基于數(shù)字孿生的智慧工廠建設(shè)和案例分析

韓駿

摘要：隨著大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，制造企業(yè)對(duì)工業(yè)資源優(yōu)化配置提出了更高的要求，工廠的信息化與工業(yè)化融合發(fā)展已經(jīng)成為不可阻擋的趨勢(shì)。在這一背景下，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其不僅為智慧工廠的建設(shè)提供了必要的技術(shù)支持，而且能夠幫助工廠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造等方面作出正確的決策，是智慧工廠實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。研究介紹了數(shù)字孿生、智慧工廠相關(guān)概念，提出了數(shù)字孿生的智慧工廠建設(shè)架構(gòu)，并將其運(yùn)用于實(shí)際案例，實(shí)踐證實(shí)，其能夠?qū)崿F(xiàn)工廠生產(chǎn)效益最大化，值得推廣。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;智慧工廠;建設(shè);案例分析;仿真試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH166文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-6903（2021）12-0111-03

進(jìn)入21世紀(jì)，全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量及服務(wù)水平方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)制造模式無(wú)法適應(yīng)新市場(chǎng)及新變化，急需進(jìn)行轉(zhuǎn)型。作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)行業(yè)，制造業(yè)與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合勢(shì)在必行。目前，多個(gè)國(guó)家紛紛推出了先進(jìn)制造戰(zhàn)略，以推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展[1]。我國(guó)在中國(guó)制造2025戰(zhàn)略背景下提出了智能制造概念，強(qiáng)調(diào)在制造業(yè)發(fā)展過(guò)程中融入自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，幫助決策及執(zhí)行。構(gòu)建一個(gè)真正的智慧工廠，促進(jìn)生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量的提升。數(shù)字孿生技術(shù)則為智慧工廠的構(gòu)建提供了必要的支持[2]。在數(shù)字孿生理念下，打造智慧工廠不僅是制造業(yè)發(fā)展的需求，同時(shí)也是市場(chǎng)多樣化及個(gè)性化發(fā)展的要求。建立面向智慧工廠的數(shù)字孿生、實(shí)現(xiàn)資源服務(wù)，對(duì)于智能系統(tǒng)的推廣、應(yīng)用有著重要的意義。

1數(shù)字孿生與智慧工廠概述

1.1數(shù)字孿生

所謂數(shù)字孿生，主要指的是虛擬空間中呈現(xiàn)的物理空間對(duì)象模型，在傳感器作用下該模型能夠?qū)φ鎸?shí)物體數(shù)據(jù)予以獲取，發(fā)生相應(yīng)的改變，是建模仿真領(lǐng)域的新趨勢(shì)。數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)數(shù)字孿生模型在虛擬空間的構(gòu)建，不僅能夠完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化，而且有利于資源配置，促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升。數(shù)字孿生技術(shù)充分利用了計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行真實(shí)映射，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)感知形成集成融合。物理對(duì)象在整個(gè)生命周期中，相關(guān)信息逐漸積累，最終共同進(jìn)化[3]。不僅如此，數(shù)字孿生除對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行描述外，還能夠?qū)ξ锢韺?duì)象的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行良好的控制，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)達(dá)到最優(yōu)。其框架模型如圖1所示。

1.2智慧工廠概述

智慧工廠由智能機(jī)器人與人類專家組成，主要致力于生產(chǎn)制造的智能化實(shí)現(xiàn)。其能夠智能化分析、推理信息，幫助專家作出精準(zhǔn)的判斷與決策。智慧工廠較傳統(tǒng)工業(yè)制造呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）在智能感知技術(shù)支持下，應(yīng)用感知控制能夠有效采集工業(yè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)互通聯(lián)通，根據(jù)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)時(shí)傳遞所采集的數(shù)據(jù)。（2）在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)支持下，有利于對(duì)海量數(shù)據(jù)的挖掘與分析，可充分利用數(shù)據(jù)信息。（3）有利于服務(wù)模式的創(chuàng)新，在信息管理、智能終端技術(shù)支持下能夠?qū)鹘y(tǒng)工業(yè)進(jìn)行智能改善，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)價(jià)值的提升，創(chuàng)新服務(wù)理念及服務(wù)產(chǎn)品。技術(shù)新技術(shù)，智慧工廠將會(huì)朝著智能化、泛在化、邊緣化、扁平化及平臺(tái)化等發(fā)展。由此帶來(lái)的管理變革包括設(shè)備聯(lián)接日趨多元化，數(shù)據(jù)處理向邊緣端傾斜以及企業(yè)戰(zhàn)略由產(chǎn)業(yè)個(gè)體向生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，企業(yè)運(yùn)營(yíng)由設(shè)備和資產(chǎn)向產(chǎn)品和客戶轉(zhuǎn)移。

1.3數(shù)字孿生與現(xiàn)代工廠的融合

在數(shù)字孿生這一概念下，工廠有物理工廠與虛擬工廠之分，其利用數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，保障了雙向真實(shí)映射與實(shí)時(shí)交互的實(shí)現(xiàn)，使得物理世界與信息世界之間的桎梏被打破，物理工廠與虛擬工廠在融合期間所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)即為孿生數(shù)據(jù)，其能夠?yàn)楣S發(fā)展起到重要的驅(qū)動(dòng)作用，使得工廠各個(gè)生產(chǎn)要素在物理、虛擬共產(chǎn)及各服務(wù)系統(tǒng)之間有序運(yùn)行，一方面優(yōu)化了物理工廠生產(chǎn)模式，另一方面提升了共產(chǎn)生產(chǎn)及管控效果，其交互融合如圖2所示。

2基于數(shù)字孿生的智慧工廠建設(shè)架構(gòu)

傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)管理模式下，生產(chǎn)過(guò)程需要進(jìn)行設(shè)備預(yù)防維護(hù)、數(shù)據(jù)信息分析，這些都需要由人工進(jìn)行，而在現(xiàn)代云計(jì)算技術(shù)支持下，利用數(shù)字孿生能夠輔助一線人員進(jìn)行制造活動(dòng)的決策，未來(lái)的工廠將部署5G毫米波網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高度智能化，廠區(qū)密集部署傳感器、工業(yè)機(jī)器人、智能攝像頭等，這些工業(yè)設(shè)備通過(guò)可擴(kuò)展、高可靠的5G企業(yè)專網(wǎng)，向云端傳輸海量的數(shù)據(jù)。工人可以通過(guò)智能攝像頭監(jiān)控生產(chǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備，在這過(guò)程中，不僅能助力制造企業(yè)提升自動(dòng)化水平和控制效率，企業(yè)還可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提升業(yè)務(wù)洞察，從而更快更準(zhǔn)確的進(jìn)行決策。5G毫米波將在工業(yè)4.0演進(jìn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，支持可重構(gòu)的工廠，提高生產(chǎn)力和靈活性。

研究構(gòu)建了數(shù)字孿生支持下智慧工廠架構(gòu)，其將數(shù)字孿生系統(tǒng)作為紐帶，與企業(yè)管理系統(tǒng)相連接，與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)配合，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，其能夠幫助對(duì)工廠車間管控系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化。從短期來(lái)看，其主要目標(biāo)為通過(guò)虛擬工廠實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)、生產(chǎn)要素的管控。從長(zhǎng)期目標(biāo)看，其主要是探尋工廠生產(chǎn)管控的最優(yōu)模式。

3數(shù)字孿生與智慧工廠融合案例分析

3.1數(shù)字孿生與鋁單板幕墻裝配線融合方案

研究采用仿真試驗(yàn)，對(duì)鋁單板幕墻裝配線運(yùn)行機(jī)制復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行仿真，采用Sketchup建立了靜態(tài)的3D模型，均按照生產(chǎn)線的環(huán)境、場(chǎng)地及物料約束條件進(jìn)行還原，引入傳感器，對(duì)物理工廠運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，采用數(shù)字信息的方式予以呈現(xiàn)，在虛擬工廠仿真系統(tǒng)中予以上傳。虛擬工廠能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控物理工廠情況，結(jié)合優(yōu)化情況對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)作出相應(yīng)的調(diào)整。研究以方大新材料（江西）有限公司為例，其主要從事鋁單板幕墻生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，在具體仿真試驗(yàn)過(guò)程中，引入數(shù)字孿生這一概念，分析并規(guī)劃了生產(chǎn)線具體生產(chǎn)情況，其具體步驟如下：（1）建立各個(gè)工作站的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)工段運(yùn)行狀態(tài)予以分析，仿真項(xiàng)目主要包括員工的作業(yè)、物料配送等。（2）將生成的數(shù)據(jù)與裝配線建立起聯(lián)系，對(duì)鋁單板幕墻生產(chǎn)過(guò)程具有一定的指導(dǎo)作用。（3）在虛擬裝配線上上傳裝配線產(chǎn)生的感知數(shù)據(jù)，并實(shí)施仿真模擬，數(shù)據(jù)之間相互作用、進(jìn)化，建立起物理世界與信息世界的聯(lián)系。

3.2虛擬裝配線建立

3.2.1靜態(tài)建模

研究測(cè)量了生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，在幾何建模過(guò)程中主要用到了Sketchup線條、推拉、路徑跟隨等。

3.2.2動(dòng)態(tài)建模

應(yīng)用Flexsim構(gòu)建真實(shí)系統(tǒng)的3D數(shù)字孿生模型，其所用的時(shí)間更短，成本更低，經(jīng)過(guò)實(shí)體的創(chuàng)建與連接，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)行可視化仿真，能夠?yàn)檫M(jìn)一步數(shù)字孿生分析提供豐富的依據(jù)。

3.2.3Flexsim混流裝配仿真

完成靜態(tài)與動(dòng)態(tài)建模后，構(gòu)建了不同工段仿真模型，具體如圖3，通過(guò)結(jié)果分析，對(duì)裝配線的運(yùn)行提出了具有可行性的意見(jiàn)與改進(jìn)措施。

研究所設(shè)置的仿真運(yùn)行僅有一個(gè)班次，工作時(shí)間為10h，因此將單次仿真時(shí)間設(shè)置為36000s。裝配線分析主要了解的是裝配平衡與投產(chǎn)排序，研究?jī)?nèi)容主要包括工位的作業(yè)時(shí)間，由于鋁單板幕墻采用人工裝配的方式，通過(guò)仿真系統(tǒng)能夠了解工位上操作員的作業(yè)狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)投產(chǎn)排序是否會(huì)對(duì)裝配線產(chǎn)生影響能夠作出合理的分析。該系統(tǒng)還能夠反映出操作人員作業(yè)狀態(tài)及物料消耗情況[4]。經(jīng)過(guò)36000s的運(yùn)行，對(duì)生產(chǎn)線實(shí)際數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作出了統(tǒng)計(jì)分析。從操作人員實(shí)時(shí)狀態(tài)看，B073L、B073R1、B073R2等工位的操作人員存在較高的作業(yè)強(qiáng)度，幾乎無(wú)空閑作業(yè)，其中其在取料及步行時(shí)間方面所占用的時(shí)間比例較高，存在瓶頸，表現(xiàn)為作業(yè)負(fù)荷存在較大的波動(dòng)，影響生產(chǎn)線平衡性。

從物料實(shí)時(shí)消耗情況可以發(fā)現(xiàn)鋁單板一般采用2～4mm厚的AA1100純鋁板或AA3003等鋁合金板，市場(chǎng)大概是4mm厚的復(fù)合板要比2.5mm厚的鋁單板價(jià)格要低120元/方以上，鋁單板有氟碳噴涂鋁單板和輥涂?jī)煞N，國(guó)內(nèi)暫時(shí)還沒(méi)有輥涂生產(chǎn)線，再加上鋁單板的鈑金加工的簡(jiǎn)易，而且可以省了一大筆成本。

3.3生產(chǎn)可視化

生產(chǎn)過(guò)程能夠?qū)ιa(chǎn)節(jié)拍、線上物流等實(shí)施可視化仿真，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠?qū)μ摂M生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，結(jié)合預(yù)設(shè)的條件與參數(shù)作出相應(yīng)的判斷，并對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備利用情況、生產(chǎn)瓶頸予以反映。數(shù)字孿生車間監(jiān)控情況，其主要涉及到物料信息、調(diào)度情況及生產(chǎn)線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備位置等。車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要是以數(shù)據(jù)標(biāo)簽、數(shù)據(jù)圖表的形式予以呈現(xiàn)，其將生產(chǎn)線作為單元，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)作、庫(kù)存運(yùn)作的可視化。

3.4服務(wù)序列最優(yōu)選擇

研究構(gòu)建了服務(wù)序列，結(jié)合生成的任務(wù)序列，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)服務(wù)循環(huán)進(jìn)行了調(diào)度，形成了服務(wù)組合，其主要包括揀選、生產(chǎn)、打碼、OCR等多項(xiàng)校驗(yàn)服務(wù)。

經(jīng)過(guò)服務(wù)搜索，構(gòu)建了一個(gè)候選服務(wù)集，將服務(wù)狀態(tài)分為滿負(fù)荷、未滿負(fù)荷、維護(hù)、無(wú)效及空閑幾個(gè)方面，通過(guò)篩選在各個(gè)候選服務(wù)中選擇出最優(yōu)的一組。數(shù)字孿生應(yīng)用于生產(chǎn)任務(wù)流程，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任務(wù)的調(diào)度與轉(zhuǎn)化，經(jīng)遺傳算法計(jì)算獲得最優(yōu)服務(wù)組合，具有一定的可行性。

3.5數(shù)字孿生與裝配線融合效果

利用物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)⒀b配線數(shù)字信息與虛擬裝配線相連接，對(duì)裝配線工作及生產(chǎn)線運(yùn)行情況進(jìn)行仿真模擬，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)裝配線運(yùn)作情況作出相應(yīng)的調(diào)控，通過(guò)交互與作用，能夠保障裝配線效益最大化的實(shí)現(xiàn)。

4結(jié)語(yǔ)

智慧工廠在制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展中發(fā)揮著主戰(zhàn)場(chǎng)的作用，其將物理工廠作為基礎(chǔ)，利用數(shù)字孿生建立虛擬工廠，能夠有效監(jiān)控工廠規(guī)劃與設(shè)計(jì)，促進(jìn)企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理的提升。研究結(jié)合案例分析了數(shù)字孿生智慧工廠架構(gòu)，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，有利于共同進(jìn)化，為數(shù)字孿生的推廣及實(shí)踐應(yīng)用提供借鑒。

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WisdowFactoryConstructionandCaseStudyBasedonDigitalTwin

HANJun

（FangdaNewMaterial（Jiangxi）Co.，Ltd.，NanchangJiangxi330096）

Abstract：WiththedevelopmentofbigdataandInternetofThingstechnology，manufacturingenterpriseshaveputforwardhigherrequirementsforoptimalallocationofindustrialresources，andtheintegrationoffactoryinformatizationandindustrializationhasbecomeanirresistibletrend.Inthiscontext，digitaltwintechnologyemergesasthetimesrequire.Itnotonlyprovidesnecessarytechnicalsupportfortheconstructionofwisdowfactories，butalsohelpsfactoriesmakecorrectdecisionsinproductdesign，productionandmanufacturing，whichisthekeytotherealizationofwisdowfactories.Thispaperintroducestheconceptsrelatedtodigitaltwinandwisdowfactory，putsforwardtheconstructionframeworkofdigitaltwinwisdowfactory，andappliesittopracticalcases.Practiceprovesthatitcanmaximizetheproductionbenefitofthefactoryandisworthpromoting.Keywords：digitaltwin;wisdowfactory;construction;caseanalysis;thesimulationtest