張恩康 賈子敬 溫亞兵

摘要：面對新一輪的科技革命，制造業(yè)應加速數(shù)字孿生等數(shù)字化技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的融合，通過建設(shè)數(shù)字化工廠獲得核心競爭優(yōu)勢。基于此，本文對數(shù)字孿生內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)展開了分析，從孿生模型建立、數(shù)字資源建設(shè)和應用平臺建設(shè)三個方面探索虛擬數(shù)字化工廠的建設(shè)路徑，通過實現(xiàn)實體工廠和數(shù)字化工廠的數(shù)據(jù)動態(tài)交互，加強各種系統(tǒng)功能集成應用，為制造業(yè)帶來管理變革，以供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；虛擬數(shù)字化工廠；三維可視化

DOI：10.12433/zgkjtz.20240109

在“中國制造2025”戰(zhàn)略實施背景下，各個工業(yè)領(lǐng)域開始引進數(shù)字孿生技術(shù)打造數(shù)字化、智能化工廠，通過在真實世界和虛擬世界間建立鏈接，利用數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)完成虛擬制造。運用虛擬、仿真等技術(shù)，能從產(chǎn)品研發(fā)開始實現(xiàn)全部生產(chǎn)活動虛擬化，根據(jù)總裝工藝需求打造數(shù)字化工廠平臺，通過優(yōu)化設(shè)計提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量。因此，通過加快虛擬數(shù)字化工廠建設(shè)，助力企業(yè)、行業(yè)轉(zhuǎn)型，加快先進制造技術(shù)的發(fā)展。

一、數(shù)字孿生內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)

（一）內(nèi)涵分析

數(shù)字孿生概念最早由美國密歇根大學教授Michael Grieves提出，表述為“物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化表達”。發(fā)展至今，人們將數(shù)字孿生解釋為通過在虛擬空間中創(chuàng)建實物高保真模型，并通過模擬器現(xiàn)實行為獲得反饋。從根本上來講，數(shù)字孿生將模型、數(shù)據(jù)當成是核心，通過物理實體、虛擬模型、服務系統(tǒng)間的相互作用形成孿生數(shù)據(jù)。將實體當成是基礎(chǔ)，劃分為單元級、系統(tǒng)級等不同層級，包括物流、信息流等，需要協(xié)同運作才能完成任務。利用模型描述實體，使用物理模型、幾何模型等不同模型，模擬實體大小、位置、狀態(tài)等，提供可視化環(huán)境。服務系統(tǒng)用于對各種模型、算法進行封裝，以模塊、組件等形式支撐平臺提供不同功能服務，滿足用戶操作需求。期間，將產(chǎn)生實體數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，均為孿生數(shù)據(jù)，通過加強各部分連接能順利完成數(shù)據(jù)傳輸、交互。從定義上來看，數(shù)字孿生和數(shù)字化工廠描述接近，能被應用到工業(yè)實踐中，并將真實工廠映射至虛擬環(huán)境中，得到數(shù)字化工廠完成生產(chǎn)過程仿真、評估和優(yōu)化，形成新的生產(chǎn)組織方式。

（二）關(guān)鍵技術(shù)

運用數(shù)字孿生技術(shù)，需掌握實時變化，通過模型精準模擬分析，實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)運作的目標。在整個過程中，首先應采用裝置模擬技術(shù)建立高精度模型，將工藝過程和工作原理作為基礎(chǔ)，模擬各類設(shè)備運行狀況。為感知實體各種運行參數(shù)，需加強各種傳感器、監(jiān)測設(shè)備的運用，利用計算完成數(shù)據(jù)處理、分析，生成數(shù)學模型。

其次，加強機器學習技術(shù)運用，通過對設(shè)備、環(huán)境等各種數(shù)據(jù)匯總分析，挖掘其中的變化規(guī)律，通過知識判斷裝置運行特征和預測生產(chǎn)狀態(tài)變化。根據(jù)生成的數(shù)據(jù)結(jié)果，以實現(xiàn)效益最大化為目標實現(xiàn)裝置運行調(diào)控，實時掌握裝置運行狀態(tài)，設(shè)置約束條件模擬和優(yōu)化各項參數(shù)，完成實體和模型交互。

最后，數(shù)字孿生技術(shù)應用離不開平臺支撐，利用云平臺對模型、數(shù)據(jù)、應用等進行集成管理，將各種功能劃分為多個模塊，采用可視化手段顯示，便于用戶根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)作出正確決策，合理調(diào)用控制系統(tǒng)實現(xiàn)裝置運行控制。在虛擬數(shù)字化工廠建設(shè)的實際過程中，需要實現(xiàn)各種技術(shù)融合運用，實現(xiàn)實體工廠和數(shù)字化工廠的全面映射，為項目順利交付提供有力的技術(shù)支撐。

二、基于數(shù)字孿生的虛擬數(shù)字化工廠建設(shè)

（一）孿生模型建立

建設(shè)虛擬數(shù)字化工廠，根據(jù)顆粒度完成設(shè)備級、系統(tǒng)級、企業(yè)級數(shù)字孿生層次的劃分，需要建立相應的孿生體，通過互聯(lián)協(xié)同構(gòu)成最終的孿生模型。在模型創(chuàng)建的過程中，進一步完成工廠結(jié)構(gòu)的分解，劃分為三維模型、工藝模型和控制模型。其中，三維模型用于描述工廠外形，包括物理屬性。而工藝模型能映射實體工廠對象，控制模型能反映物質(zhì)運行狀態(tài)。通過模型疊加，診斷和預測狀態(tài)，實現(xiàn)操作的反饋控制，優(yōu)化工廠運行。

建立孿生模型，針對車間中的機器人、裝配線等各種設(shè)備，實現(xiàn)三維模型導入，經(jīng)過輕量化處理后，完成工藝模型綁定，并通過定義邏輯行為等建立控制模型。工藝模型建立是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因為通常工藝流程中涉及的設(shè)備、裝置較多，擁有不同的運作機理，會導致三維模型間的耦合關(guān)系復雜。目前，建立的系統(tǒng)級三維模型難以確保與實體對象逐一對應，在模型不統(tǒng)一的情況下，需要實現(xiàn)跨場景應用。工藝模型建立也面臨缺少實驗數(shù)據(jù)支撐等問題，導致最終的模型無法達到高保真的效果。對此，需要運用深度融合機理建模，將相關(guān)位號作為核心，明確各三維模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，繪制帶規(guī)則驅(qū)動的P&ID圖。同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動，通過綜合運用工藝機理、流程信息等生成混合模型。相較于單純根據(jù)三維模型機理建立模型，混合模型可以結(jié)合工況變化等實現(xiàn)模型收斂，有效改善模型性能，能降低模型復雜度，改善非線性等缺陷。

在模型疊合的過程中，需實現(xiàn)工廠運行全過程仿真，從宏觀上模擬實體工廠經(jīng)營過程的同時，在微觀層面模擬物理化學反應等過程，如圖1所示。運用仿真技術(shù)，不僅需實現(xiàn)各經(jīng)營階段分段分析和耦合，還應實現(xiàn)價值流映射。采用具象化形式模擬設(shè)備特性，再現(xiàn)工藝流程，才能在虛擬環(huán)境中模擬真實工廠。在將模型和算法結(jié)合在一起的過程中，需要運用機器學習、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)模型優(yōu)化，通過靜態(tài)輸出優(yōu)化設(shè)備布局，并完善反應機理。利用模擬驅(qū)動引擎，能建立數(shù)字孿生模型，完成全局仿真分析，結(jié)合分析結(jié)果，運用目標搜索等算法完成結(jié)構(gòu)調(diào)整，并優(yōu)化工藝參數(shù)等，合理進行設(shè)備布局和裝配排序，使工作流、物流等保持高效運行，有效維持生產(chǎn)線平衡。運用集成和交互技術(shù)，在虛擬環(huán)境中模擬各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)從生產(chǎn)單元到整個工廠的建模，最終生成實現(xiàn)數(shù)據(jù)一致訪問的模型，在物聯(lián)網(wǎng)支撐下與實體設(shè)備、工廠人員保持良好互動，最終建立實體工廠和模型間的數(shù)字孿生體系，為企業(yè)的各種應用系統(tǒng)集成和協(xié)同工作提供保障。

（二）數(shù)據(jù)資源建設(shè)

要想在實體工廠和虛擬工廠完成數(shù)字化映射，需要全面采集工廠中環(huán)境、設(shè)備、裝置等各類實體的數(shù)據(jù)信息，通過算法匯總、整理后得到數(shù)據(jù)資源，為利用虛擬模型完成實時模擬分析提供支撐。采用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等先進技術(shù)，能實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)資源匯集，為數(shù)字孿生模型應用奠定扎實基礎(chǔ)，為實現(xiàn)數(shù)字化工廠平臺建設(shè)提供有力支撐。

結(jié)合數(shù)據(jù)資源建設(shè)需求，從數(shù)字化工廠建立之初開始，應確保面向全體對象實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，完成全要素覆蓋，確保對象數(shù)據(jù)齊全。為此，需建立對象類庫和相應的數(shù)據(jù)標準，如圖2所示，提供統(tǒng)一交付接口和數(shù)據(jù)格式，確保數(shù)據(jù)同源的基礎(chǔ)上，利用集成化平臺完成專業(yè)協(xié)同設(shè)計，確保后期高效、高質(zhì)量完成數(shù)字化交付，獲取精準、有效的數(shù)據(jù)信息。在工廠投運前，建立各種信息標準，完成不同粒度數(shù)字模型的抽離，通過正向建模方式實現(xiàn)文檔、數(shù)據(jù)等內(nèi)容處理，生成靜態(tài)模型，通過加載工廠實時數(shù)據(jù)使數(shù)字化工廠和實體工廠保持對應關(guān)系，為實現(xiàn)工藝優(yōu)化、設(shè)備故障預警等操作提供支撐。但就實際情況看，多數(shù)制造企業(yè)工廠數(shù)字化水平不高，在早期建設(shè)時無法實現(xiàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)自動采集，后期逐步增加傳感器等裝置采集數(shù)據(jù)，面臨數(shù)據(jù)類型繁雜的局面，引進的系統(tǒng)也大多在數(shù)據(jù)格式、通訊協(xié)議等方面存在差異，匯集后的數(shù)據(jù)資源帶有多源異構(gòu)的特點，給數(shù)據(jù)融合、利用帶來了阻礙。

針對上述問題，在數(shù)據(jù)資源建設(shè)的過程中，可以從工廠模型建立開始按照一定原則分類和編碼。通過按照統(tǒng)一規(guī)則對工廠全生命周期信息進行命名和編碼，順利實現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和集成。具體來講，就是針對材料、設(shè)備、設(shè)施等不同工廠對象進行統(tǒng)一命名，根據(jù)種類編碼，增強數(shù)據(jù)來源可識別性，為后續(xù)快速檢索數(shù)據(jù)提供支撐。在此基礎(chǔ)上，考慮到模型可視化需求，需針對不同圖層對象賦予不同顏色，參考國標要求完成色卡定義。在引進新設(shè)備、設(shè)施的過程中，應完成數(shù)據(jù)接收，要求供應商提供位號、屬性等信息，完成數(shù)據(jù)分類和要素關(guān)聯(lián)。針對各專業(yè)設(shè)計相應數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)，按照統(tǒng)一規(guī)范進行數(shù)據(jù)存儲和管理，確保數(shù)據(jù)錄入后保持一致。建立中心數(shù)據(jù)庫，根據(jù)模型完成數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計，完成業(yè)務流程梳理后，制定數(shù)據(jù)存儲方案，最終將數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)庫劃分為主庫、項目數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫等多個部門，解決數(shù)據(jù)源問題。在數(shù)據(jù)庫支撐下，實現(xiàn)各類信息動態(tài)管理，提供高效的數(shù)據(jù)服務。

（三）應用平臺建設(shè)

在虛擬數(shù)字化工廠建設(shè)過程中，需要將模型作為載體，完成數(shù)據(jù)整合后，借助應用平臺可視化展現(xiàn)。依靠平臺實現(xiàn)與企業(yè)設(shè)備管理、生產(chǎn)管理等各種系統(tǒng)的信息交互，跨場景展現(xiàn)各種業(yè)務數(shù)據(jù)，為人員開展管理活動提供支撐。以企業(yè)管理需求為導向，完成平臺各種該應用功能開發(fā)，確保用戶通過平臺與實體工廠設(shè)備、系統(tǒng)等完成數(shù)據(jù)交互，并通過數(shù)據(jù)集成、分析和挖局，為制定科學生產(chǎn)決策提供依據(jù)，推動工廠的智能化升級。

建設(shè)平臺應完成數(shù)字化工廠主要業(yè)務規(guī)劃，實現(xiàn)設(shè)備布局規(guī)劃、三維可視化處理和生產(chǎn)過程仿真調(diào)試等。根據(jù)固定規(guī)則對車間生產(chǎn)線布局進行仿真，需確定設(shè)備、空間等約束條件，合理進行各單元排布，實現(xiàn)資源利用率最大化。在虛擬環(huán)境中，對真實布局進行仿真，完成產(chǎn)線設(shè)備、工裝等要素的模擬設(shè)計，確定各單元間拓撲關(guān)系，確定空間布局效果。在明確工位、工藝等要素間約束條件后，通過仿真測試分析其中的問題，為優(yōu)化車間布局提供依據(jù)。為使結(jié)果得到可視化呈現(xiàn)，要將設(shè)備、儀表等對象參數(shù)和BIM模型綁定，通過圖層管理各類數(shù)據(jù)，并通過BIM三維模型呈現(xiàn)對象狀態(tài)。在設(shè)備層、監(jiān)控層、物流層等不同的層別上，根據(jù)工廠數(shù)字化管理需求模擬設(shè)備運維、安全監(jiān)控、物流調(diào)度等流程，為優(yōu)化工藝流程提供支撐。在設(shè)備運行仿真調(diào)試方面，利用設(shè)備模型和實時運行數(shù)據(jù)驅(qū)動模型變換狀態(tài)，在虛擬車間中觀察內(nèi)、外變化，在設(shè)備異常運行時發(fā)出報警，確保人員及時查看和排除設(shè)備安全隱患。在工藝仿真方面，可以在數(shù)字化工廠的虛擬車間中模擬生產(chǎn)過程。例如，模擬裝配過程，查看各種設(shè)備、零部件、成品等之間是否發(fā)生干涉、碰撞等情況。通過分析各模型的運動路徑，確定干涉產(chǎn)生的原因，完成優(yōu)化調(diào)整。通過將數(shù)字化工廠中的模型和真實控制設(shè)備連接，完成生產(chǎn)系統(tǒng)功能測試，執(zhí)行優(yōu)化后的程序，實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)運行管理的目標。

為加強數(shù)字化工廠的應用，需要通過平臺實現(xiàn)各種應用系統(tǒng)集成，確保在生產(chǎn)改造、智能巡檢、應急演練等多方面提供可視化服務，實現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)資源的充分利用。將平臺作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)工廠全部信息的承載，能完成場景全覆蓋。例如，與生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成過程中，通過平臺服務器資產(chǎn)位置、編碼等信息完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接，使模型實時顯示控制點數(shù)據(jù)。平臺自動采集控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，開發(fā)狀態(tài)監(jiān)測等功能，將采集到數(shù)據(jù)提供給上層系統(tǒng)使用，加強靜態(tài)模型數(shù)據(jù)和動態(tài)生產(chǎn)信息關(guān)聯(lián)，通過綜合分析設(shè)備溫度、管道壓力等各種參數(shù)判斷設(shè)備是否處于安全狀態(tài)。平臺與各種系統(tǒng)的集成框架如圖3所示，通過接口與各種系統(tǒng)對接后，平臺借助導航獲取監(jiān)測點的位置、狀態(tài)等信息，能在接收到報警后通過三維模型直觀查看危險源分布情況，實現(xiàn)可視化管理。此外，借助平臺完成數(shù)字化工廠培訓管理，采用智能P&ID學習工藝流程，通過導航和模型關(guān)聯(lián)了解設(shè)備信息，有效提高人員培訓效率和質(zhì)量。利用平臺仿真軟件模擬應急演練等活動，在虛擬車間內(nèi)模擬火災等場景，由人員進行救災和應急指揮，并根據(jù)結(jié)果進行評估，有效提高員工安全技能。因此，通過平臺將大量的工藝流程、設(shè)備操作原理等模塊化，能提高平臺服務能力，為實現(xiàn)工廠產(chǎn)供銷一體化管理優(yōu)化提供支撐。

三、結(jié)語

在利用數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)虛擬數(shù)字化工廠的過程中，需要實現(xiàn)模擬技術(shù)、機械學習技術(shù)等各種技術(shù)的融合運行，確保順利建立工廠數(shù)字孿生模型，并通過匯集數(shù)據(jù)資源加強模型和實體工廠連接，打造平臺實現(xiàn)系統(tǒng)應用功能集成，為優(yōu)化工廠運行管理提供支撐。在虛擬場景中，通過實現(xiàn)實體工廠感知、模擬、仿真等操作，能推動工廠向智能化方向發(fā)展。

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