shù)據(jù)源被平臺實時接入后分布式存儲到大數(shù)據(jù)平臺中，通過大數(shù)據(jù)的計算框架統(tǒng)計出各種數(shù)據(jù)，最后通過數(shù)據(jù)分析服務于應用層。如循環(huán)經(jīng)濟一體化與協(xié)同應用中通過大數(shù)據(jù)分析，制定更科學的生產(chǎn)計劃，優(yōu)化調(diào)度及排放，提供設備狀態(tài)監(jiān)控與預警。

第四，建立數(shù)字化孿生技術(shù)設備生產(chǎn)過程實時分析制度：本項目的數(shù)據(jù)源主要來自數(shù)字化孿生技術(shù)設備在生產(chǎn)過程中實時產(chǎn)生及歷史積累的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如車間布局、物料數(shù)據(jù)、按照電氣、振動、溫度、精度等對設備數(shù)據(jù)采集與存儲。數(shù)據(jù)實時接入主要負責數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、分發(fā)、配置以及數(shù)據(jù)治理工作，旨在統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，對外提供多樣的數(shù)據(jù)接入方式，構(gòu)建數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)處理間的橋梁，將數(shù)據(jù)處理與業(yè)務側(cè)的數(shù)據(jù)源解耦，對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分發(fā)、采集狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)治理等，利用基于HDFS 分布式文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲服務，主要將采集的數(shù)據(jù)分類整理后存儲在HBase、Hive 等分布式數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中，從而形成相應的大數(shù)據(jù)業(yè)務主題數(shù)據(jù)。

第五，建立數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康管理模式主題域制度，確定：①生產(chǎn)主題，主要包括生產(chǎn)流程、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)批次等數(shù)據(jù)；②質(zhì)量主題，主要包括檢驗申請、檢測、工藝檔案、質(zhì)量報告等數(shù)據(jù)；③安全主題，安全分析、工藝危害、控制策略、異常工況、環(huán)境數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的最終服務于設備提供架構(gòu)。

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(jù)中間結(jié)果重新組合數(shù)據(jù)，然后計算和組合最終結(jié)果。它通常被用來處理歷史數(shù)據(jù)，但是由于海量數(shù)據(jù)的處理需要耗費很多時間，所以批處理系統(tǒng)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(jīng)存在的數(shù)據(jù)集進行操作，而是對從外部系統(tǒng)接入的數(shù)據(jù)進行處理，非常適合應用于對實時性要求較高的場景。

數(shù)據(jù)分析工具由數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)計、在線分析處理、情報檢索、機器學習、專家系統(tǒng)（依靠過去的經(jīng)驗法則）和模式識別等諸多方法來實現(xiàn)上述目標。

第七，建立機器學習制度：機器學習是一門多領(lǐng)域交叉學科，涉及概率論、統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)，使之不斷地改善自身的性能。

6 基于數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康狀態(tài)管理實施效果

6.1 實現(xiàn)降本增效，有效提升設備健康狀態(tài)

隨著數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康狀態(tài)管理的建立，陸續(xù)結(jié)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(xiàn)問題后維修問題，解決了只有現(xiàn)場出現(xiàn)情況才能進行設備布局及維修調(diào)整的被動實施項目管理體系的局面，構(gòu)建出虛擬設備運行為核心、適應生產(chǎn)線設備使用運維的的網(wǎng)絡化管理架構(gòu)。同時，以信息化平臺為載體，控制設備的運行狀態(tài)體系、故障分析體系、風險防控體系、執(zhí)行體系以及配套維修的機制運行過程的全業(yè)務流程，有效提升管理的顯性化水平和規(guī)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(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康狀態(tài)管理模式的持續(xù)保持穩(wěn)定，大大減少了人力成本，提高了設備工作效率，體現(xiàn)出1+1＞2 的管理效益（如圖13）。

圖13 設備健康狀態(tài)監(jiān)控性能和質(zhì)量

6.2 突破設備健康運行維護發(fā)展瓶頸，設備維修費用逐年降低

基于數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康狀態(tài)管理構(gòu)建以來，為單位創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。2014～2017年，設備生產(chǎn)制造能力持續(xù)提升（圖14、15）。

圖14 設備生產(chǎn)制造能力持續(xù)提升

7 結(jié)語

通過建設基于數(shù)字化孿生技術(shù)的設備健康狀態(tài)管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)生產(chǎn)設備健康狀態(tài)的高效管控，保證生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量和制造過程、推進設計和制造的高效協(xié)同、確保設計和制造的準確執(zhí)行提供了基礎(chǔ)。

圖15 設備生產(chǎn)維修費持續(xù)下降

將此技術(shù)應用到設備健康狀態(tài)的管理，不僅可以高效實時地記錄和反映產(chǎn)品的構(gòu)型狀態(tài)，而且可以基于反饋回的產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，從而改進設備在生產(chǎn)線的工作流程產(chǎn)能，提高設備利用率、降低維修率、提高產(chǎn)能輸出比。