工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支持下的數(shù)字孿生車間

王建民 宋慶奎 彭瑩瑩 尚立新

1.山東聊城煙草有限公司；2.山東省煙草專賣局（公司）

在當(dāng)前信息技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮重要影響作用。數(shù)字孿生技術(shù)的主要作用在于讓物理與信息空間實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。本文圍繞該技術(shù)的數(shù)據(jù)收集、模型構(gòu)建與實際運(yùn)用等不同方面探討數(shù)字孿生車間的制造與使用。同時，針對各大企業(yè)在發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)時使用的手段進(jìn)行對照分析。研究結(jié)果表明，數(shù)字孿生車間的技術(shù)重點在于能否實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。在當(dāng)前信息技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也在數(shù)字孿生車間的建造過程中發(fā)揮了重要作用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以將數(shù)據(jù)、設(shè)備以及人員的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的連接，并通過各種技術(shù)來實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)傳輸。本文分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支持下的數(shù)字孿生車間技術(shù)，同時以此為基礎(chǔ)對我國企業(yè)今后運(yùn)用該項技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

在新一代信息技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，如何充分運(yùn)用其實現(xiàn)智能制造受到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。而在針對該項問題進(jìn)行研究的過程中，怎樣解決物理與信息空間難以進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的問題是大部分學(xué)者研究的重點。為此，需要運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)來處理這一問題。2016年，Gartner公司提出，數(shù)字孿生技術(shù)將成為一項具有戰(zhàn)略性意義的重要技術(shù)。王肖景等學(xué)者也認(rèn)為在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支持下的數(shù)字孿生車間將為各國智能制造的發(fā)展提供重要助力。因此，本文將針對上述技術(shù)的背景、發(fā)展現(xiàn)狀以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對其的支持開展研究，希望以此來推動我國智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 數(shù)字孿生的產(chǎn)生背景

數(shù)字孿生技術(shù)主要指代通過數(shù)字化手段在信息空間內(nèi)構(gòu)建虛擬模型的技術(shù)，它能夠通過數(shù)據(jù)手段來對現(xiàn)實中存在的事物進(jìn)行精確的模擬，以此來幫助工作人員開展更加科學(xué)合理的風(fēng)險評估與優(yōu)化決策[1]。

學(xué)者M(jìn)ichael Grieves在2003年便已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，能通過虛擬數(shù)字化表達(dá)的方式來模擬物理產(chǎn)品，他的研究也被人們視為數(shù)字孿生技術(shù)的雛形。然而，因為當(dāng)時的技術(shù)水平無法實現(xiàn)這一理論，同時人們的認(rèn)知也存在一定的限制，所以該理論并未得到充分的重視。而在2011年，數(shù)字孿生的概念再次受到了人們的關(guān)注，美國空軍研究實驗室通過運(yùn)用該項技術(shù)來進(jìn)行飛行器的維護(hù)以及使用壽命的評估。這也使得數(shù)字孿生技術(shù)開始進(jìn)入了人們的視野，在后續(xù)十?dāng)?shù)年的研究過程中，該項技術(shù)得到了大量學(xué)者的進(jìn)一步完善。因為人們逐漸意識到數(shù)字孿生技術(shù)有助于推動物理信息系統(tǒng)發(fā)展，部分學(xué)者開始將目光從飛行器等復(fù)雜產(chǎn)品轉(zhuǎn)向其他領(lǐng)域，最終導(dǎo)致該技術(shù)在一些通用產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中也取得一定效用。數(shù)字孿生是一種虛擬模型、物理實體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)系統(tǒng)與相互間的連接等，五個部分構(gòu)成的五維結(jié)構(gòu)模型。其核心在于數(shù)據(jù)與模型兩個方面，此外，孿生數(shù)據(jù)的使用也是處理物理信息融合問題的關(guān)鍵。我們必須針對物理空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，在此基礎(chǔ)上方可完成虛擬模型的構(gòu)建。而在完成虛擬模型建設(shè)之后，其運(yùn)行過程中取得的各項數(shù)據(jù)也能幫助人們更好進(jìn)行決策與風(fēng)險預(yù)估。

2 數(shù)字孿生車間技術(shù)及其發(fā)展

2.1 虛擬車間、數(shù)字化車間、數(shù)字孿生車間的比較

在智能制造車間不斷發(fā)展的過程中，其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐漸實現(xiàn)了由原本的物理空間向信息空間的拓展，并且在此過程中產(chǎn)生了新的相關(guān)概念。其中，虛擬車間指的是車間在虛擬空間內(nèi)的映射，涵蓋了對于其所有生產(chǎn)要素的刻畫以及行為表達(dá)，是一種依靠車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)來作為驅(qū)動的模型，通過虛擬車間可以較為直觀地表現(xiàn)出車間的具體運(yùn)行狀況。而數(shù)字化車間則代表信息技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)在車間制造過程中的綜合運(yùn)用，依靠數(shù)控設(shè)備以及信息管理系統(tǒng)的集成，來對產(chǎn)品制造的過程進(jìn)行有效地控制，最終實現(xiàn)系統(tǒng)柔性以及生產(chǎn)速度的提升。最后，數(shù)字孿生車間代表了數(shù)字孿生技術(shù)在車間制造過程中的運(yùn)用，其原理在于依靠物理車間與虛擬車間的雙向映射交互，依靠數(shù)字孿生技術(shù)來幫助車間實現(xiàn)迭代優(yōu)化，以此來完成生產(chǎn)與管理效率的提升。

數(shù)字孿生車間不但涵蓋了虛擬車間，還涵蓋了數(shù)字化物理車間。其中前者無法對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，必須通過虛擬化的方式表達(dá)車間模型，無法對車間的具體情況進(jìn)行表述。而后者則能夠進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的采集，然而因為缺乏車間虛擬模型而無法有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)用，同時車間管理系統(tǒng)與物理車間也無法完成實時數(shù)據(jù)交互。數(shù)字孿生技術(shù)可以將兩種車間的優(yōu)點進(jìn)行結(jié)合，以此來實現(xiàn)信息和物理空間的數(shù)據(jù)融合[2]。在進(jìn)行數(shù)字孿生車間的運(yùn)用時，我們需要處理的一項重要問題在于信息與物理空間的數(shù)據(jù)交互問題，所以在進(jìn)行數(shù)字孿生車間的建設(shè)時，可以在其中引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依靠其快速數(shù)據(jù)傳遞以及數(shù)據(jù)處理的功能來處理這一問題。

2.2 數(shù)字孿生車間概念及應(yīng)用

車間是發(fā)展制造業(yè)的基礎(chǔ)單位，因此在推行智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，怎樣建立起智能車間受到了學(xué)者們的廣泛重視，而數(shù)字孿生技術(shù)的使用能夠有效地實現(xiàn)這一目標(biāo)。陶飛等學(xué)者指出，數(shù)字孿生車間將成為今后我國制造車間發(fā)展的主要方向，通過進(jìn)一步發(fā)展與運(yùn)用該項技術(shù)，我們可以有效地促進(jìn)物理與信息空間的聯(lián)通。Cunbo Zhuang等探討了該技術(shù)如何在衛(wèi)星裝配車間的生產(chǎn)過程中發(fā)揮作用，并分析實時獲取、組織物理裝配車間數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)。

此外，還有一些學(xué)者針對整體車間的構(gòu)建開展深入研究，Hao Zhang等以數(shù)字孿生技術(shù)的運(yùn)用為基礎(chǔ)，在其發(fā)表的文獻(xiàn)中論述一種個性化的快速設(shè)計生產(chǎn)線方法，并給出一套科學(xué)的優(yōu)化算法。朱志民等則探討了該項技術(shù)在軌道交通轉(zhuǎn)向架產(chǎn)業(yè)中的運(yùn)用，其研究為該產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供了理論方面的依據(jù)。Jiewu Leng等則以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建出了一套信息物理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能被用于個性化定制的并行控制智能化車間。陳振等探討當(dāng)前飛機(jī)裝配車間在生產(chǎn)制造過程中存在的各種問題，并在此基礎(chǔ)上提出運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)的飛機(jī)數(shù)字裝配車間。此外，學(xué)者還提出車間生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的幾項重點問題，并對其進(jìn)行了深入研究[3]。上述系統(tǒng)之所以能夠正常運(yùn)行，是因為其建立在車間孿生數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，因此如何以更高的效率開展數(shù)據(jù)收集與傳輸，是當(dāng)前我們在建設(shè)數(shù)字孿生車間時需要解決的一項重點問題。為此，Thomas等學(xué)者針對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集、仿真數(shù)據(jù)處理以及多模態(tài)數(shù)據(jù)采集等方面開展了深入研究，而Hopmann等學(xué)者針對一項關(guān)于3D模型實時數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)進(jìn)行了研究，通過該架構(gòu)可以為產(chǎn)品的設(shè)計與制造等環(huán)節(jié)的開展提供更多具有可行性的方案。此外，陶飛等學(xué)者也針對數(shù)字孿生車間的信息融合以及數(shù)據(jù)融合進(jìn)行了探討。

發(fā)展建設(shè)數(shù)字孿生車間的主要目標(biāo)在于對物理車間的運(yùn)行提供科學(xué)的指導(dǎo)，其內(nèi)容涵蓋了車間監(jiān)控、故障排查、設(shè)備維護(hù)以及物流指導(dǎo)等各個方面。姜康等學(xué)者依靠車間虛擬模型以及現(xiàn)場實時狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型來針對車間的情況進(jìn)行監(jiān)管。

在數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的過程中，許多企業(yè)也參與到研究過程中，并取得一定成果。德國的西門子公司提出了數(shù)字化雙胞胎的概念，并在此基礎(chǔ)上推出了以NX系列為代表的開發(fā)軟件，其作用在于幫助企業(yè)更加便捷的構(gòu)建生產(chǎn)系統(tǒng)模型，以此來完成產(chǎn)品設(shè)計與制造的自動化。PTC公司也運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)出了T-System系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界之間的有效連接，確保用戶能享受更優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)。達(dá)索公司則依靠其研發(fā)的3D Experience來針對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行改良。而GE公司也采用數(shù)字孿生技術(shù)來對其產(chǎn)品的性能進(jìn)行評估。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基本構(gòu)成和數(shù)據(jù)來源

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成要素涵蓋了行動層、數(shù)采層以及洞察層，通過這種構(gòu)成體系，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以對工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面感知，同時根據(jù)感知的結(jié)構(gòu)來對數(shù)據(jù)情況進(jìn)行實時分析，確保工作人員在進(jìn)行生產(chǎn)制造時取得可靠地分析數(shù)據(jù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)大多源于外部數(shù)據(jù)、機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)以及信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)[4]。（1）外部數(shù)據(jù)，在這一層面的數(shù)據(jù)和企業(yè)所處的行業(yè)存在密切的關(guān)系，其中包括了市場環(huán)境、輿論環(huán)境等內(nèi)容；（2）機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)，其內(nèi)容涵蓋了企業(yè)在開展生產(chǎn)制造活動的過程中各種儀器設(shè)備所生成與收集的數(shù)據(jù)，此外也涵蓋了企業(yè)在把產(chǎn)品交付給客戶時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。（3）信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，這也是企業(yè)在開展制造活動時的主要數(shù)據(jù)來源，大多為運(yùn)行過程中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其中包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)以及運(yùn)營等方面的數(shù)據(jù)。

3.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念與原理

針對行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行方式、過程以及結(jié)果開展研究能夠發(fā)現(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工作原理是以工業(yè)生產(chǎn)、智能分析為中心，通過人機(jī)互聯(lián)的系統(tǒng)構(gòu)架來建立起高效的工業(yè)信息流通環(huán)境。而智能分析則指代融合了工業(yè)流程、專業(yè)技術(shù)以及數(shù)據(jù)科學(xué)在內(nèi)的分析體系，通過這種方式來實現(xiàn)由人腦分析朝向數(shù)據(jù)分析的轉(zhuǎn)變，最終實現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)分析質(zhì)效的提高。智能物體指代以顯示中存在的各種傳感器為核心，以物體間通信為基礎(chǔ)，并搭配可以開展信息交互的物理環(huán)境。實際上，智能物體與智能分析之間存在著相輔相成的關(guān)系，也就是說，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)指的是以智能物體為基礎(chǔ)建成的信息聯(lián)通環(huán)境，能周期性地進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集，再將其匯總至智能分析系統(tǒng)之中，同時以相關(guān)模型為基礎(chǔ)，針對產(chǎn)品的設(shè)計與制造流程進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，從而實現(xiàn)生產(chǎn)效益的進(jìn)一步提高。

3.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對數(shù)字孿生車間的構(gòu)建支持

在進(jìn)行數(shù)字孿生車間的構(gòu)建過程中，我們需要滿足的一項技術(shù)要求便是進(jìn)行實時數(shù)據(jù)融合。同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能夠依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)萬物互聯(lián)，依靠邊緣計算的方式處理車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時性與可靠性不足的問題。物理車間依靠傳感層把數(shù)據(jù)依靠網(wǎng)絡(luò)層傳遞至應(yīng)用層以開展數(shù)據(jù)處理，最后將數(shù)據(jù)傳遞至虛擬車間。此外，通過虛擬車間取得的仿真結(jié)果也能夠被反作用于物理車間，依靠網(wǎng)絡(luò)層所具有的數(shù)據(jù)實時傳輸能力以及強(qiáng)大計算能力，來完成虛擬車間以及物理車間的實時同步。車間服務(wù)系統(tǒng)物理車間與虛擬車間的大量的信息數(shù)據(jù)，也能依靠網(wǎng)絡(luò)層來進(jìn)行高效的傳輸。

對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而言，其萬物互聯(lián)不僅局限于物理實體的互相連接，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)物理實體與信息空間之間的連接以及信息空間的互相連接。針對數(shù)字孿生車間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的運(yùn)用也必須建立在物聯(lián)網(wǎng)的支持之下。在發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)時，最后需要實現(xiàn)的技術(shù)要點在于如何進(jìn)行物理空間與信息空間的融合，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們應(yīng)當(dāng)確保信息數(shù)據(jù)的傳輸更加高效，并且盡可能減少延遲，最好做到完全忽略延時。在進(jìn)行虛擬模型的構(gòu)建時，應(yīng)當(dāng)依據(jù)物理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來創(chuàng)建模型，同時模型的驅(qū)動也應(yīng)當(dāng)建立在實時的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯?。最后，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以讓不同平臺的數(shù)字孿生車間與用戶之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以此來達(dá)成萬物互聯(lián)的發(fā)展目標(biāo)。針對上述兩個方面的研究可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生技術(shù)的實現(xiàn)必須擁有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐，同時該技術(shù)的發(fā)展也能夠推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展與普及。

當(dāng)前，許多學(xué)者都針對信息物理空間數(shù)據(jù)傳輸開展了研究。舉例而言，屈挺等學(xué)者針對當(dāng)前我國企業(yè)面對的生產(chǎn)和物流系統(tǒng)建設(shè)的聯(lián)動運(yùn)作問題開展了研究，并以此為基礎(chǔ)提出了一種以物聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)的多環(huán)節(jié)聯(lián)動運(yùn)作系統(tǒng)。此外，盧陽光等學(xué)者還研究了一種以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的汽車工業(yè)敏捷規(guī)劃仿真模型，并將其和企業(yè)使用的傳統(tǒng)規(guī)劃方法進(jìn)行了對照分析，最終結(jié)果顯示這種方式具有更高的有效性。同時，這一模型的措施也促使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)之間實現(xiàn)了有機(jī)結(jié)合。丁凱等學(xué)者也針對以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)的車間智能制造系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并建立起一套智能車間制造物聯(lián)網(wǎng)體系，以此來確保車間數(shù)據(jù)能實現(xiàn)實時傳輸。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生車間技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用能夠促進(jìn)物理與信息空間的聯(lián)通，但是，目前我國在發(fā)展該項技術(shù)的過程中依然局限于理論方面的研究，這是因為目前的信息技術(shù)水平依然難以滿足其實際部署的需求。隨著該項技術(shù)在企業(yè)車間生產(chǎn)過程中發(fā)揮的作用愈發(fā)凸顯，數(shù)字孿生車間也將演變?yōu)槲磥碇悄苘囬g建設(shè)的主要手段。在模型層面上，各大企業(yè)推行的模型構(gòu)建軟件在定義格式方面大多具有不兼容性，此外各大企業(yè)在實際運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)時選擇的重點也各不相同。因此，為了進(jìn)一步推動該項技術(shù)的發(fā)展，還需要探討怎樣實現(xiàn)不同軟件格式之間的兼容。在數(shù)據(jù)傳輸和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的角度上，當(dāng)前大部分工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)依然采用有線傳輸?shù)男问?，但針對?dāng)前的制造業(yè)生產(chǎn)實際進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，無線傳輸?shù)姆绞脚c企業(yè)運(yùn)營的實際需求更加契合。為此，需要通過發(fā)展傳感器技術(shù)來實現(xiàn)無線運(yùn)輸，以此來提升數(shù)字孿生中數(shù)據(jù)延遲的進(jìn)一步降低以及數(shù)據(jù)可靠性的進(jìn)一步提升。

引用

[1] 陸劍峰,王盛,張晨麟,等.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支持下的數(shù)字孿生車間[J].自動化儀表,2019,40(5):1-5+12.

[2] 張昌福,嚴(yán)蕓,楊靈運(yùn),等.數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用場景與路徑研究[J].中國信息化,2022(1):96-97+100.

[3] 劉彬,張云勇.基于數(shù)字孿生模型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[J].電信科學(xué),2019,35(5):120-128.

[4] 羅少康,滕文琪.數(shù)字孿生車間系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用[J].機(jī)械,2021, 48(3):53-58.