数字孪生技术在钢铁企业中的应用研究

刘 岩

（唐钢国际工程技术股份有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

数字孪生技术最早提出是用于航空航天领域，美国NASA 指出“一个数字孪生，是一种集成化了的多种物理量、多种空间尺度的运载工具或系统的仿真，该仿真使用了当前最为有效的物理模型、传感器数据的更新、飞行的历史等等，来镜像出其对应的飞行当中孪生对象的生存状态”[1]。目前随着网络技术的发展，数字孪生技术已逐步应用于智慧工厂、智慧城市等领域。钢铁生产作为典型的流程制造业，具备工艺复杂、物料交叉、生产节奏紧凑等特点。传统钢铁生产往往通过人工经验对生产过程中出现的情况进行判断和决策，在新产品试制和研发的过程中更多依赖专业人员对设备和工艺的认识进行分析和判断。而数字孪生技术关注于现场设备与虚拟世界的统一，借助虚拟环境下的物质流、能量流和信息流的仿真，对钢铁生产过程的各个环节进行指导与预判，可有效提高生产过程的精细程度，加速钢铁企业智能制造进程。

本文介绍了数字孪生技术在工业生产领域中的实施步骤和关键应用技术，着重阐述了数字孪生技术在钢铁生产流程中的应用特点以及拟解决的问题，并对在钢铁生产流程中的各种具体应用情况进行了分析和总结。

1 数字孪生与工业生产

数字孪生技术涉及仿真计算、三维建模、动态感知、信息传递与处理等多项技术。综合国内外关于数字孪生技术的定义和研究成果，可总结出数字孪生技术是打通物理实体世界与虚拟实体世界连接，形成二者之间动态连接的桥梁。针对工业生产领域，通过数字孪生技术将工艺生产仿真模型算法与虚拟工厂进行结合，可以通过虚拟世界的仿真计算结果指导生产、辅助决策、改进工艺，有效避免生产过程中出现的不可预知因素，提高生产效率[2]。建设工业生产的数字孪生系统分为三个阶段：

第一阶段，实体工厂的静态虚拟化。将工厂内部的厂房、设备、管线等设施通过BIM（Building Information Modeling）技术进行建模。模型不仅包括了静态物体的外观尺寸信息，还赋予了模型设计阶段的各种设计参数，区别于以往的三维逆向建模方式，BIM 模型丰富的属性信息为后续模型应用提供了无限可能。

第二阶段，实体工厂的动态关联。通过现场传感技术和数据传输手段将现场的实际情况反馈到虚拟工厂，将现场设备的运行状态、环境状况与采集到的实时数据进行关联，驱动虚拟场景内进行随动，建立虚实世界的动态关联关系。

第三阶段，生产工艺的仿真与反馈。通过智能算法，将复杂的生产过程数字化，通过若干个关联性强，耦合程度复杂的因素进行建模，形成仿真算法并在虚拟工厂环境中进行实验，往往可用于新产品的试制、现有产品的升级改造，以及工艺过程的优化。在虚拟平台进行仿真测试，一方面可以直观反馈运行结果，另一方面可以极大程度减少改进过程中的生产资源占用和能源消耗。

2 数字孪生关键技术

数字孪生技术的核心是通过虚拟建模手段，将现场设备或生产情况进行数字化呈现，通过生产过程的计算模拟预测并展示物理场景，以及虚拟现实的交互，为生产提供决策依据，改进生产方式。因此可知数字孪生的关进技术体现在以下几个方面。

2.1 数字化交付技术

数字化交付技术指的是工程建设过程中，将设计成果、采购资料、施工记录等建设阶段的信息，通过一个统一的数字化平台进行收集和整理，完成工程建设项目最初阶段的数据池。随着BIM 设计技术的发展，BIM 技术与数字化交付技术的融合，形成了基于可视化平台的全专业、全设备的交付方式。数字化交付技术完成了建设、采购、施工阶段的数据收集，完成了工厂BIM 物理模型的创建，搭建了虚拟世界的可视化模型平台，为数字孪生技术的实现奠定了模型与数据基础。

2.2 数据采集与传输技术

设备的实际运行情况需要传感器进行采集，目前传感器数据的传输方式多采用模拟量传输方式，通过电压或电流信号传输到控制器进行解析。但针对一些采集精度高的应用场景，这种采集方式的实时性和准确性并不能满足需求，尤其是一些改造项目，需要新加检测设备，传统传输方式增加了项目实施成本。物联网与5G 技术的发展为数据采集和传输提供了新的解决方案，物联网技术强调万物互联，5G 的低延时、高速率特性加强了数据传输的效率[3]。在工厂，通过建设统一的工厂数据库，将各个环节的生产实时数据进行汇集和存储，方便数字孪生技术连接和抓取。

2.3 虚拟现实技术

虚拟现实技术是指通过计算机技术，使人沉浸于模仿现实的虚拟环境中，通过视觉、听觉、触觉感受，增强虚拟世界的效果，同时允许使用者对现实的实际环境或物体进行操作[4]。虚拟现实技术延伸了数字孪生技术的应用，将虚拟与现实之间的互动提高到了一个新的层次[5]。

2.4 分析处理技术

数字孪生过程中产生的海量数据，需要进行有序的组织与处理，对某一生产过程、某一生产现象或某一设备的运行规律的数据进行加工，形成过程仿真计算。以往的仿真倾向于将实体抽象化的生产过程仿真计算，是将单一的复杂的实体进行简化处理，关注于关键问题的研究与计算。而数字孪生则是对实体的复刻，是对复杂过程、多耦合实体的综合仿真处理，将不同专业、不同领域的问题放在统一平台、同一模型上进行研究。数字孪生过程中的数据处理涉及到不同周期，建模仿真过程也需要多维度、多尺度统一考虑。因此数据的分析处理是数字孪生技术的核心。

3 数字孪生技术在钢铁企业中的应用

3.1 钢铁企业信息化建设的现状分析

目前，随着自动化、信息化进程的不断深化，钢铁企业的信息技术得了长足发展，建立了从产线检测到公司运营支持的五级信息化系统架构。一级为产线自动化控制系统，二级为产线专家系统，三级为生产经营管理，四级为企业资源管理，五级为公司智慧运营平台。钢铁企业五级信息化架构覆盖了从原料进厂到产品订单销售的全过程，提高了产品生产过程的精细化管理程度和智能制造水平。此外，钢铁企业的建设周期包括设计、采购、建设、生产、运行、维护直至退役。上面提到的信息化系统覆盖了生产、运行、维护全过程。

虽然目前信息化系统相对完备，但同样存在着问题。首先，建设过程中的数据收集程度较差，一个项目基础的数据来源均产生于设计阶段，设备的运行参数、仪表的检测范围等设计数据往往停留在图纸和设备表上，采购过程中对供应商的管理和随机资料等数据不能得到妥善管理，安装调试过程中产生的记录也没有被收集，纸质版的设计成果并不方便查询和保存；其次，在项目运维阶段，缺少了一个统一的数据集成展示平台，虽然已经建立了完备的五级信息化架构，但对于公司领导层来说，没有一个贯穿五级系统的数据统一展示平台来承载所有数据；最后，在流程行业特别是钢铁企业需要在生产制造之前对产线进行模拟仿真生产，以检验生产数据和校验生产结果，目前虽然很多产线都已经具备了相关仿真能力，但往往只是对单一产线，或单一环节的仿真计算，难以模拟现场复杂环境条件和多耦合体交织影响的真实条件。

3.2 数字孪生技术在钢铁行业拟解决的问题

数字孪生技术依托其高还原程度、高计算能力等特点，着力解决目前钢铁企业信息化建设存在痛点。

（1）数字化交付技术可为数字孪生提供基础数据与模型库[7]。数字化交付概念的提出有别于以往以蓝图和设备表的纸质交付方式。数字化交付是通过一个软件平台，将设计图纸、设计数据、采购数据和安装调试数据进行统一整合，以设备或管线位号作为唯一检索标准，关联该设备生命周期内的所有数据。交付物的格式可以是电子版图纸、PDF 或OFFICE 电子文档。随着BIM 技术的发展，设计数据可集成在BIM 模型中，通过模型进行直观的审查和应用，因此将BIM 与数字化交付技术结合，可形成更直观的三维交付方式。数字孪生技术的重要依托之一就是现场物理实体设备的数据参数与实体模型，从全生命周期维度上讲，将三维数字化交付系统应用范围从设计、采购、施工扩展到生产运维阶段，便可将钢铁企业全生命周期的模型和数据进行集成，为数字孪生技术提供数据支撑。

（2）数字孪生技术可承载全五级信息架构数据。钢铁企业日常生产可产生海量数据，数据的组织、采集和处理需要严密的逻辑和有效的承载平台。在业务管理部门已经具备完备的本专业信息化系统的情况下，数字孪生技术的价值点在于融合不同业务系统的数据在同一平台进行集成展示。如针对公司领导层，更关注于企业生产经营数据的集成、能源环保等关键业务系统的数据反馈、生产资源的指挥调度等信息。通过数字孪生平台从各业务系统中抽取数据，直观反应在三维立体场景中，提升数据的获取效率；针对产线级生产管理，数字孪生平台可将生产过程的仿真结果通过三维画面和场景进行动态呈现，提升仿真试验性生产的效率和直观性，同时对于日常生产经营活动，数字孪生系统抽取设备管理系统的设备运行参数、检维修关键提示记录，抽取MES生产经营数据方便用户直观获取生产资源组织；针对车间级应用，数字孪生系统可集成数字化交付成果，依托BIM 设计成果与可视化技术形成可视化资产管理平台，方便用于查阅管辖范围内各关键设备的全生命周期数据[8]。三维场景内部的生产数据集成使数据监控的过程更加直观。数字孪生平台在钢铁企业信息化架构中的定位如图1所示。

图1 数字孪生平台在钢铁企业信息化架构中的定位Fig.1 Positioning of digital twin platform in the information architecture of steel enterprises

3.3 数字孪生技术的具体应用

生产管控大厅的生产、调度管理数据的集中展示。在钢铁企业调度指挥大厅内，集成了设备、能环、生产、调度、物流等部门的数据，在管控平台内如何对这些数据进行组织和应用是数字孪生系统能够解决的一个重要问题。数字孪生平台数据结构如图2所示。

图2 数字孪生平台数据结构Fig.2 Data structure of digital twin platform

（1）数字孪生系统的价值在于对实时数据的收集、对生产关系的仿真。钢铁企业日常生产过程中的仿真生产涉及到方方面面。在原料系统中，对于散装料料库如何高效利用的问题一直是工艺生产研究的重点，通过数字孪生系统模拟料条内如何布置不同的散装料，将堆取料机和皮带输送系统进行建模，有效指导散装料贮料作业。在烧结系统，通过模拟布料厚度、烧结温度、风阀开度等烧结过程，可有效控制烧透点，直观显示效果。在炼钢车间通过数字孪生技术构建真实比例的三维场景与设备，将天车倒运过程进行模拟，三维场景内划定不同的天车运行路径合理规划，提高生产效率降低设备利用率。

（2）VR 技术作为数字孪生技术的延伸可有效应用于钢铁企业产前培训和考核，使员工在不进入实体环境的情况下完成对生产过程的直观感受和培训，尤其在炼钢、炼铁等复杂危险的环境下，实体培训不仅危险系数高，还会占用正常的生产和检修时间。通过数字孪生系统搭建的模拟工厂，场景还原度高，还能产生互动。

4 结语

数字孪生技术的发展将物理世界与数字世界之间建起了桥梁。实体模型的创建、计算模型的形成和实时数据采集是数字孪生的核心问题。钢铁企业通过多年的信息化建设，形成了以五级架构为主体的智能制造体系。物联网和5G 传输技术逐步推广和应用为数字孪生技术的落地提供了数据源；BIM 技术与数字化交付技术在钢铁企业的应用为数字孪生技术提供了模型与静态数据基础；产线的专家系统应用为数字孪生技术提供了计算模型基础。

综上所述，目前数字孪生技术与钢铁企业信息化系统架构已经形成密切的关联，如何将数字孪生技术应用于企业的生产决策、指导现实生产、提高生产效率、降低生产成本将成为钢铁企业信息化建设的新方向。