基于数字孪生的智慧工厂建设和案例分析

韩骏

摘要：随着大数据及物联网技术的发展，制造企业对工业资源优化配置提出了更高的要求，工厂的信息化与工业化融合发展已经成为不可阻挡的趋势。在这一背景下，数字孪生技术应运而生，其不仅为智慧工厂的建设提供了必要的技术支持，而且能够帮助工厂在产品设计、生产制造等方面作出正确的决策，是智慧工厂实现的关键。研究介绍了数字孪生、智慧工厂相关概念，提出了数字孪生的智慧工厂建设架构，并将其运用于实际案例，实践证实，其能够实现工厂生产效益最大化，值得推广。

关键词：数字孪生;智慧工厂;建设;案例分析;仿真试验

中图分类号：TH166文献标识码：A文章编号：2096-6903（2021）12-0111-03

进入21世纪，全球市场竞争日趋激烈，制造业对生产效率、产品质量及服务水平方面提出了更高的要求，传统制造模式无法适应新市场及新变化，急需进行转型。作为数字化转型的重点行业，制造业与云计算、物联网技术的融合势在必行。目前，多个国家纷纷推出了先进制造战略，以推动制造业发展[1]。我国在中国制造2025战略背景下提出了智能制造概念，强调在制造业发展过程中融入自动化技术、拟人化智能技术等，实现人机交互，帮助决策及执行。构建一个真正的智慧工厂，促进生产效率及产品质量的提升。数字孪生技术则为智慧工厂的构建提供了必要的支持[2]。在数字孪生理念下，打造智慧工厂不仅是制造业发展的需求，同时也是市场多样化及个性化发展的要求。建立面向智慧工厂的数字孪生、实现资源服务，对于智能系统的推广、应用有着重要的意义。

1数字孪生与智慧工厂概述

1.1数字孪生

所谓数字孪生，主要指的是虚拟空间中呈现的物理空间对象模型，在传感器作用下该模型能够对真实物体数据予以获取，发生相应的改变，是建模仿真领域的新趋势。数字孪生技术在工业领域有着广泛的应用。通过数字孪生模型在虚拟空间的构建，不仅能够完成产品的设计与工艺优化，而且有利于资源配置，促进生产效率的提升。数字孪生技术充分利用了计算机信息技术，对物理对象进行真实映射，经过实时感知形成集成融合。物理对象在整个生命周期中，相关信息逐渐积累，最终共同进化[3]。不仅如此，数字孪生除对物理对象进行描述外，还能够对物理对象的运行过程进行良好的控制，经过不断改进达到最优。其框架模型如图1所示。

1.2智慧工厂概述

智慧工厂由智能机器人与人类专家组成，主要致力于生产制造的智能化实现。其能够智能化分析、推理信息，帮助专家作出精准的判断与决策。智慧工厂较传统工业制造呈现出明显的优越性，主要体现在以下几个方面：（1）在智能感知技术支持下，应用感知控制能够有效采集工业数据，经过互通联通，根据通信技术标准，可以实时传递所采集的数据。（2）在云计算、大数据等技术支持下，有利于对海量数据的挖掘与分析，可充分利用数据信息。（3）有利于服务模式的创新，在信息管理、智能终端技术支持下能够对传统工业进行智能改善，促进产业价值的提升，创新服务理念及服务产品。技术新技术，智慧工厂将会朝着智能化、泛在化、边缘化、扁平化及平台化等发展。由此带来的管理变革包括设备联接日趋多元化，数据处理向边缘端倾斜以及企業战略由产业个体向生态系统转型，企业运营由设备和资产向产品和客户转移。

1.3数字孪生与现代工厂的融合

在数字孪生这一概念下，工厂有物理工厂与虚拟工厂之分，其利用数据与互联网技术，保障了双向真实映射与实时交互的实现，使得物理世界与信息世界之间的桎梏被打破，物理工厂与虚拟工厂在融合期间所产生的数据即为孪生数据，其能够为工厂发展起到重要的驱动作用，使得工厂各个生产要素在物理、虚拟共产及各服务系统之间有序运行，一方面优化了物理工厂生产模式，另一方面提升了共产生产及管控效果，其交互融合如图2所示。

2基于数字孪生的智慧工厂建设架构

传统工厂生产管理模式下，生产过程需要进行设备预防维护、数据信息分析，这些都需要由人工进行，而在现代云计算技术支持下，利用数字孪生能够辅助一线人员进行制造活动的决策，未来的工厂将部署5G毫米波网络，实现高度智能化，厂区密集部署传感器、工业机器人、智能摄像头等，这些工业设备通过可扩展、高可靠的5G企业专网，向云端传输海量的数据。工人可以通过智能摄像头监控生产，动态调整设备，在这过程中，不仅能助力制造企业提升自动化水平和控制效率，企业还可以根据实时数据，提升业务洞察，从而更快更准确的进行决策。5G毫米波将在工业4.0演进中发挥关键作用，支持可重构的工厂，提高生产力和灵活性。

研究构建了数字孪生支持下智慧工厂架构，其将数字孪生系统作为纽带，与企业管理系统相连接，与生产执行系统配合，对系统数据进行仿真分析，其能够帮助对工厂车间管控系统架构的优化。从短期来看，其主要目标为通过虚拟工厂实现对生产活动、生产要素的管控。从长期目标看，其主要是探寻工厂生产管控的最优模式。

3数字孪生与智慧工厂融合案例分析

3.1数字孪生与铝单板幕墙装配线融合方案

研究采用仿真试验，对铝单板幕墙装配线运行机制复杂问题进行仿真，采用Sketchup建立了静态的3D模型，均按照生产线的环境、场地及物料约束条件进行还原，引入传感器，对物理工厂运行状态进行实时感知，采用数字信息的方式予以呈现，在虚拟工厂仿真系统中予以上传。虚拟工厂能够实时监控物理工厂情况，结合优化情况对各生产环节作出相应的调整。研究以方大新材料（江西）有限公司为例，其主要从事铝单板幕墙生产经营，在具体仿真试验过程中，引入数字孪生这一概念，分析并规划了生产线具体生产情况，其具体步骤如下：（1）建立各个工作站的动态模型，对工段运行状态予以分析，仿真项目主要包括员工的作业、物料配送等。（2）将生成的数据与装配线建立起联系，对铝单板幕墙生产过程具有一定的指导作用。（3）在虚拟装配线上上传装配线产生的感知数据，并实施仿真模拟，数据之间相互作用、进化，建立起物理世界与信息世界的联系。

3.2虚拟装配线建立

3.2.1静态建模

研究测量了生产线现场实际数据，在几何建模过程中主要用到了Sketchup线条、推拉、路径跟随等。

3.2.2动态建模

应用Flexsim构建真实系统的3D数字孪生模型，其所用的时间更短，成本更低，经过实体的创建与连接，设定相应的参数，进行可视化仿真，能够为进一步数字孪生分析提供丰富的依据。

3.2.3Flexsim混流装配仿真

完成静态与动态建模后，构建了不同工段仿真模型，具体如图3，通过结果分析，对装配线的运行提出了具有可行性的意见与改进措施。

研究所设置的仿真运行仅有一个班次，工作时间为10h，因此将单次仿真时间设置为36000s。装配线分析主要了解的是装配平衡与投产排序，研究内容主要包括工位的作业时间，由于铝单板幕墙采用人工装配的方式，通過仿真系统能够了解工位上操作员的作业状态，进而对投产排序是否会对装配线产生影响能够作出合理的分析。该系统还能够反映出操作人员作业状态及物料消耗情况[4]。经过36000s的运行，对生产线实际数据及监测数据作出了统计分析。从操作人员实时状态看，B073L、B073R1、B073R2等工位的操作人员存在较高的作业强度，几乎无空闲作业，其中其在取料及步行时间方面所占用的时间比例较高，存在瓶颈，表现为作业负荷存在较大的波动，影响生产线平衡性。

从物料实时消耗情况可以发现铝单板一般采用2～4mm厚的AA1100纯铝板或AA3003等铝合金板，市场大概是4mm厚的复合板要比2.5mm厚的铝单板价格要低120元/方以上，铝单板有氟碳喷涂铝单板和辊涂两种，国内暂时还没有辊涂生产线，再加上铝单板的钣金加工的简易，而且可以省了一大笔成本。

3.3生产可视化

生产过程能够对生产节拍、线上物流等实施可视化仿真，利用数字孪生系统能够对虚拟生产线运动及业务数据进行实时获取，结合预设的条件与参数作出相应的判断，并对生产线设备利用情况、生产瓶颈予以反映。数字孪生车间监控情况，其主要涉及到物料信息、调度情况及生产线实时数据、设备位置等。车间的生产数据主要是以数据标签、数据图表的形式予以呈现，其将生产线作为单元，能够实现生产运作、库存运作的可视化。

3.4服务序列最优选择

研究构建了服务序列，结合生成的任务序列，在实际应用场景中对服务循环进行了调度，形成了服务组合，其主要包括拣选、生产、打码、OCR等多项校验服务。

经过服务搜索，构建了一个候选服务集，将服务状态分为满负荷、未满负荷、维护、无效及空闲几个方面，通过筛选在各个候选服务中选择出最优的一组。数字孪生应用于生产任务流程，能够实现对任务的调度与转化，经遗传算法计算获得最优服务组合，具有一定的可行性。

3.5数字孪生与装配线融合效果

利用物联网能够将装配线数字信息与虚拟装配线相连接，对装配线工作及生产线运行情况进行仿真模拟，结合实际情况对装配线运作情况作出相应的调控，通过交互与作用，能够保障装配线效益最大化的实现。

4结语

智慧工厂在制造业转型发展中发挥着主战场的作用，其将物理工厂作为基础，利用数字孪生建立虚拟工厂，能够有效监控工厂规划与设计，促进企业运营管理的提升。研究结合案例分析了数字孪生智慧工厂架构，对其关键技术及设计实现进行分析，有利于共同进化，为数字孪生的推广及实践应用提供借鉴。

参考文献

[1]肉鲜古力·阿不都吉力，孟亮，公雨.浅谈数字化移交成果在工

厂运维阶段的应用[J].信息系统工程，2020（8）：22-23.

[2]张冰，李欣，万欣欣.从数字孪生到数字工程建模仿真迈入新时代[J].系统仿真学报，2019，31（3）：369-376.

[3]陶飞，张贺，戚庆林，等.数字孪生模型构建理论及应用[J].计算机集成制造系统，2021，27（1）：1-15.

[4]孙滔，周铖，段晓东，等.数字孪生网络（DTN）：概念、架构及关键技术[J].自动化学报，2021，47（3）：569-582.

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