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(shè)計與制造生產(chǎn)過程的整個產(chǎn)品生命周期的管理，以實現(xiàn)云計算、大數(shù)據(jù)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)數(shù)字化等以新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用為技術(shù)基礎(chǔ)，配合各種新興技術(shù)的先進(jìn)能源、材料、工藝技術(shù)與智能裝置等，通過對智能環(huán)境的實時感知以及人機交互、決策分析還有戰(zhàn)略執(zhí)行技術(shù)，連接產(chǎn)品與設(shè)計、生產(chǎn)、管理工作和服務(wù)業(yè)務(wù)的各個環(huán)節(jié)，而構(gòu)成的先進(jìn)制造的過程、體系與管理模式的統(tǒng)稱。而數(shù)字孿生技術(shù)的運用將推動企業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到現(xiàn)代化智能制造的進(jìn)程。

1 數(shù)字孿生的概念及內(nèi)涵

1.1 數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生（Digital Twin）指的是通過信息技術(shù)數(shù)字化的手段對物理空間中現(xiàn)實存在的某個物體進(jìn)行復(fù)刻、模仿，從而衍生出一個與現(xiàn)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(shù)對虛擬物理進(jìn)行分析和研究，再將結(jié)果作用在實體中。數(shù)字學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，通過對“實體”與“虛體”的融合分析，實現(xiàn)了虛擬空間與現(xiàn)實空間之間的交互反饋以及決策迭代優(yōu)化，為人類生產(chǎn)制造創(chuàng)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(shù)字孿生的內(nèi)涵

在計算機技術(shù)發(fā)展之前，人們的世界主要由現(xiàn)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(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，人類社會開始使用二進(jìn)制數(shù)字對客觀世界即物理空間進(jìn)行描述，從而創(chuàng)造出了第三個空間——虛擬空間，從簡單的數(shù)字表達(dá)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢蕴娲祟惿a(chǎn)生活中的一些自動分析和控制等認(rèn)知工作。

數(shù)字孿生有以下幾個特點：①虛擬空間不僅僅是現(xiàn)實空間的模仿和復(fù)刻，是在現(xiàn)實空間的基礎(chǔ)上創(chuàng)造起來的。②虛體沒有固定的模式，可根據(jù)制造需求呈現(xiàn)出相應(yīng)的特征，具有可擴(kuò)展、可集成的特點。③虛體是在實體的基礎(chǔ)上存在的，一個實體可以對應(yīng)多個虛體，但是虛體只能對應(yīng)一個實體，且虛體創(chuàng)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(chǎn)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(shù)字孿生體進(jìn)行控制。

2 工廠發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 數(shù)字化基礎(chǔ)薄弱

傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)流程多靠人力來解決生產(chǎn)過程中遇到的問題，缺少信息化實時數(shù)據(jù)監(jiān)測手段，導(dǎo)致設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度、良率等信息不及時不準(zhǔn)確。

2.2 問題分析靠經(jīng)驗

由于生產(chǎn)鏈路較長，對于生產(chǎn)問題環(huán)節(jié)很難精準(zhǔn)定位，提高良率缺乏有效的手段；同時生產(chǎn)流程記錄大多僅為紙質(zhì)資料存檔，針對實際產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種問題，多為憑個人經(jīng)驗進(jìn)行排查，無數(shù)據(jù)資料支持，無法準(zhǔn)確溯源出產(chǎn)品具體存在的問題，導(dǎo)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(zhuǎn)率和員工離職率相當(dāng)高，新一代年輕人相較于機械式的工業(yè)生產(chǎn)工作，更傾向于在其他行業(yè)其他領(lǐng)域挖掘自身的潛能，從而導(dǎo)致工業(yè)從業(yè)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(tài)割裂

傳統(tǒng)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(xié)同，導(dǎo)致生產(chǎn)過程信息整合效率極低。

2.5 傳統(tǒng)自動化不智能

傳統(tǒng)的自動化設(shè)備不能對外界的變化及時進(jìn)行有效的響應(yīng)，無法適應(yīng)當(dāng)今快速變化的生產(chǎn)狀況，更不符合柔性生產(chǎn)的條件。

2.6 IT/OT融合困難

由于IT 與OT 之間除了在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的傳輸接口與標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、IT 在訪問OT 段數(shù)據(jù)中以及在邊緣側(cè)控制器與云端之間的連接端口等方面存在的技術(shù)問題，同時還存在著利益驅(qū)動的問題，因而工業(yè)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)兩者之間各自獨立，缺少互通和兼容的條件，從而導(dǎo)致IT 與OT 之間無融合，不智能。

3 數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)點

3.1 快速部署上線

數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)有眾多項目成熟案例，可以根據(jù)這些案例進(jìn)行工業(yè)大數(shù)據(jù)分析從而積累經(jīng)驗，再運用于實際項目中。據(jù)統(tǒng)計，數(shù)字孿生技術(shù)對于傳統(tǒng)項目從調(diào)研到上線實現(xiàn)3周基礎(chǔ)功能上線，部署周期遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)軟件；同時利用數(shù)字孿生技術(shù)新型數(shù)據(jù)建模理念，可以實現(xiàn)對工業(yè)產(chǎn)品的快速建模以及快速部署。

3.2 配置靈活適配

數(shù)字孿生技術(shù)具有模塊化功能設(shè)計，可根據(jù)生產(chǎn)需求靈活配置功能清單；數(shù)字孿生技術(shù)具有流程模塊化設(shè)計，SOP、BOM、PDA 作業(yè)皆可自定義流程，以快速適應(yīng)業(yè)務(wù)變更；數(shù)字孿生技術(shù)具備用戶功能權(quán)限與數(shù)據(jù)權(quán)限的獨立設(shè)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(shù)字孿生技術(shù)依托數(shù)據(jù)庫中多年工業(yè)軟件產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，能根據(jù)各企業(yè)不同的關(guān)注點設(shè)計出具有針對性的產(chǎn)品，以最大化滿足各企業(yè)的使用習(xí)慣和需求；②利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行了消費軟件界面的設(shè)計，使操作更加簡單便捷，即使是小白也能快速上手；③設(shè)置了炫酷的自定義看界面，方便企業(yè)對客戶進(jìn)行產(chǎn)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(xiàn)靈活展示；結(jié)合分層的用戶功能與數(shù)據(jù)權(quán)限，實現(xiàn)不同權(quán)限的人員可以隨時隨地查看他所關(guān)心的數(shù)據(jù)看板

3.5 應(yīng)用廣

孿生數(shù)字技術(shù)在增效、減存、節(jié)能、獲取客戶資源等方面有著重要作用。①孿生數(shù)字技術(shù)通過工業(yè)大數(shù)PAAS 和SAAS 平臺進(jìn)行工業(yè)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，根據(jù)系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整，增加生產(chǎn)效益；②利用工業(yè)AI 算法模型對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)、故障診斷和工藝的優(yōu)化等從而降低生產(chǎn)成本，提高了制造業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量；③孿生數(shù)字技術(shù)系統(tǒng)可以熟練操作各類工業(yè)控制平臺，根據(jù)企業(yè)的工藝要求量身定制，其自動化機械設(shè)備操作簡單靈活，具備較強的非標(biāo)自動化設(shè)計能力。

3.6 數(shù)據(jù)+算法+工控及自動化技術(shù)的軟硬一體賦能

數(shù)字孿生技術(shù)依托工業(yè)大數(shù)據(jù)AI、互聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)，為客戶提供軟硬一體化的基于物聯(lián)數(shù)據(jù)的智能、柔性制造的整體解決方案和產(chǎn)品服務(wù)，其產(chǎn)品涵蓋范圍廣，主要包括工業(yè)大數(shù)據(jù)處理、工業(yè)AI、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、工業(yè)云、可視化、工業(yè)控制及自動化等。如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)+算法+工控及自動化技術(shù)的軟硬一體化賦能

4 面向智能制造的數(shù)字孿生工廠構(gòu)建方法及應(yīng)用

4.1 設(shè)計階段的數(shù)字孿生工廠構(gòu)建方法及應(yīng)用

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

4.2 生產(chǎn)控制階段的數(shù)字孿生工廠構(gòu)建方法及應(yīng)用

生產(chǎn)任務(wù)通過云平臺中的生產(chǎn)管理平臺進(jìn)行管理，并將有實時性要求的調(diào)度及控制任務(wù)進(jìn)行邊緣層管理。產(chǎn)品制造是實體與虛體相互融合的過程，物理工廠的數(shù)字孿生運行在云平臺的虛擬空間中。物理工廠中的設(shè)備以及由傳感器組成的物聯(lián)網(wǎng)LOT 位于現(xiàn)場層，通過低時延網(wǎng)絡(luò)如時間敏感性網(wǎng)絡(luò)TSN、5G 等，以O(shè)PCUA 等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與邊緣層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這種多源數(shù)據(jù)需根據(jù)自身特性進(jìn)行不同的處理。①這些數(shù)據(jù)處理可以直接通過和數(shù)字孿生體在控制維度方面進(jìn)行模型交互，從而獲取預(yù)測的數(shù)據(jù)，在此過程中實現(xiàn)對數(shù)據(jù)加工處理過程的優(yōu)化和調(diào)控，實現(xiàn)了虛擬空間對實體的控制；②在邊緣層結(jié)構(gòu)中對所有的虛體數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選、整理、分析和過濾，把數(shù)據(jù)信息傳至整個云平臺底層，驅(qū)動整個云平臺體系結(jié)構(gòu)中所有虛體數(shù)據(jù)實現(xiàn)與實體的同步運作，并在各大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中保存這些數(shù)據(jù)，為云平臺資源的深度挖掘和研究奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對加工過程的虛擬化提供了預(yù)測與優(yōu)化的數(shù)據(jù)支持。生產(chǎn)控制階段的數(shù)字孿生技術(shù)主要是及時對多源傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛實融合以及對模型的控制。

4.3 運維階段的數(shù)字孿生工廠構(gòu)建方法及應(yīng)用

廠商在提供產(chǎn)品時，需要先提供產(chǎn)品的一個數(shù)字孿生體，然后再讓企業(yè)按照廠商所提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在一個虛擬的空間環(huán)境中創(chuàng)建一個數(shù)字產(chǎn)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(shù)進(jìn)行仿真模擬，從而進(jìn)一步優(yōu)化零件組裝制造流程；如果廠商所提供產(chǎn)品為完整的產(chǎn)品，也就可以實現(xiàn)在虛擬空間中對虛擬產(chǎn)品的使用情況數(shù)據(jù)和工作運行狀況的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時仿真優(yōu)化，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)在實際的生產(chǎn)過程中加以調(diào)整，實現(xiàn)虛實融合與互動。同時，產(chǎn)品供應(yīng)商、技術(shù)部和用戶都可以通過這些云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交流，從而提供針對性的技術(shù)服務(wù)。在使用和維護(hù)過程中對產(chǎn)品的空間位置、外部環(huán)境、使用狀況與健康狀況等進(jìn)行實時監(jiān)測，再通過云端監(jiān)控記錄而形成履歷資料庫，企業(yè)負(fù)責(zé)人也可以直接通過應(yīng)用層的APP 來收集這些信息并進(jìn)行應(yīng)用。虛體在云平臺基礎(chǔ)上可以對用戶產(chǎn)品自身的安全健康運行狀況、功能特點與產(chǎn)品特性等進(jìn)行實時分析預(yù)測以及故障預(yù)報，提前地對生產(chǎn)中存在的安全問題進(jìn)行風(fēng)險警示，提供了一個真實而有效的三維實時可視化的數(shù)據(jù)分析與預(yù)測手段，輔助企業(yè)用戶對自身產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)營過程中準(zhǔn)確、快速、有效地進(jìn)行安全隱患位置的準(zhǔn)確定位，以及進(jìn)行危險的預(yù)測和排查。而且在培訓(xùn)和實際的運用中，運用虛體與實體相融合的數(shù)字孿生技術(shù)也能夠帶來更加符合實際的效果。運維階段值得關(guān)注的幾個關(guān)鍵的數(shù)字孿生技術(shù)主要有：虛體與實體的交互以及仿真預(yù)測技術(shù)。

5 數(shù)字孿生技術(shù)工廠應(yīng)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(diào)節(jié)，與二維碼識別綁定，實現(xiàn)加工全程可溯源。并設(shè)有機加工車間數(shù)據(jù)大屏，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化，生產(chǎn)過程全透明。同時設(shè)置多級預(yù)警及應(yīng)急方案，以從容應(yīng)對壓力與調(diào)度瓶頸等。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，智能機加廠的應(yīng)用，提升了人力效益，人員減少40%；嫁動效益提升30%，促進(jìn)了產(chǎn)能提升；換刀時間減少70%，備用刀柄數(shù)減少60%，提高了換刀效益以及備刀流轉(zhuǎn)效益。

6 結(jié)束語

智能制造是未來企業(yè)發(fā)展的趨勢，而數(shù)字孿生技術(shù)則是未來新一代智能制造技術(shù)最關(guān)鍵的部分。隨著未來大數(shù)據(jù)技術(shù)和移動云計算技術(shù)等新科技手段的持續(xù)發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用也還將隨著用戶在未來生產(chǎn)中的需求而持續(xù)更新和變化以實現(xiàn)對生產(chǎn)全流程的高度自動化管理和高度柔性化的調(diào)整，甚至可以真正地達(dá)到智慧化生產(chǎn)過程的無人化管理。