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。在這一背景下，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運而生，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、生產(chǎn)制造等方面作出正確的決策，是智慧工廠實現(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)，并將其運用于實際案例，實踐證實，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

中圖分類號：TH166文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-6903（2021）12-0111-03

進入21世紀(jì)，全球市場競爭日趨激烈，制造業(yè)對生產(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)制造模式無法適應(yīng)新市場及新變化，急需進行轉(zhuǎn)型。作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重點行業(yè)，制造業(yè)與云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合勢在必行。目前，多個國家紛紛推出了先進制造戰(zhàn)略，以推動制造業(yè)發(fā)展[1]。我國在中國制造2025戰(zhàn)略背景下提出了智能制造概念，強調(diào)在制造業(yè)發(fā)展過程中融入自動化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等，實現(xiàn)人機交互，幫助決策及執(zhí)行。構(gòu)建一個真正的智慧工廠，促進生產(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，同時也是市場多樣化及個性化發(fā)展的要求。建立面向智慧工廠的數(shù)字孿生、實現(xiàn)資源服務(wù)，對于智能系統(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)的物理空間對象模型，在傳感器作用下該模型能夠?qū)φ鎸嵨矬w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。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)計與工藝優(yōu)化，而且有利于資源配置，促進生產(chǎn)效率的提升。數(shù)字孿生技術(shù)充分利用了計算機信息技術(shù)，對物理對象進行真實映射，經(jīng)過實時感知形成集成融合。物理對象在整個生命周期中，相關(guān)信息逐漸積累，最終共同進化[3]。不僅如此，數(shù)字孿生除對物理對象進行描述外，還能夠?qū)ξ锢韺ο蟮倪\行過程進行良好的控制，經(jīng)過不斷改進達到最優(yōu)。其框架模型如圖1所示。

1.2智慧工廠概述

智慧工廠由智能機器人與人類專家組成，主要致力于生產(chǎn)制造的智能化實現(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)過互通聯(lián)通，根據(jù)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以實時傳遞所采集的數(shù)據(jù)。（2）在云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)支持下，有利于對海量數(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)進行智能改善，促進產(chǎn)業(yè)價值的提升，創(chuàng)新服務(wù)理念及服務(wù)產(chǎn)品。技術(shù)新技術(shù)，智慧工廠將會朝著智能化、泛在化、邊緣化、扁平化及平臺化等發(fā)展。由此帶來的管理變革包括設(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)個體向生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，企業(yè)運營由設(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)，保障了雙向真實映射與實時交互的實現(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)，其能夠為工廠發(fā)展起到重要的驅(qū)動作用，使得工廠各個生產(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)過程需要進行設(shè)備預(yù)防維護、數(shù)據(jù)信息分析，這些都需要由人工進行，而在現(xiàn)代云計算技術(shù)支持下，利用數(shù)字孿生能夠輔助一線人員進行制造活動的決策，未來的工廠將部署5G毫米波網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高度智能化，廠區(qū)密集部署傳感器、工業(yè)機器人、智能攝像頭等，這些工業(yè)設(shè)備通過可擴展、高可靠的5G企業(yè)專網(wǎng)，向云端傳輸海量的數(shù)據(jù)。工人可以通過智能攝像頭監(jiān)控生產(chǎn)，動態(tài)調(diào)整設(shè)備，在這過程中，不僅能助力制造企業(yè)提升自動化水平和控制效率，企業(yè)還可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)，提升業(yè)務(wù)洞察，從而更快更準(zhǔn)確的進行決策。5G毫米波將在工業(yè)4.0演進中發(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，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行仿真分析，其能夠幫助對工廠車間管控系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化。從短期來看，其主要目標(biāo)為通過虛擬工廠實現(xiàn)對生產(chǎn)活動、生產(chǎn)要素的管控。從長期目標(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，對鋁單板幕墻裝配線運行機制復(fù)雜問題進行仿真，采用Sketchup建立了靜態(tài)的3D模型，均按照生產(chǎn)線的環(huán)境、場地及物料約束條件進行還原，引入傳感器，對物理工廠運行狀態(tài)進行實時感知，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監(jiān)控物理工廠情況，結(jié)合優(yōu)化情況對各生產(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，在具體仿真試驗過程中，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）建立各個工作站的動態(tài)模型，對工段運行狀態(tài)予以分析，仿真項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，對鋁單板幕墻生產(chǎn)過程具有一定的指導(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)，并實施仿真模擬，數(shù)據(jù)之間相互作用、進化，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

研究測量了生產(chǎn)線現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，在幾何建模過程中主要用到了Sketchup線條、推拉、路徑跟隨等。

3.2.2動態(tài)建模

應(yīng)用Flexsim構(gòu)建真實系統(tǒng)的3D數(shù)字孿生模型，其所用的時間更短，成本更低，經(jīng)過實體的創(chuàng)建與連接，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，進行可視化仿真，能夠為進一步數(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)與動態(tài)建模后，構(gòu)建了不同工段仿真模型，具體如圖3，通過結(jié)果分析，對裝配線的運行提出了具有可行性的意見與改進措施。

研究所設(shè)置的仿真運行僅有一個班次，工作時間為10h，因此將單次仿真時間設(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，研究內(nèi)容主要包括工位的作業(yè)時間，由于鋁單板幕墻采用人工裝配的方式，通過仿真系統(tǒng)能夠了解工位上操作員的作業(yè)狀態(tài)，進而對投產(chǎn)排序是否會對裝配線產(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36000s的運行，對生產(chǎn)線實際數(shù)據(jù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)作出了統(tǒng)計分析。從操作人員實時狀態(tài)看，B073L、B073R1、B073R2等工位的操作人員存在較高的作業(yè)強度，幾乎無空閑作業(yè)，其中其在取料及步行時間方面所占用的時間比例較高，存在瓶頸，表現(xiàn)為作業(yè)負荷存在較大的波動，影響生產(chǎn)線平衡性。

從物料實時消耗情況可以發(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，市場大概是4mm厚的復(fù)合板要比2.5mm厚的鋁單板價格要低120元/方以上，鋁單板有氟碳噴涂鋁單板和輥涂兩種，國內(nèi)暫時還沒有輥涂生產(chǎn)線，再加上鋁單板的鈑金加工的簡易，而且可以省了一大筆成本。

3.3生產(chǎn)可視化

生產(chǎn)過程能夠?qū)ιa(chǎn)節(jié)拍、線上物流等實施可視化仿真，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠?qū)μ摂M生產(chǎn)線運動及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行實時獲取，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)線實時數(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)運作、庫存運作的可視化。

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，在實際應(yīng)用場景中對服務(wù)循環(huán)進行了調(diào)度，形成了服務(wù)組合，其主要包括揀選、生產(chǎn)、打碼、OCR等多項校驗服務(wù)。

經(jīng)過服務(wù)搜索，構(gòu)建了一個候選服務(wù)集，將服務(wù)狀態(tài)分為滿負荷、未滿負荷、維護、無效及空閑幾個方面，通過篩選在各個候選服務(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)對任務(wù)的調(diào)度與轉(zhuǎn)化，經(jīng)遺傳算法計算獲得最優(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，對裝配線工作及生產(chǎn)線運行情況進行仿真模擬，結(jié)合實際情況對裝配線運作情況作出相應(yīng)的調(diào)控，通過交互與作用，能夠保障裝配線效益最大化的實現(xiàn)。

4結(jié)語

智慧工廠在制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展中發(fā)揮著主戰(zhàn)場的作用，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，促進企業(yè)運營管理的提升。研究結(jié)合案例分析了數(shù)字孿生智慧工廠架構(gòu)，對其關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計實現(xiàn)進行分析，有利于共同進化，為數(shù)字孿生的推廣及實踐應(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