數字孿生技術應用的“十灃方案”

方旭

十灃科技致力于高端研發設計類工業軟件、數字孿生、數字能源系統與仿真云服務平臺自主研發及產業化。通過以高端工業軟件為核心的定制研發和技術服務、行業核心定制研發和技術服務，為企業提供核心產品數字化設計研發、工廠數字化和智能化改造等方面的一攬子解決方案

隨著全球經濟的快速發展和科技的進步，我國制造業正積極投身數字化、智能化轉型升級中。特別是在以數字孿生技術為代表的新一代信息技術引領帶動下，制造企業不僅能夠提高生產效率、降低成本，還能提高產品質量、實現綠色生產。

數字孿生技術是近年來快速發展的一項技術，可以將現實世界中的對象或系統用數據形式進行建模，形成其“數字孿生”，并在虛擬世界中進行實驗、仿真、優化等操作的技術。數字孿生技術的應用范圍非常廣泛，可以應用于制造業、建筑業、物流業等各個領域，為實現智能制造、智慧城市等目標提供了有力支持。浙江十灃科技有限公司（下稱“十灃科技”）就是一家應用數字孿生技術，為制造企業提供核心產品數字化設計研發、工廠數字化和智能化改造的“高手”。

數字孿生VS虛擬產線調試

傳統的工廠產線調試需要大量時間和成本，同時調試結果并不一定能夠達到預期目標。針對這個問題，十灃科技提供了“仿真＋數字孿生”技術在工廠虛擬產線調試方面的應用，通過數字孿生技術，可以將實際設備與數字模型相結合，實現對設備的可視化管理和智能監控，提高管理效率；通過虛擬場景構建和虛擬設備建模，實現了對整個生產線的全面仿真，提高了調試效率；通過虛擬控制系統建模和虛擬調試仿真，實現了對控制系統的全面測試和優化。在數字技術的幫助下，傳統的工廠生產線調試成本大幅降低，調試效率也得到了提高。

“在實踐中，我們也遇到了一些難點，如如何實現數字孿生模型與實際設備的結合、如何提高數字模型的精度等。但我們通過不斷的優化和改進，克服了這些問題。”十灃科技項目負責人表示，運用數字孿生技術實現虛擬產業的調試項目并不是一帆風順。因為需要使用的技術水平較高，應用范圍廣泛，為此十灃科技針對該項目，進行了數字孿生模型建立、虛擬場景構建、虛擬設備建模、虛擬控制系統建模及虛擬調試仿真等多個場景和環節的打造。

數字孿生VS刀具管理

目前，除了在虛擬產線的調試項目中的應用，數字孿生技術還在機械加工等領域得到廣泛應用，比如在刀具管理中，應用數字孿生技術可以較大地提高工廠的工作效率，降低成本。

制造型企業中，機床刀具的損耗較大、剩余使用壽命難以預測，進而使得由刀具問題導致的生產效率下降問題難以解決，需要針對刀具采取更先進的管理手段，以提升其利用率與安全性。十灃科技通過采集主軸電流（負載）信號、位置信號、速度信號等30多個維度數據信號，結合大數據流式處理、自然語言處理等自學習處理算法和行業多年經驗數據沉淀，構建的一套完整的刀具壽命預測和狀態監控管理系統。該系統實現了基于刀具狀態監測和壽命預測的異常停機控制模塊，降低了因刀具磨損導致的產品質量損失及異常撞機事故發生的概率；提供基于刀具狀態監測和壽命預測的異常停機控制模塊，避免因刀具異常導致的產品質量損失和異常撞機事故。

“應用系統后，可以減少約73%的由刀具問題引發的故障停機時間，提升約31.6%的設備利用率，大幅提高加工時間的占比與利用率。”該項目負責人表示，十灃科技利用數字孿生等技術，實時監測刀具狀態，刀具不可靠時，及時對刀具磨損進行補償或更換刀具；提高加工產品精度和表面質量，降低次品和廢品率；減少設備停機時間，提高其利用率和生產率；降低機床事故發生率，保證機床加工系統的安全性。

數字孿生VS物流節拍

在物流業中，數字孿生技術可以將貨物的物流過程進行虛擬化，提前發現問題，避免物流中出現問題，提高物流效率。十灃科技通過對工廠的實際狀況進行分析，運用數字孿生技術對生產工序間的物流系統進行仿真建模，對生產工序間物流進行仿真模擬，并針對性地提出合理的優化方案。基于工廠的設計圖，采用模塊化的建模方法構建車間物流場景。然后結合仿真技術對物流路徑進行仿真，并對物流系統過程進行平衡計算。

通過在不同任務和資源之間平衡工作負載，十灃科技的解決方案將物流線總作業時間從原來的1265s降低至695s，物流線平衡率從42.17%上漲至60.96%，物流線平衡損失率由57.83%下降至39.04%，設備利用率由70.36%提升至81.29%，較大程度上解決了原方案中出現的物流不平衡與物流瓶頸的問題，減少了物料流轉瓶頸、縮短物流周期并提高了運輸設備的利用率。

數字孿生VS仿真測試

除了賦能傳統制造業，十灃科技亦能為高新技術企業實現賦能。杭州申昊科技股份有限公司（下稱“申昊科技”）是一家致力于設備檢測及故障診斷的高新技術企業，為工業設備安全運行及智能化運維提供綜合解決方案。申昊科技開發了一系列具有自主知識產權的智能機器人及智能監測控制設備產品，可用于電力電網、軌道交通、油氣化工等行業，為客戶無人或少人值守和智能化管理提供有效的檢測、監測手段。

為解決智能機器人產品研發設計中出現的一系列問題，十灃科技為其構建了面向機器人設計與仿真驗證的工業數字孿生仿真系統和面向數字變電站與數字換流站的數字孿生系列產品。其中，工業數字孿生仿真系統是十灃科技為申昊科技打造的一體化機器人設計平臺，工程師可通過該系統進行智能機器人產品的完整開發，功能模塊包括機器人受電磁場干擾設計、流體力學設計、動力學設計、外觀結構設計、機器人視覺設計、機器人操控性設計、電子電路設計、超聲檢測功能設計、機器人控制程序設計，以及機器人光學、照明以及激光系統設計等。

工程師通過該系統可進行智能機器人包括外觀、結構、電路、操控程序、機器人視覺、運行軌跡、數據分析、圖像處理和信息處理等方面的研發。該系統通過對真實作業場景進行三維建模，并利用第三方軟件接口進行算法和調優，自動生成代碼；通過定位導航系統中的編輯器，短時間內構建多樣化的場景，包括室內和室外場景，以及路況、天氣、動態障礙物等環境變化；通過快速構建不同場景可供開發人員隨時進行算法調試，有利于快速部署及驗證算法的可靠性和穩定性，加快算法迭代速度，提高開發效率。

未來，基于數字孿生技術的廣泛應用范圍，十灃科技將會在更多的領域推廣、應用這項技術，提高效率，為工業智能化發展做出更大的貢獻。

（作者單位：浙江十灃科技有限公司）