工業互聯網支持下的數字孿生車間

王建民 宋慶奎 彭瑩瑩 尚立新

1.山東聊城煙草有限公司；2.山東省煙草專賣局（公司）

在當前信息技術不斷發展的過程中，數字孿生在智能制造領域發揮重要影響作用。數字孿生技術的主要作用在于讓物理與信息空間實現數據融合。本文圍繞該技術的數據收集、模型構建與實際運用等不同方面探討數字孿生車間的制造與使用。同時，針對各大企業在發展數字孿生技術時使用的手段進行對照分析。研究結果表明，數字孿生車間的技術重點在于能否實現實時數據傳輸。在當前信息技術不斷發展的過程中，工業互聯網也在數字孿生車間的建造過程中發揮了重要作用，工業互聯網可以將數據、設備以及人員的各項數據進行高效的連接，并通過各種技術來實現實時的數據傳輸。本文分析工業互聯網支持下的數字孿生車間技術，同時以此為基礎對我國企業今后運用該項技術的發展趨勢進行展望。

在新一代信息技術不斷發展的過程中，如何充分運用其實現智能制造受到了各國學者的廣泛關注。而在針對該項問題進行研究的過程中，怎樣解決物理與信息空間難以進行數據共享的問題是大部分學者研究的重點。為此，需要運用數字孿生技術來處理這一問題。2016年，Gartner公司提出，數字孿生技術將成為一項具有戰略性意義的重要技術。王肖景等學者也認為在工業互聯網支持下的數字孿生車間將為各國智能制造的發展提供重要助力。因此，本文將針對上述技術的背景、發展現狀以及工業互聯網技術對其的支持開展研究，希望以此來推動我國智能制造產業的發展。

1 數字孿生的產生背景

數字孿生技術主要指代通過數字化手段在信息空間內構建虛擬模型的技術，它能夠通過數據手段來對現實中存在的事物進行精確的模擬，以此來幫助工作人員開展更加科學合理的風險評估與優化決策[1]。

學者Michael Grieves在2003年便已經發現，能通過虛擬數字化表達的方式來模擬物理產品，他的研究也被人們視為數字孿生技術的雛形。然而，因為當時的技術水平無法實現這一理論，同時人們的認知也存在一定的限制，所以該理論并未得到充分的重視。而在2011年，數字孿生的概念再次受到了人們的關注，美國空軍研究實驗室通過運用該項技術來進行飛行器的維護以及使用壽命的評估。這也使得數字孿生技術開始進入了人們的視野，在后續十數年的研究過程中，該項技術得到了大量學者的進一步完善。因為人們逐漸意識到數字孿生技術有助于推動物理信息系統發展，部分學者開始將目光從飛行器等復雜產品轉向其他領域，最終導致該技術在一些通用產品的生產過程中也取得一定效用。數字孿生是一種虛擬模型、物理實體、孿生數據、服務系統與相互間的連接等，五個部分構成的五維結構模型。其核心在于數據與模型兩個方面，此外，孿生數據的使用也是處理物理信息融合問題的關鍵。我們必須針對物理空間的數據進行收集，在此基礎上方可完成虛擬模型的構建。而在完成虛擬模型建設之后，其運行過程中取得的各項數據也能幫助人們更好進行決策與風險預估。

2 數字孿生車間技術及其發展

2.1 虛擬車間、數字化車間、數字孿生車間的比較

在智能制造車間不斷發展的過程中，其相關技術已經逐漸實現了由原本的物理空間向信息空間的拓展，并且在此過程中產生了新的相關概念。其中，虛擬車間指的是車間在虛擬空間內的映射，涵蓋了對于其所有生產要素的刻畫以及行為表達，是一種依靠車間現場數據來作為驅動的模型，通過虛擬車間可以較為直觀地表現出車間的具體運行狀況。而數字化車間則代表信息技術與數字化技術在車間制造過程中的綜合運用，依靠數控設備以及信息管理系統的集成，來對產品制造的過程進行有效地控制，最終實現系統柔性以及生產速度的提升。最后，數字孿生車間代表了數字孿生技術在車間制造過程中的運用，其原理在于依靠物理車間與虛擬車間的雙向映射交互，依靠數字孿生技術來幫助車間實現迭代優化，以此來完成生產與管理效率的提升。

數字孿生車間不但涵蓋了虛擬車間，還涵蓋了數字化物理車間。其中前者無法對實時數據進行收集，必須通過虛擬化的方式表達車間模型，無法對車間的具體情況進行表述。而后者則能夠進行實時數據的采集，然而因為缺乏車間虛擬模型而無法有效地進行數據的運用，同時車間管理系統與物理車間也無法完成實時數據交互。數字孿生技術可以將兩種車間的優點進行結合，以此來實現信息和物理空間的數據融合[2]。在進行數字孿生車間的運用時，我們需要處理的一項重要問題在于信息與物理空間的數據交互問題，所以在進行數字孿生車間的建設時，可以在其中引入工業互聯網技術，依靠其快速數據傳遞以及數據處理的功能來處理這一問題。

2.2 數字孿生車間概念及應用

車間是發展制造業的基礎單位，因此在推行智能制造產業發展的過程中，怎樣建立起智能車間受到了學者們的廣泛重視，而數字孿生技術的使用能夠有效地實現這一目標。陶飛等學者指出，數字孿生車間將成為今后我國制造車間發展的主要方向，通過進一步發展與運用該項技術，我們可以有效地促進物理與信息空間的聯通。Cunbo Zhuang等探討了該技術如何在衛星裝配車間的生產過程中發揮作用，并分析實時獲取、組織物理裝配車間數據的關鍵技術。

此外，還有一些學者針對整體車間的構建開展深入研究，Hao Zhang等以數字孿生技術的運用為基礎，在其發表的文獻中論述一種個性化的快速設計生產線方法，并給出一套科學的優化算法。朱志民等則探討了該項技術在軌道交通轉向架產業中的運用，其研究為該產業的進一步發展提供了理論方面的依據。Jiewu Leng等則以數字孿生技術為基礎構建出了一套信息物理系統，該系統能被用于個性化定制的并行控制智能化車間。陳振等探討當前飛機裝配車間在生產制造過程中存在的各種問題，并在此基礎上提出運用數字孿生技術的飛機數字裝配車間。此外，學者還提出車間生產過程中可能出現的幾項重點問題，并對其進行了深入研究[3]。上述系統之所以能夠正常運行，是因為其建立在車間孿生數據的基礎之上，因此如何以更高的效率開展數據收集與傳輸，是當前我們在建設數字孿生車間時需要解決的一項重點問題。為此，Thomas等學者針對生產數據的收集、仿真數據處理以及多模態數據采集等方面開展了深入研究，而Hopmann等學者針對一項關于3D模型實時數據管理的數據庫架構進行了研究，通過該架構可以為產品的設計與制造等環節的開展提供更多具有可行性的方案。此外，陶飛等學者也針對數字孿生車間的信息融合以及數據融合進行了探討。

發展建設數字孿生車間的主要目標在于對物理車間的運行提供科學的指導，其內容涵蓋了車間監控、故障排查、設備維護以及物流指導等各個方面。姜康等學者依靠車間虛擬模型以及現場實時狀態數據驅動模型來針對車間的情況進行監管。

在數字孿生技術發展的過程中，許多企業也參與到研究過程中，并取得一定成果。德國的西門子公司提出了數字化雙胞胎的概念，并在此基礎上推出了以NX系列為代表的開發軟件，其作用在于幫助企業更加便捷的構建生產系統模型，以此來完成產品設計與制造的自動化。PTC公司也運用數字孿生技術研發出了T-System系統，以此來實現虛擬世界與現實世界之間的有效連接，確保用戶能享受更優質的售后服務。達索公司則依靠其研發的3D Experience來針對產品設計進行改良。而GE公司也采用數字孿生技術來對其產品的性能進行評估。

3 工業互聯網技術概述

3.1 工業互聯網基本構成和數據來源

工業互聯網的構成要素涵蓋了行動層、數采層以及洞察層，通過這種構成體系，工業互聯網可以對工業數據進行全面感知，同時根據感知的結構來對數據情況進行實時分析，確保工作人員在進行生產制造時取得可靠地分析數據。工業互聯網的數據大多源于外部數據、機械設備數據以及信息系統數據[4]。（1）外部數據，在這一層面的數據和企業所處的行業存在密切的關系，其中包括了市場環境、輿論環境等內容；（2）機械設備數據，其內容涵蓋了企業在開展生產制造活動的過程中各種儀器設備所生成與收集的數據，此外也涵蓋了企業在把產品交付給客戶時產生的數據。（3）信息系統數據，這也是企業在開展制造活動時的主要數據來源，大多為運行過程中的業務數據，其中包括產品設計、生產以及運營等方面的數據。

3.2 工業互聯網的概念與原理

針對行業互聯網的運行方式、過程以及結果開展研究能夠發現，工業互聯網的工作原理是以工業生產、智能分析為中心，通過人機互聯的系統構架來建立起高效的工業信息流通環境。而智能分析則指代融合了工業流程、專業技術以及數據科學在內的分析體系，通過這種方式來實現由人腦分析朝向數據分析的轉變，最終實現生產目標分析質效的提高。智能物體指代以顯示中存在的各種傳感器為核心，以物體間通信為基礎，并搭配可以開展信息交互的物理環境。實際上，智能物體與智能分析之間存在著相輔相成的關系，也就是說，工業物聯網指的是以智能物體為基礎建成的信息聯通環境，能周期性地進行生產數據收集，再將其匯總至智能分析系統之中，同時以相關模型為基礎，針對產品的設計與制造流程進行分析，并在此基礎上進行系統優化，從而實現生產效益的進一步提高。

3.3 工業互聯網對數字孿生車間的構建支持

在進行數字孿生車間的構建過程中，我們需要滿足的一項技術要求便是進行實時數據融合。同時，工業互聯網能夠依靠物聯網技術來實現萬物互聯，依靠邊緣計算的方式處理車間生產數據實時性與可靠性不足的問題。物理車間依靠傳感層把數據依靠網絡層傳遞至應用層以開展數據處理，最后將數據傳遞至虛擬車間。此外，通過虛擬車間取得的仿真結果也能夠被反作用于物理車間，依靠網絡層所具有的數據實時傳輸能力以及強大計算能力，來完成虛擬車間以及物理車間的實時同步。車間服務系統物理車間與虛擬車間的大量的信息數據，也能依靠網絡層來進行高效的傳輸。

對于工業互聯網技術而言，其萬物互聯不僅局限于物理實體的互相連接，同時也能夠實現物理實體與信息空間之間的連接以及信息空間的互相連接。針對數字孿生車間的內部結構進行分析可以發現，該技術的運用也必須建立在物聯網的支持之下。在發展數字孿生技術時，最后需要實現的技術要點在于如何進行物理空間與信息空間的融合，為了實現這一目標，我們應當確保信息數據的傳輸更加高效，并且盡可能減少延遲，最好做到完全忽略延時。在進行虛擬模型的構建時，應當依據物理空間數據為基礎來創建模型，同時模型的驅動也應當建立在實時的數據傳輸的前提下。最后，工業互聯網技術還可以讓不同平臺的數字孿生車間與用戶之間進行數據交互，以此來達成萬物互聯的發展目標。針對上述兩個方面的研究可以發現，數字孿生技術的實現必須擁有工業互聯網技術的支撐，同時該技術的發展也能夠推動工業互聯網實現進一步發展與普及。

當前，許多學者都針對信息物理空間數據傳輸開展了研究。舉例而言，屈挺等學者針對當前我國企業面對的生產和物流系統建設的聯動運作問題開展了研究，并以此為基礎提出了一種以物聯網作為基礎的多環節聯動運作系統。此外，盧陽光等學者還研究了一種以工業物聯網為基礎的汽車工業敏捷規劃仿真模型，并將其和企業使用的傳統規劃方法進行了對照分析，最終結果顯示這種方式具有更高的有效性。同時，這一模型的措施也促使工業互聯網技術與數字孿生技術之間實現了有機結合。丁凱等學者也針對以數字孿生技術為基礎的車間智能制造系統進行了研究，并建立起一套智能車間制造物聯網體系，以此來確保車間數據能實現實時傳輸。

4 結語

數字孿生車間技術的發展與運用能夠促進物理與信息空間的聯通，但是，目前我國在發展該項技術的過程中依然局限于理論方面的研究，這是因為目前的信息技術水平依然難以滿足其實際部署的需求。隨著該項技術在企業車間生產過程中發揮的作用愈發凸顯，數字孿生車間也將演變為未來智能車間建設的主要手段。在模型層面上，各大企業推行的模型構建軟件在定義格式方面大多具有不兼容性，此外各大企業在實際運用數字孿生技術時選擇的重點也各不相同。因此，為了進一步推動該項技術的發展，還需要探討怎樣實現不同軟件格式之間的兼容。在數據傳輸和工業互聯網的角度上，當前大部分工業互聯網依然采用有線傳輸的形式，但針對當前的制造業生產實際進行分析可以發現，無線傳輸的方式與企業運營的實際需求更加契合。為此，需要通過發展傳感器技術來實現無線運輸，以此來提升數字孿生中數據延遲的進一步降低以及數據可靠性的進一步提升。

引用

[1] 陸劍峰,王盛,張晨麟,等.工業互聯網支持下的數字孿生車間[J].自動化儀表,2019,40(5):1-5+12.

[2] 張昌福,嚴蕓,楊靈運,等.數字孿生技術與工業互聯網的融合應用場景與路徑研究[J].中國信息化,2022(1):96-97+100.

[3] 劉彬,張云勇.基于數字孿生模型的工業互聯網應用[J].電信科學,2019,35(5):120-128.

[4] 羅少康,滕文琪.數字孿生車間系統構建及應用[J].機械,2021, 48(3):53-58.