文/楊豐玉，范永健 南昌航空大學軟件學院 蔡海多 江西泉新電氣有限公司

隨著“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”的相繼提出，傳統(tǒng)制造業(yè)已經(jīng)無法滿足新時代的制造需求，新一輪科技革命已經(jīng)到來。在“工業(yè)4.0”的發(fā)展過程中，數(shù)字孿生技術(shù)得到了廣泛的應用。數(shù)字孿生技術(shù)是一種在信息世界中通過數(shù)字表達來描述物理世界中的對象模型的技術(shù)。數(shù)字孿生在工業(yè)生產(chǎn)中的應用，涉及對產(chǎn)品性質(zhì)和生產(chǎn)行為等特征進行融合，共同構(gòu)建模型，最終實現(xiàn)生產(chǎn)指導、實時監(jiān)控、預測維護、遠程操作維護、產(chǎn)品再設(shè)計等功能。此外，數(shù)字孿生可以利用機器學習技術(shù)在制造加工中實現(xiàn)操作過程的自學習，以及對未知風險和問題進行監(jiān)測和預測，從而有效提高制造設(shè)備的智能化水平。玻璃絕緣子生產(chǎn)車間全局如圖1所示。

圖1 玻璃絕緣子生產(chǎn)車間全局圖

當前，工廠的生產(chǎn)加工設(shè)備大部分都處于被動管理與控制階段，在此階段，生產(chǎn)加工設(shè)備產(chǎn)生的大部分數(shù)據(jù)都是由手工記錄或輸入到離線的設(shè)備上。然而，通過人工收集和處理數(shù)據(jù)存在信息滯后的問題，無法實時反映生產(chǎn)過程的具體情況，易出現(xiàn)企業(yè)管理過程中數(shù)據(jù)時效性差的問題。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)車間易出現(xiàn)不穩(wěn)定的運行狀態(tài)問題，從而導致生產(chǎn)質(zhì)量呈現(xiàn)復雜性、不確定性和動態(tài)變化等特點。若無法有效處理上述問題，產(chǎn)品的質(zhì)量將會受到很大的影響，進而增加生產(chǎn)成本。針對上述問題，部分工廠對生產(chǎn)加工設(shè)備采用實時管理的模式進行管理，即通過物聯(lián)網(wǎng)將企業(yè)的生產(chǎn)加工設(shè)備進行無線連接。該方法通過及時流動生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，有效解決了生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)流動性差的問題。但是，該方法依舊需要人工對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行管理，而在信息管理工作上，工作者們可能會有各自的主觀判斷，這也是生產(chǎn)過程中的一類干擾因素。當前，可以通過數(shù)字孿生和深度學習的結(jié)合，構(gòu)建生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字孿生模型，解決物理信息與虛擬信息的集成問題。生產(chǎn)設(shè)備智能化發(fā)展階段如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)設(shè)備智能化發(fā)展階段

1 數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車間運行機制

玻璃絕緣子制造工廠的核心產(chǎn)品是玻璃絕緣子。將數(shù)字孿生技術(shù)應用于玻璃絕緣子的生產(chǎn)可以突破當前的生產(chǎn)效率瓶頸。將玻璃絕緣子生產(chǎn)車間各種設(shè)備和工藝的特點從物理空間映射到虛擬空間，構(gòu)建數(shù)字孿生玻璃絕緣子車間。首先，基于數(shù)字孿生模型，預測產(chǎn)品良率、優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)和生產(chǎn)計劃等，進而發(fā)現(xiàn)問題；其次，實時跟蹤生產(chǎn)情況，實現(xiàn)信息高速交互；最后，跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生是生產(chǎn)產(chǎn)品各種屬性和行為模式的數(shù)字映射，主要可以分為五個維度：物理實體（PE）、虛擬實體（VE）、業(yè)務(wù)（Ss）、孿生數(shù)據(jù)（DD）和連接（CN），這五個維度之間的有效連接，保證了系統(tǒng)能合理、穩(wěn)定地運行。

基于數(shù)字孿生的玻璃絕緣子車間主要由五個部分組成：物理玻璃絕緣子生產(chǎn)車間、數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車間、信息服務(wù)平臺、孿生數(shù)據(jù)和連接交互。

（1）物理玻璃絕緣子生產(chǎn)車間

物理玻璃絕緣子車間的生產(chǎn)流程：原料進廠→配料→熔制→成型→鋼化→冷熱沖擊→檢驗→裝配→養(yǎng)護→成品→抽樣試驗→合格品出廠。生產(chǎn)車間必須具備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的讀取能力，如掃描標簽數(shù)據(jù)并記錄，感知生產(chǎn)環(huán)境溫度、濕度等?；贜B-IOT技術(shù)，在線將傳感器數(shù)據(jù)上傳到車間信息服務(wù)平臺。

（2）數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車間

數(shù)字孿生玻璃絕緣子車間可以在數(shù)字環(huán)境內(nèi)構(gòu)建數(shù)字孿生車間，即對車間設(shè)備、生產(chǎn)過程和車間環(huán)境等進行數(shù)字化映射，實現(xiàn)生產(chǎn)車間的數(shù)字孿生，進而為玻璃絕緣子車間生產(chǎn)的模擬和優(yōu)化提供平臺。但數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車間的設(shè)計大小應該適中，否則容易導致系統(tǒng)運行速度下降和任務(wù)下發(fā)效率降低等問題。數(shù)字孿生對玻璃絕緣子生產(chǎn)的意義：①對玻璃絕緣子的生產(chǎn)過程進行模擬，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、所需成本和可能出現(xiàn)的問題的預測；②對生產(chǎn)情況在線監(jiān)控，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時記錄；③基于歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)字孿生模型等。

（3）車間信息服務(wù)系統(tǒng)

車間信息服務(wù)系統(tǒng)的工作主要包括下發(fā)生產(chǎn)方案，優(yōu)化物理玻璃絕緣子車間生產(chǎn)信息，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。車間信息服務(wù)系統(tǒng)工作流程：①物理玻璃絕緣子車間將任務(wù)下發(fā)至信息服務(wù)系統(tǒng)；②信息服務(wù)系統(tǒng)針對下發(fā)任務(wù)給出相應的生產(chǎn)計劃；③將計劃發(fā)往數(shù)字玻璃絕緣子車間進行仿真和優(yōu)化；④根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生成最終可行的計劃；⑤對傳感器收集的數(shù)據(jù)分析處理，調(diào)整生產(chǎn)資源分配和生產(chǎn)計劃。

（4）孿生數(shù)據(jù)

物理與數(shù)字玻璃絕緣子生產(chǎn)車間是彼此獨立的，孿生數(shù)據(jù)將他們彼此聯(lián)系起來。孿生數(shù)據(jù)主要包括物理玻璃絕緣子生產(chǎn)車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車間運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及信息系統(tǒng)運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

（5）連接交互

連接交互模塊實現(xiàn)了數(shù)字孿生相關(guān)的各個組成部分的交互，如圖3所示。其中包括物理玻璃絕緣子車間與孿生數(shù)據(jù)、物理玻璃絕緣子車間與數(shù)字玻璃絕緣子車間、物理玻璃絕緣子車間與信息服務(wù)平臺、數(shù)字玻璃絕緣子車間與孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字玻璃絕緣子車間與信息服務(wù)平臺、信息服務(wù)平臺與孿生數(shù)據(jù)等6種模塊之間的交互組合。玻璃絕緣子生產(chǎn)車間數(shù)字孿生的組成如圖3所示。

圖3 玻璃絕緣子生產(chǎn)車間數(shù)字孿生的組成

1）物理玻璃絕緣子車間與孿生數(shù)據(jù)的交互。通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、嵌入式系統(tǒng)等設(shè)備對物理玻璃絕緣子車間數(shù)據(jù)實時采集，并基于通信協(xié)議規(guī)范傳輸至孿生數(shù)據(jù)。通過通信協(xié)議規(guī)范將處理后得到的孿生數(shù)據(jù)反饋給物理玻璃絕緣子車間，優(yōu)化物理玻璃絕緣子車間的生產(chǎn)效率。

2）物理玻璃絕緣子車間與數(shù)字玻璃絕緣子車間的交互。將在物理玻璃絕緣子車間采集的實時數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字玻璃絕緣子車間，用于更新各類模型。將數(shù)字玻璃絕緣子車間采集的仿真數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)化為指令下達至物理玻璃絕緣子車間執(zhí)行，實現(xiàn)物理玻璃絕緣子車間的實時控制。

3）物理玻璃絕緣子車間與信息服務(wù)平臺的交互。物理玻璃絕緣子車間在線將數(shù)據(jù)上傳至信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)對信息服務(wù)平臺的更新。信息服務(wù)平臺將生產(chǎn)過程中得到的操作方案、分析結(jié)果和生產(chǎn)現(xiàn)狀等信息以網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)給用戶，對物理玻璃絕緣子車間進行調(diào)控。

4）數(shù)字玻璃絕緣子車間與孿生數(shù)據(jù)的交互。將數(shù)字玻璃絕緣子車間產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，作為孿生數(shù)據(jù)的一部分。同時，為驅(qū)動數(shù)字孿生模型，在線讀取數(shù)據(jù)庫中具有關(guān)聯(lián)、融合和生命周期性質(zhì)的孿生數(shù)據(jù)。

5）數(shù)字玻璃絕緣子車間與信息服務(wù)平臺的交互。通過軟件接口實現(xiàn)數(shù)字玻璃絕緣子車間與信息服務(wù)平臺的雙向通信，完成消息同步和數(shù)據(jù)收發(fā)等操作。

6）信息服務(wù)平臺與孿生數(shù)據(jù)的交互。將信息服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，也作為孿生數(shù)據(jù)的一部分。同時，讀取孿生數(shù)據(jù)中各類信息、數(shù)據(jù)以支持信息服務(wù)平臺的運行。

2 數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車間模型架構(gòu)

基于玻璃絕緣子生產(chǎn)車間的運行機制，提出了數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車間的四層架構(gòu)模型，如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車間四層架構(gòu)

1）物理層，該層由玻璃絕緣子生產(chǎn)設(shè)備、各種數(shù)據(jù)傳感儀器和人組成，包括物理實體和數(shù)字實體的各項操作。該層通過對現(xiàn)有資源進行優(yōu)化配置，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)時間節(jié)點完成實際的生產(chǎn)操作。該層結(jié)構(gòu)中最重要的技術(shù)是分布式協(xié)同控制與異構(gòu)多源多模態(tài)數(shù)據(jù)封裝。在設(shè)計過程中，為方便數(shù)據(jù)的日后分析與使用，應將各設(shè)備的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

2）數(shù)字層，該層實現(xiàn)了對物理層數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、分析和映射。同時，可以在線觀察數(shù)字車間的生產(chǎn)情況，并存儲和融合孿生數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量較大，為使各個模塊數(shù)據(jù)的邏輯表述更清晰，梳理了各個數(shù)據(jù)模塊之間的聯(lián)系?；谇懊媸崂?，可以避免數(shù)據(jù)的重復計算、排序等，有利于現(xiàn)場工程師在調(diào)試過程中用最短的時間找到需要的數(shù)據(jù)。生產(chǎn)監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析如圖5所示 。

圖5 玻璃絕緣子生產(chǎn)監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析示意圖

3）模型層，該層實現(xiàn)了物理玻璃絕緣子生產(chǎn)車間的映射，得到了數(shù)字化的玻璃絕緣子生產(chǎn)車間。模型層需要大量的數(shù)據(jù)對其驅(qū)動，所以需要高性能的CPU支持。因此，在搭建數(shù)字孿生模型時，需要均衡設(shè)備與數(shù)據(jù)的關(guān)系和優(yōu)化內(nèi)存的使用效率。

4）應用層，該層實現(xiàn)了玻璃絕緣子生產(chǎn)車間的智能排班與生產(chǎn)調(diào)度以及玻璃絕緣子質(zhì)量的分析管理。同時，生產(chǎn)窯爐對電能等一系列的資源開銷較大，增加了生產(chǎn)成本。在該層對生產(chǎn)人員進行訓練，統(tǒng)一生產(chǎn)標準，可以達到降低能耗的目的。

3 結(jié)束語

數(shù)字孿生在玻璃絕緣子生產(chǎn)車間的應用，能幫助企業(yè)實現(xiàn)工業(yè)4.0。本文主要探討了玻璃絕緣子生產(chǎn)車間數(shù)字孿生建模和信息處理的基礎(chǔ)研究。數(shù)字孿生不僅是對傳統(tǒng)仿真的進一步強化，它還有許多擴展研究，如遠程操作和預測生產(chǎn)等。此外，數(shù)字孿生降低了試錯成本并縮短了試錯時間，在促進玻璃絕緣子產(chǎn)品再設(shè)計等方面發(fā)揮了很好的作用，其還有很多功能有待于未來的探索。