“工业数据+工业机理”驱动的数字底座系统：助推新型工业化

杨华勇王峰王柏村谢海波

（1.浙江大学机械工程学院，浙江杭州 310058；2.浙江大学高端装备研究院，浙江杭州 311106；3.无锡雪浪数制科技有限公司，江苏无锡 214131）

党的二十大报告提出：“建设现代化产业体系”“坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国”[1]。《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》中指出了加快发展现代产业体系的具体内涵，也就是构建实体经济、科技创新、现代金融、人力资源协同发展的现代产业体系[2]。工业特别是制造业，是实体经济的主体。推进新型工业化是建设现代化产业体系的必由之路，也是高质量发展的应有之义。

要走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路，充分发挥我国的比较优势和后发优势。按照党的二十大工作部署，建设现代化产业体系的具体任务包括：建设制造强国、推动战略性新兴产业融合集群发展、构建优质高效的服务业新体系等几方面。这也是进一步推进新型工业化的重要任务和重要内容。新一轮产业革命和科技变革为我国经济发展特别是实体经济发展提供了难得的历史机遇，也为我国推动新型工业化、推进传统制造业转型升级提供了重要途径。当前，我国在智能制造和工业互联网等领域取得了显著成效，但不同地区、不同行业、不同企业的发展水平仍有较大差异，大量传统产业和企业仍需持续推进数字化改造、智能化升级[3-5]。同时，广大制造业企业在数字化转型、智能化升级过程中经常遇到自身信息化建设能力不足、传统知识难以软件化、对改造升级成本较敏感等共性问题，亟需创新解决思路和解决方案。

一、“工业数据+工业机理”驱动的数字底座系统

针对广大制造业企业在数字化转型过程中遇到的信息化建设、知识软件化、改造成本等方面的共性问题，浙江大学高端装备研究院与雪浪云深度合作，面向新型工业化进程中管理数字化、知识服务化、软件平台化等现实需求，以平台型、通用型的系统级软件解决行业的共性问题，以服务型、定制型的工业APP解决行业的个性问题，打造“工业数据+工业机理”驱动的数字底座系统，并逐步在工业界推广应用，获得了显著的经济效益和社会效益。数字底座系统为制造业数字化、智能化提供1个工业数据智能底座平台、多套基于平台的通用工具箱。通过数字底座系统研发的新型工业软件，具备自治、协同与智能进化的特性，是独立自治的软件智能体，能够与其他同源的工业软件自动组网、数据互通，形成工业软件/工业APP的“星链”，并逐步实现群体智能，用得越多，释放的数据价值就越多。

“工业数据+工业机理”驱动的数字底座系统架构主要由底层支撑系统、核心引擎服务层、上层应用组件开发环境构成，如图1所示。

图1 “工业数据+工业机理”驱动的数字底座系统

底层支撑系统主要提供分布式计算与存储的系统级服务，为高效的算力和存储使用提供坚实的保障；核心引擎服务层在底层支撑系统之上提供服务治理、监控告警、数据传输、数据存储、资源调度等核心基础服务，配合联合仿真、并行计算、边缘计算、数据开发、系统集成等应用开发基础框架，支撑制造业智能设计、制造、运维全流程中的上层应用开发；上层应用组件开发环境，提供各种丰富的功能性内置组件库，用户通过可视化应用开发平台对组件进行拖拉拽式编排，即可高效完成细分工业领域应用的搭建。

在核心功能方面，数字底座系统底层支撑计算资源与存储资源的分布式调度、负载平衡、高性能读写、多副本存储和多系统兼容等基础性功能，为上层高效的新工业软件与工业APP开发和运行提供易扩展、高可靠、高性能和高可用算力存储保障。同时，基于模型化、组件化的开发范式，通过首创的高性能混合流计算核心技术，数字底座系统构建云边端智能协同计算的一体化平台，搭建数据采集与集成、数据建模与业务建模、算法训练与部署、生产过程仿真与可视化应用、模型服务化和低代码应用等功能模块。数字底座系统对设计、制造和运维环节进行基于数据、云原生及新算力引擎的重构，实现新一代面向数字空间的新工业软件与工业APP高效研发，不断优化底层工业场景的混合建模与算力调度的能力，深度融合高校与新型研发机构知识以及企业自身数字化转型经验，逐步完善数字化转型生态圈。

目前，数字底座系统已成功服务300多家制造业企业，并且面向国家重大战略需求，在智能产品研发、产品智能设计、产品智能生产、产品智能运维和区域中小企业云平台领域构建智能制造典型案例。

二、数字底座系统典型应用案例

（一）智能产品研发——智能盾构机

1.需求分析

盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是隧道掘进的专用工程机械，对其可靠性要求极高。盾构法施工具有掘进速率快、施工质量高、噪声小、安全性较高等优势，但因盾构施工工艺流程复杂、地质环境多变、作业条件差、对操作人员经验和素质要求高、劳务作业人员匮乏、施工标准不一等原因，经常造成施工过程不当，导致地面沉降或隆起、中心线偏离、管片破损、隧道渗漏、非正常停机、设备损坏等后果。因此，以工业互联网、大数据、人工智能等为代表的新一代信息技术正逐步与盾构装备和隧道施工技术深度融合，实现了隧道无人化运输、管片无人拼装、驾驶辅助决策等功能。未来还将实现自主感知、自主学习、自主掘进、智能决策并自主解决异常问题，有效解决盾构机隧道施工过程中掘不准、掘不稳、掘不快等问题。

2.解决方案

基于数字底座系统构建的复杂地质隧道施工盾构全生命周期数字孪生平台，突破盾构虚实空间内全要素信息的采集融合传递技术，构建复杂数字孪生系统，可实现盾构机全生命周期性能预测、优化、控制与监测运维，让盾构机更“聪明”。通过集成设备运行、地形地质勘测信息，利用数字孪生引擎，搭建施工环境与掘进设备的孪生模型，实时跟踪和分析掘进设备运行位置和风险源信息，协助用户分析项目风险，提高用户风险防范水平和能力。通过采集、感知、融合装备运维过程中施工参数，利用5G、边缘计算和云计算等技术，实现物理产品与后台数字孪生体之间的实时交互与驱动，监控、分析并预测装备的状态和性能，实现地下工程装备智能运维决策。通过部署多类型传感器动态感知钻机关键参数，基于健康预测算法实时分析和打造健康监测平台，实时监测健康状态。通过集成各项目的进度信息、报警信息、设备运行状态信息构建盾构机远程指挥中心，对设备运行情况进行统计分析，实现对不同项目现场的集中管控和远程指挥。

3.应用成效

针对盾构机隧道施工中存在的掘不准、掘不稳、掘不快等问题，基于数字底座系统完成了300多台/套设备连接，积累了3.27万亿条数据、3000多注册用户，成功打造一体化集成控制的盾构机复杂工况自适应控制中枢，突破掘进效率和寿命瓶颈。主轴承失效、滑靴磨损等异常预警准确率达70%～85%；泵、阀、缸故障诊断准确率达85%～97%；工程地质与掘进参数预测准确率达70%～85%，全面提升隧道施工精细化管理水平；隧道掘进效率1%～3%，助力掘进装备企业提升国际竞争力。

（二）产品智能设计——燃气轮机智能设计

1.需求分析

燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，是一种先进、复杂的成套动力机械装备。在燃气轮机传统的设计过程中，存在系统仿真与场仿真关联弱、场仿真计算耗时长、仿真模型与实物关联弱、物理试验周期长及难度大等问题，导致燃气轮机研发设计仿真模型实用性不足、迭代优化困难，影响整体研发设计效率。因此，通过模拟仿真、监控分析、诊断预测、优化控制等手段，研究真实工况与复杂环境下燃气轮机样机高保真建模、数字孪生虚实镜像与感知交互、全生命周期性能预测与优化的数字样机与数字孪生技术，可为解决复杂、真实工况下燃气轮机研发设计问题提供新的途径。

2.解决方案

基于数字底座系统，开发燃气轮机研发测试所需的实时数据交互、分布式异构联合仿真、模型标定分析优化、模型降阶、三维实时动态可视和机器学习等数字孪生系列工具集。采用分布式异构联合仿真工具集完成关键模型的迁移适配，并设计搭建燃气轮机关键部件和整体系统仿真计算模板，基于数字样机计算模板开展关键不确定参数模型标定、多参数模型分析和设计参数自动优化等研究工作，并形成相应的计算模板。同时，采用模型降阶工具集搭建压气机全场和各级各截面叶型的降阶模型，获得具备准实时求解性能的高保真模型；采用三维可视化工具实时、动态呈现燃气轮机三大关键部件及整机的结构运动与流场分布，完成燃气轮机数字孪生体构建；采用实时交互工具集实现燃气轮机数字孪生体与燃气轮机实体双向连接交互。基于燃气轮机数字样机和数字孪生开发状态识别、维保预警、故障诊断、寿命预测和智能维护决策等智能应用，实现了燃气轮机管理、研究、测试中的人员和设备等全要素管控，助力燃气轮机研发测试的高效协同和创新升级。

3.应用成效

系统以燃气轮机设计全流程一体化为主线，便捷连通产品设计、仿真分析、孪生模型构建和开发运维应用等业务流程，研发阶段的设计和测试效率提升30%以上，实现燃气轮机的共享研发、迭代优化和运维管理的智能化。

（三）产品智能生产——汽车生产仿真与优化

1.需求分析

目前我国整车制造企业已经具备较为完善的信息化和自动化系统，如MES、ERP、PLM和WMS等，但仍面临零部件复杂多样难以管理、生产制造流程繁复导致制造周期长、软件众多难以整合导致数据孤岛无法消除、业务复杂多样导致管理不足等问题。主要表现在：生产规划和验证困难、生产规划与计划准确性低且无法验证、意外频发、库存积压多；实时优化决策难、决策方法不够科学；实时总控调度难、没有统一的调度中心、设备繁多通信难、异步控制调度不便；生产状态评估难、多源异构数据治理分析难、生产和管理关键指标无法实时评估。

2.解决方案

数字底座系统研发的生产仿真与实时优化软件，通过生产过程海量数据与工艺知识的深度融合实现了建模、分析、决策和执行的闭环链路构建。打通制造系统的核心工艺设备、ERP、MES、LES和SRM等，建立单车级订单BOM，为虚拟制造的孪生模型提供产品与物料消耗关系，为后续业务场景提供统一视角的数据支撑；结合车间生产仿真能力，通过组件拖拽搭建产线高保真建模，对生产过程进行预演，快速发现现存和潜在问题，基于智能优化算法的应用，快速对问题进行优化分析，推荐最优解决方案至自动化设备侧，实现设备的智能化调度。同时，可快速开发与沉淀汽车生产制造关键业务流程、工艺经验、制造知识和方法的典型工业应用。

3.应用成效

汽车生产仿真与实时优化将信息融入完整业务流中，将计划排产、生产调度和智能控制等功能与业务深度融合，避免在实际生产时出现的瓶颈问题对出货造成影响，减少计划外的停机时间，最大化提升生产效率与产能。以某汽车整车制造企业为例，数字底座系统连接了超过1500个生产单元和2000多名现场人员，当生产条件发生变化时，通过系统快速计算后可重新配置生产要素，实现原材料库存资金占用下降18%，仓储和管理成本下降22%，电能消耗每年减少1000万元以上。

（四）产品智能运维——柴油发动机的智能运维

1.需求分析

柴油发动机是工业发展中常见的配套装备，是汽车、农业机械、工程机械、船舶、地质和石油钻机等的主要配套动力。传统的柴油发动机的性能监测主要以人工监测为主，对发动机状态监测不充分，缺乏对柴油发动机运行过程的可视化管理；在柴油发动机发生故障时无法及时、准确定位，其故障诊断主要依赖相关技术人员的经验和现场检测，费时费力；柴油发动机大量历史运行数据有待发掘，运维服务体系不完善，缺乏体系完善的智能运维服务平台。柴油发动机的性能监测急需从建模仿真、孪生融合、预测优化等角度出发，研究真实工况与复杂环境下柴油发动机数字样机高保真建模、数字孪生虚实镜像与感知交互、全生命周期性能预测与优化技术，建立面向柴油发动机运行维护全生命周期问题解决方案。

2.解决方案

基于数字底座系统开发的分布式异构联合仿真接口、模型标定分析优化、模型降阶、实时数据交互、机器学习、三维动态可视化等数字孪生建模工具，在发动机数字孪生的基础上可开发故障诊断、寿命预测与辅助决策等运维服务，搭建柴油发动机数字孪生与智能运维一体化平台。首先，利用数字孪生建模工具，从发动机机理模型从发，利用模型降阶工具构建发动机关键部件数字孪生体，包括发动机DPF和四配套的数字孪生体，通过实时交互工具接入发动机实时运行数据，实现发动机DPF（压差、温度场、积灰、积碳等）和四配套（机油耗、漏气量、环/缸套磨损等）性能的实时孪生监测。其次，结合发动机关键部件数字孪生和发动机历史运行数据，构建发动机积碳故障诊断模型、积碳/积灰/磨损寿命预测模型、最佳清灰决策模型，完善发动机运维服务。最后，开发发动机智能运维平台，实现发动机全生命周期数字孪生、数据管理、运维服务的一体化。

3.应用成效

柴油发动机智能运维平台实现了复杂柴油发动机模型在运维阶段的高度复用，通过柴油发动机孪生模型与物理实体的实时同步交互，保证发动机运维阶段模型的高可信度和高保真度，以孪生模型预测结果驱动最优决策，提高发动机运行质量。基于混合孪生数据的性能与故障预测技术、运维决策管理技术构建发动机智能运维体系，提高了发动机可靠性和可用性。

（五）区域中小企业云平台领域

1.需求分析

中小企业是中国经济的“毛细血管”，创造了全国50%的税收、60%的GDP、70%的技术创新、80%的劳动就业以及90%的企业数量，是制造业数字化转型的“主战场”。2021年12月，工业和信息化部会同多个部门联合发布了《“十四五”促进中小企业发展规划》和《“十四五”智能制造发展规划》，明确指出要通过提升中小企业的创新能力和专业化水平来推动企业的高质量发展，同时提到智能制造、数字化转型是中小企业改革创新、提升综合实力和核心竞争力的根本动力和必由之路。

2.解决方案

针对中小企业在数字化转型过程中遇到的常见问题，基于数字底座系统研发和建设面向中小企业管理数字化、知识服务化、软件平台化的工业互联网云平台。云平台以N+X模式为导向，通过平台型、通用型的系统级软件解决行业的共性问题（N），并通过服务型、定制型的工业APP解决行业的个性问题（X）。数字底座系统基于工业大规模全量、多源多维数据的实时计算，打通数据孤岛，深度融合工业机理、人工智能、运筹优化与图计算技术，实现数据价值的深度挖掘与分析，不断自学习形成完善的工业知识新体系，从数据被动验证决策转变为数据主动引导决策，助力中小企业节约整体生产和运营成本，提升生产和运营效率。

3.应用成效

截至目前，平台已对接客户150余家，为中小企业提供定制服务方案80余份。以某中小企业为例，通过区域中小企业云平台的赋能，数字化升级改造推动生产成本降低23%、生产效率提升40%、产品良率提升至97%、产品研发周期下降20%。区域中小企业云平台创建以规模效应降低企业工业软件应用门槛和成本的新模式，将全面赋能区域内制造业企业数字化转型。

三、结束语

党的二十大报告提出“推进新型工业化”，为新时期推动制造业数字化转型、深化两化融合发展指明了方向。综合来看，“工业数据+工业机理”驱动的数字底座系统的研发和应用，对于建设制造强国、加快发展现代产业体系、推进新型工业化、发展工业互联网、打造工业APP等具有积极的助推作用。充分发挥数字底座系统优势，联合产教研用等多方生态，驱动产业链、人才链、创新链的多链协同、融合发展，运用工业知识、数据和算力重构工业体系，将有力推动制造业在数字空间的变革与升级。