基于數(shù)字孿生的虛擬工廠研究及設(shè)計

楊龍 張恩康 韓磊 丁鑫培

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0.引言

智能制造隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其定義及應(yīng)用已成為制造業(yè)研究領(lǐng)域的一個常態(tài)話題。眾多學(xué)者的研究表明，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于數(shù)字孿生的虛擬工廠技術(shù)已成為制造行業(yè)數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)，將會成為實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)乃至智能制造的基礎(chǔ)，值得深入、全面地研究其內(nèi)在機(jī)理和應(yīng)用模式[1-3]。

實體工廠是構(gòu)建虛擬工廠的基礎(chǔ)原型，工廠的不同車間具有不同層次化的特點，按照生產(chǎn)工藝及功能一般可分幾個層次，如設(shè)備級、產(chǎn)線級、車間級、工廠級等。實體工廠的每個層次之間的生產(chǎn)狀態(tài)、工藝流程、故障等信息相互交錯，存在著復(fù)雜性，會進(jìn)一步使車間，工廠數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，造成了不同層次信息互通及數(shù)據(jù)共享的障礙，故對實體工廠各要素信息需要進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和訪問。

虛擬工廠作為提升企業(yè)智能制造水平的關(guān)鍵基礎(chǔ)性技術(shù)，其目的是建立實體工廠的數(shù)字化表達(dá)，讓實體工廠的制造工藝、制造流程、問題化解措施等以可視化實時展示出來，同時銜接和支撐能源管理、視頻監(jiān)控、設(shè)備管理、安全管理、車輛定位、生產(chǎn)管理等數(shù)據(jù)的可視化展示，構(gòu)建起基于三維模型的可視化大數(shù)據(jù)支持平臺，為公司大數(shù)據(jù)決策提供基礎(chǔ)三維模型支撐?；诖?，對智能制造企業(yè)來說，建立虛擬化工廠及構(gòu)建其應(yīng)用場景勢在必行。

1.虛擬工廠數(shù)字化的建設(shè)

1.1 虛擬工廠與物理工廠實時數(shù)據(jù)信息交互

虛擬工廠的建設(shè)及應(yīng)用是較為復(fù)雜的工程，利用激光掃描手段采集物理工廠的實景數(shù)據(jù)，并通過BIM等三維可視化建模技術(shù)形成虛擬空間，并以此為載體進(jìn)行仿真，實現(xiàn)虛擬空間與物理空間的相互映射，一方面將制造數(shù)據(jù)實時反應(yīng)到虛擬工廠中進(jìn)行仿真優(yōu)化，另一方面基于仿真優(yōu)化的結(jié)果及時反饋到物理工廠，同步對工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終確保提高生產(chǎn)效率的同時有效降低生成成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

虛擬工廠是數(shù)字孿生技術(shù)在建立與實體工廠交互中的重要組成部分，它作為智能工廠的數(shù)字化鏡像，需要滿足一些基本要求：構(gòu)建的虛擬工廠要對實體工廠的三維可視化狀態(tài)進(jìn)行高度真實的刻畫渲染，能基于實體工廠的生產(chǎn)狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬工廠的三維模型同步運動。

虛擬工廠是一種高保真描述和展現(xiàn)物理工廠場景的技術(shù)手段，記錄物理工廠的優(yōu)化過程。對物理工廠針對虛擬工廠反向反饋的仿真優(yōu)化建議進(jìn)行調(diào)整，二者具有高度一致性。物理工廠與虛擬工廠實時進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的交互處理。實體工廠對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)按照一定的場景進(jìn)行加工及融合，并實時傳遞給虛擬工廠進(jìn)行優(yōu)化處置，虛擬工廠進(jìn)行一系列的仿真過程后以數(shù)據(jù)的形式反饋給物理工廠，物理工廠針對指令進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。二者之間相互融合，狀態(tài)變化實時動態(tài)響應(yīng)。

1.2 虛擬工廠建立流程

（1）實體工廠內(nèi)設(shè)施數(shù)據(jù)采集。實體工廠采集到的源數(shù)據(jù)是虛擬工廠三維建模的基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)采集過程中將設(shè)備等主體元素的屬性信息（外觀尺寸、設(shè)備編號、類別、空間位置等）一并進(jìn)行采集。而采集到的點云數(shù)據(jù)包括實體工廠產(chǎn)線、寫字樓、庫房等建筑物主體，設(shè)備實體位置數(shù)據(jù)，通過掃描設(shè)備獲取工廠真實場景影像數(shù)據(jù)，要對工廠模型整體全景進(jìn)行全覆蓋，并進(jìn)一步做好數(shù)據(jù)的過濾、降噪等處理，確保采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。（2）實體物理工廠三維建模。針對工廠建筑物、設(shè)備等主體元素，利用BIM等三維建模工具按照1:1的比例進(jìn)行建模形成三維源模型，并進(jìn)一步對各主體元素的源模型進(jìn)行貼圖處理，真實描述并如實反映物理工廠的真實場景。（3）建立虛擬工廠的場景。利用仿真軟件將建立的三維源模型進(jìn)行進(jìn)一步處理，添加相應(yīng)的動態(tài)組件和自定義組件，確保虛擬工廠中相關(guān)設(shè)施具有實體工廠中的屬性，例如智能巡檢、移動巡檢等。（4）虛擬工廠部署。需要將虛擬工廠轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行文件，部署到大數(shù)據(jù)平臺上，同時應(yīng)用于多種系統(tǒng)及場景中。并封裝形成標(biāo)準(zhǔn)化的三維可視化服務(wù)能力，滿足各平臺可自主調(diào)用。

1.3 虛擬工廠數(shù)字孿生模型的建立

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，RFID等新技術(shù)的普及顯著降低了生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的成本，為實時動態(tài)獲取車間一線生產(chǎn)數(shù)據(jù)的普及提供了基礎(chǔ)，進(jìn)而為大批量獲取物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供了可能。再者，輔以同行業(yè)積累的豐富的生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，隨著智能制造等新型工業(yè)的蓬勃發(fā)展，這個特點尤為顯著。

物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有顯著的先天優(yōu)勢，具體主要包含：實時性。包含數(shù)據(jù)實時采集和實時傳輸，具有較好的時效性；精準(zhǔn)性。利用IT技術(shù)進(jìn)行采集，避免了人為主觀干擾，更真實的采集客觀數(shù)據(jù)，具有較好的準(zhǔn)確性。

在智能制造的不同生產(chǎn)階段，管理人員往往依賴一些關(guān)鍵指標(biāo)（如設(shè)備狀態(tài)、節(jié)拍達(dá)成情況等），因此在設(shè)計虛擬工廠的應(yīng)用場景時，需要更加重視三維模型的輕量化，以提升模型的易用性，以及三維模型與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的貫通等問題，確保平臺能真實描述生產(chǎn)現(xiàn)狀。虛擬工廠數(shù)字孿生模型構(gòu)建的目的是真實描述物理工廠產(chǎn)線的輸入輸出控制變量，并利用數(shù)據(jù)模型模擬物理工廠控制參數(shù)實時組合的變化對生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、性能的影響。為保障數(shù)字孿生模型的應(yīng)用效果，必須明了它的構(gòu)建步驟。具體模型構(gòu)建步驟和方法如圖1所示。

（1）數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備。在數(shù)據(jù)采集之前要做好充分的調(diào)研，通過調(diào)研才能充分理解企業(yè)的生產(chǎn)模式和核心業(yè)務(wù)流程，并掌握生產(chǎn)控制的內(nèi)在邏輯和所關(guān)注指標(biāo)數(shù)據(jù)的真實含義。數(shù)據(jù)收集的范圍不僅要覆蓋物聯(lián)網(wǎng)平臺采集的數(shù)據(jù)和信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)模型，還要包含調(diào)研過程中所抽象出來的數(shù)據(jù)映射關(guān)系的信息。（2）數(shù)字孿生模型特征工程建設(shè)。在數(shù)據(jù)模型構(gòu)建之前要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是對所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、降噪、過濾等一系列過程，并完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，確保數(shù)據(jù)具有高度可分析性，具有相同的時間、管理層級等維度。同時基于數(shù)據(jù)的特性搭建分層的數(shù)據(jù)架構(gòu)，滿足數(shù)據(jù)指標(biāo)的可擴(kuò)展性。（3）數(shù)字孿生模型驗證評估。在建立模型之后，為了驗證評估訓(xùn)練結(jié)構(gòu)，需將收集和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)分為兩組集合，分別為訓(xùn)練集和驗證集。訓(xùn)練集是利用所獲取的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘算法，基于某種業(yè)務(wù)需求進(jìn)行訓(xùn)練以達(dá)到業(yè)務(wù)目標(biāo)而構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型。驗證集數(shù)據(jù)是用來驗證不同算法訓(xùn)練所能夠達(dá)到不同模型的效果。一般在通過集成模型算法的訓(xùn)練得到的最終模型，可以通過多重評估指標(biāo)對其輸出模型的有效性進(jìn)行驗證和評估。在模型的評估實踐中，參考準(zhǔn)確度、擬合誤差和確定系數(shù)是評估模型的重要指標(biāo)。（4）數(shù)字孿生模型試運行和優(yōu)化。試運行是將評估優(yōu)化后的模型部署到正式的生產(chǎn)環(huán)境中并運行相應(yīng)的程序和模型。結(jié)合正式的生產(chǎn)環(huán)境對模型輸出的結(jié)果進(jìn)行有效性評價，根據(jù)評價結(jié)果對數(shù)字孿生模型作出必要的調(diào)整和優(yōu)化。并反復(fù)多次，最終獲取生產(chǎn)一線部門的正向反饋后，正式將數(shù)字孿生模型發(fā)布到生產(chǎn)環(huán)境中，其生成的模型結(jié)果用于管理決策和工藝優(yōu)化。（5）數(shù)字孿生模型部署。最后一步是將孿生模型部署到正式IT環(huán)境中，并與物聯(lián)網(wǎng)及信息化系統(tǒng)實現(xiàn)正式連接，為孿生模型獲取鮮活數(shù)據(jù)提供條件。反過來，數(shù)字孿生模型根據(jù)獲取鮮活數(shù)據(jù)之后輸出相應(yīng)的控制指令反饋到生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，或者基于一定的信息系統(tǒng)界面將指揮調(diào)度信息推送給管理人員，為管理人員指揮生產(chǎn)提供指導(dǎo)意見。

數(shù)字孿生模型部署完成后并不是一成不變的，隨著環(huán)境、要求的變化需要動態(tài)優(yōu)化，同時也需要對模型輸出結(jié)果的精準(zhǔn)性和有效性進(jìn)行持續(xù)的提升。因而，數(shù)據(jù)孿生模型部署完成后要具備一定的自我優(yōu)化能力，通過人為干預(yù)或自我干預(yù)的方式對模型精度進(jìn)行持續(xù)提升，以達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)值，以確保虛擬工廠鏡像永遠(yuǎn)和物理工廠保持同步，真實客觀描述物理工廠。

2.虛擬工廠在智能制造中的應(yīng)用場景

虛擬工廠是通過對實體工廠的映射建立起來的，分別建立了三維地圖服務(wù)，及數(shù)字孿生模型，應(yīng)用于智能決策與管理系統(tǒng)、企業(yè)數(shù)字化平臺系統(tǒng)、智能制造車間等場景。具體的虛擬工廠應(yīng)用場景如圖2所示。

（1）智能決策與管理系統(tǒng)。智能決策與管理系統(tǒng)是面向市場開發(fā)、研發(fā)設(shè)計、物料采購、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、產(chǎn)品售后等產(chǎn)品全壽命周期提供智能化的決策與管理能力的業(yè)務(wù)平臺。利用該平臺管理人員能夠?qū)崟r獲取工廠的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品交付情況，并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)營的關(guān)鍵要素對生產(chǎn)流程和工藝方法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，同時，結(jié)合市場環(huán)境和客戶要求動態(tài)地作出經(jīng)營決策。

（2）企業(yè)數(shù)字化制造平臺。數(shù)字化制造平臺是以制造的數(shù)字化為前提，利用虛擬工廠平臺將生產(chǎn)過程、生產(chǎn)計劃及執(zhí)行情況通過數(shù)字化的手段對物理工廠激進(jìn)型仿真和真實映射，同時通過制造現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集與展現(xiàn)，動態(tài)反饋真實的生產(chǎn)狀況。管理人員結(jié)合多維數(shù)據(jù)融合形成整體信息，并結(jié)合企業(yè)經(jīng)營管理的要求形成相應(yīng)的生產(chǎn)指令或決策，為企業(yè)高效低成本生產(chǎn)指揮提供決策依據(jù)。

（3）智能車間。智能車間是以生產(chǎn)要素協(xié)同為基礎(chǔ)，以制造單元之間的相互協(xié)同為前提，以智能管控與驅(qū)動系統(tǒng)為中樞的現(xiàn)代化車間管控系統(tǒng)，其主要負(fù)責(zé)制造過程的智能調(diào)度。智能調(diào)度的關(guān)鍵作用是提升生產(chǎn)要素的協(xié)同能力，以生產(chǎn)任務(wù)為前提，綜合分析各產(chǎn)線人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等生產(chǎn)要素的資源情況，按照工藝類型和任務(wù)計劃對任務(wù)進(jìn)行有效的分配，并下達(dá)相應(yīng)的生產(chǎn)執(zhí)行、質(zhì)量檢測、物料配送等一系列指令，使生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行達(dá)到最優(yōu)。

智能車間中的生產(chǎn)線可實時存儲、提取、分析與處理工藝、工裝等各類制造數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運行等生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，能夠通過對數(shù)據(jù)的分析實時調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)、監(jiān)測設(shè)備健康狀態(tài)等，并據(jù)此進(jìn)行故障診斷、維護(hù)報警等行為，對于生產(chǎn)線內(nèi)難以自動處理的情況，還可將其向上傳遞至虛擬工廠系統(tǒng)。可根據(jù)不同的生產(chǎn)需求對工裝、加工方案等進(jìn)行實時優(yōu)化與重組，優(yōu)化配置生產(chǎn)線內(nèi)各生產(chǎn)資源。

3.結(jié)語

研究結(jié)果表明：虛擬工廠已在智能制造行業(yè)中得以應(yīng)用發(fā)展。虛擬工廠較傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式存在巨大優(yōu)勢，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的虛擬工廠的實際建設(shè)已經(jīng)取得巨大成果，虛擬工廠的建設(shè)離不開大數(shù)據(jù)、虛擬仿真、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)?？v使這些技術(shù)已經(jīng)取得較大成果，但是仍存在成本過高、技術(shù)成熟度低等問題，阻礙其在實際智能制造工廠建設(shè)中的大規(guī)模使用。未來，隨著技術(shù)的發(fā)展，虛擬工廠在智能制造工業(yè)中的應(yīng)用場景將會進(jìn)一步完善擴(kuò)展。