王建民 楊子兵 桑騰 薛永勝

(1.山東聊城煙草有限公司，山東聊城 252000;2.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450000)

0 引言

通常情況下認為，智能制造技術的應用主要是依托我國新一代通信信息技術來完成的，以及先進制造技術的基礎上，通過二者的有機結合，使其能夠切實融入到制造的各個環(huán)節(jié)中。包括制造的設計環(huán)節(jié)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)、管理環(huán)節(jié)，以及服務環(huán)節(jié)等。與傳統(tǒng)制造相對比，智能制造具有控制更精確、信息感知更深刻、自決策更優(yōu)化等一系列優(yōu)勢。從2013年德勒的全國制造企業(yè)調(diào)查來看，我國的智能制造仍處于一個初級階段，相關技術、模式并不成熟，給企業(yè)帶來的利潤也比較薄弱。對此，基于這一問題，我國與2015出臺了“中國制造2025”的戰(zhàn)略性發(fā)展技術，致力于我國智能制造產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，并轉實現(xiàn)我國從制造大國向著制造強國的方向轉變。對此，在通過多年的努力和奮斗后，我國的智能制造應取得了十分顯著的成效，包括智能制造的能力、服務以及利潤都得到了顯著的提高。同時，伴隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，通信技術的成本也在不斷降低，傳感器也在向著小型化的方向發(fā)展，更有利于將其投入到更多的產(chǎn)品中。此外，從信息化的集成來看，就企業(yè)而言，也能夠就產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)變化，以及產(chǎn)品的屬性，進行更為及時地獲取。因此，本文針對以上問題，著重探討數(shù)字孿生技術關鍵應用及方法。

1 數(shù)字孿生應用于產(chǎn)品生產(chǎn)全流程

基于數(shù)字孿生技術發(fā)展，在當前各行業(yè)中都取得了顯著的成效，同時有效容納大數(shù)據(jù)技術、5G技術、人工智能技術等多方面技術，推動我國建設邁向一個嶄新的臺階。如圖1所示。

1.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲取

通常情況下認為，針對產(chǎn)品的數(shù)據(jù)收集，主要是體現(xiàn)在PLM系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)以及無線射頻技術等方面。并在實際的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，確保所需要的產(chǎn)品和設備，保證其具有唯一的標識。那么從這里所談到的標識來看，主要指的便是一維條碼，或者是二維條碼。同時，在條碼的應用下，完成對其的識別。通過這樣一種方式，工作人員也能夠更為有效地對每一個產(chǎn)品，以及每一個設備的實際狀態(tài)進行把控。同時，通過對標識的識別，也能使實現(xiàn)具體針對物理實體到數(shù)字表示連接的有效對應。過程中，首先從標簽的信息來看，更多時候是在RFID讀取器的基礎上，來完成無線電波發(fā)布的讀取的，從而有效跟蹤供應鏈中的對象身份，以此對其進行更為直接的檢測。一般認為，基于傳感器系統(tǒng)的部署，能夠更好地實現(xiàn)產(chǎn)品全部生命周期的監(jiān)控。這里主要包括振動的監(jiān)控、能耗的監(jiān)控以及環(huán)境的監(jiān)控，而環(huán)境的監(jiān)控又可以包括溫度的監(jiān)控、壓力的監(jiān)控以及濕度的監(jiān)控等。其工作原理主要體現(xiàn)在傳感器所具備的兩層結構能夠?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)進行測量，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)向信息的轉變，以此來完成到處理單元的前進，從而完成兩類信息的集成。

圖1 數(shù)字孿生技術概念圖

1.2 數(shù)據(jù)管理功能

一般認為，在產(chǎn)品生產(chǎn)和管理的過程中，是會存在三個階段的變化的，且多變現(xiàn)為生命周期上的數(shù)據(jù)增多。此外，隨著產(chǎn)品生命周期上的數(shù)據(jù)增加，包括數(shù)據(jù)規(guī)模在內(nèi)，也會出現(xiàn)一定程度的變化。因此，針對這一問題，工作人員首先便是要從數(shù)據(jù)角度出發(fā)，這對數(shù)據(jù)展開科學的處理和清洗，在大量的數(shù)據(jù)當中挑選出最為關鍵的數(shù)據(jù)，并完成這些關鍵性數(shù)據(jù)的計算和儲存，以此來為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析工作提供有效的支持。其工作原理主要體現(xiàn)在，在不同的應用程序中，對接口進行調(diào)用，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)向Hadoop軟件架構的分布式數(shù)據(jù)庫中。同時，利用相關系統(tǒng)來進行組建的存儲以及結構化和非結構化數(shù)據(jù)的管理，以此來達到查詢和操作的目的。這里所談到的系統(tǒng)，主要包括了HBase系統(tǒng)、HDFS分布式文件系統(tǒng)以及Hive數(shù)據(jù)倉庫工具等。

1.3 數(shù)字孿生信息分析

數(shù)字孿生信息分析主要指的是，利用分析技術進行可視化的程序構建，以及展開算法模擬，從而針對產(chǎn)品在其整個生命過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進行一個有效的分析[1]。過程中，更多時候是需要借助對數(shù)據(jù)的應用技術，以及對信息的分析，來就產(chǎn)品在未來生產(chǎn)場景，以及維護環(huán)節(jié)進行一個有效的預測。其工作原理主要體現(xiàn)在，在Spark分布式計算結構的應用中，對數(shù)據(jù)的分析算法模塊進行融合，以此來在大量的數(shù)據(jù)中進行挖掘，并結合D3等相關的可視化應用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的展示，以此來完成人際交互平臺的提供。

1.4 通信系統(tǒng)

通常情況下認為，在人際交互界面與數(shù)據(jù)庫之間，當中的信息需要進行檢索，或者是需要互聯(lián)互通時，能夠更為便捷和及時地打破信息隔離?，F(xiàn)如今，隨著相關技術的發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)字孿生的通信系統(tǒng)。通過該項技術的應用，更有利于實現(xiàn)自主訪問的實時性和智能化，并對實際工業(yè)環(huán)境中的過程、服務信息以及產(chǎn)品進行有效的收集和分析。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是由多個通信軟件連接而成的，并以此為基礎，也能夠?qū)崿F(xiàn)對設備層，以及設備層網(wǎng)上的各層級的信息的監(jiān)視、交換、收集以及分析等所需操作。實際工作中，企業(yè)可同時對傳感器進行使用、對軟件和機械學習進行使用，并在一系列技術手段的應用中來實現(xiàn)物理對象，以及其他相關大數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)的收集和分析。之后，在完成了收集和分析后，再對數(shù)據(jù)進行管理和操作。

2 數(shù)字孿生技術應用于預測性維護

2.1 CBM與數(shù)字孿生技術融合

通過數(shù)據(jù)孿生技術的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)設備模型在仿真空間上的模擬，從而實現(xiàn)裝填數(shù)據(jù)向虛擬模型的上傳乃至模擬運行[2]。同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)與真實設備的同步運轉，并對未來的運行情況進行預判和模擬。通過這樣一項技術的應用，不僅僅解決了過往設備由于不間斷運行帶來的高額成本，也解決了過往信息準確性差的問題。同時，也減少了過往故障信息的遺漏。其工作原理主要是通過CBM中的現(xiàn)狀評價和未來狀態(tài)預測來進行決策。其中，現(xiàn)狀評價只要對目前的狀態(tài)信息進行收集，同時在完成收集后，將其與預定義的故障極限進行比對。期間，如果超過了狀態(tài)的極限，便要對其進行維修。而未來狀態(tài)預測則是對虛擬環(huán)境中的設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行連續(xù)性的監(jiān)控，從而實現(xiàn)設備狀態(tài)數(shù)據(jù)的圖形化，以此來對可能的衰減導向進行分析，并同時得出正常情況與失效情況的臨界點[3]。簡言之，在兩種狀態(tài)的運行中，包括產(chǎn)品的全部生命周期都能夠得到一個有效的保障，并有效降低了風險。

2.2 數(shù)字孿生技術驅(qū)動傳統(tǒng)PHM系統(tǒng)升級

在數(shù)據(jù)孿生技術的應用中，主要是通過PHM系統(tǒng)，對CPS進行利用。CPS所具備的嵌入式系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡，能夠有效感知通過各類傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，并在完成了數(shù)據(jù)采集后，將其傳輸?shù)教摂M的模型當中。在虛擬的模型被輸入了真實的物理產(chǎn)品數(shù)據(jù)后，便會進行同步于實際工作的模擬，以此來計算出可能出現(xiàn)的故障，以及出現(xiàn)故障的產(chǎn)品類型，出現(xiàn)故障的原因，出現(xiàn)故障的時間等[4]。同時，在知識庫的作用下，也能夠針對故障提出確切的解決方案，并同時對方案進行模擬，以此來驗證方案的可行性。期間，如果故障得到了成功的解決，便會將其投入到物理實體中，使其在沒有實際出現(xiàn)故障時，便對其進行維護，以此來保證正常的運轉。期間，如果故障的解決并未達到理想的狀態(tài)，便會將其返還給知識庫，在其中進行重新分析，制定相關的升級修改策略。

3 結語

綜上所述，本文通過對數(shù)字孿生技術理論機理的研究，主要道明了數(shù)字孿生技術在實際應用中對產(chǎn)品生產(chǎn)互動全部流程的價值，以及在部分關鍵性裝備進行預測性維護中的價值。首先，從前者的應用來看，主要指出了對數(shù)字孿生進行創(chuàng)建時所需要的關鍵性技術以及具體的實施方法。其次，從后者來看，則是指出了數(shù)字孿生技術與傳統(tǒng)的APM、PHM、CBM等產(chǎn)品維護技術的融合。基于數(shù)字孿生技術的導向，也在不斷實現(xiàn)被動服務向主動預測的轉變，更有利于為用戶提供服務。同時，隨著我國近些年的不斷發(fā)展，包括工業(yè)數(shù)據(jù)的采集方案、高速傳輸方法等有關數(shù)字孿生的關鍵性技術都在不斷走向成熟，更為精準地實現(xiàn)了物理世界的數(shù)字化模型仿真，從而達到對仿真的結果進行數(shù)據(jù)分析的目的。期間，在研究成果上，也形成了標準化的固化形式，更為突出地體現(xiàn)了標準引領下的指導理念，全方位推動了我國數(shù)字化智能制造的轉換速率，為我國領域的發(fā)展全面保駕護航。