技术洞察丨数字孪生在智能工厂建设中的应用

数字孪生（Digital Twin）是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间完成的映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

图1：物理世界与数字孪生

数字孪生如何运作

使用传感器收集相关实时状态，采集工作条件或环境位置的数据，其智能组件与物理项目集成在一起。这些组件连接到基于云的系统，该系统接收并处理传感器监控的所有数据。根据现实业务和其他关联数据进行分析，结果通过虚拟仿真技术进行可视化呈现，突出显示数字化双胞胎模型和物理世界模拟在一个或多个维度中的性能的不可接受的差异。

图2：数字孪生技术

企业如何应用数字孪生技术

产品研发：可以虚拟数字化产品模型，对其进行仿真测试和验证，以更低的成本做更多的样机。

生产管理：可将数字化模型构建在生产管理体系中，在运营和生产管理的平台上对生产进行调度，调整和优化。

设备管理：我们可以通过模型模拟设备的运动和工作状态，实现机械和电器的联动。

图3：企业应用数字孪生技术

基于数字孪生的虚实系统集成

作为智能工厂中枢的数字孪生系统，具有自学习、自组织、自配置和自适应的特点。工厂内部各个系统需要进行互联互通 , 基于数字孪生的虚实系统集成主要体现在以下两方面：

1）物理工厂的信息高度集成

智能工厂须打通信息技术与运营技术的鸿沟 ， 确保业务流 、 工艺流与物料流的信息互联互通 ，以生成实时决策所需的各项数据，同时数据基于模型和算法生成数字孪生系统的数据集和数据类型（结构化 、相对非结构化）。智能工厂中的智能传感器遍布各项企业生产要素和资源 ，因此数字孪生系统可不断从设备 、仪器仪表、PLC、单元控制系统、车间管理系统及企业管理系统抓取不同的数据 ， 确保数据的持续更新。

2）数字孪生系统作为物理工厂与虚拟工厂集成的纽带

数字孪生系统实现智能工厂现场作业的自动化决策,车间的所有制造活动通过数字孪生系统在虚拟工厂进行仿真建模与分析。在制造过程中，数字孪生系统自动向 IMES传送最优的指令,IMES 协调现场控制系统执行生产活动 ， 并接收过程控制系统（ Process Control System,PCS ）反馈的实时数据；同时现场采集数据通过数字孪生系统传入虚拟工厂进行模型和参数的修正 , 从而形成智能车间闭环管控。

应用：数字孪生车间

随着新一代信息技术（如云计算、物联网、大数据、移动互联网、人工智能等）与制造的融合和落地应用，中国制造２０２５和互联网＋制造的目标之一是实现制造的物理世界和信息世界的互联互通与智能化操作，其瓶颈之一是如何实现制造的物理世界和信息世界之间的交互与共融。针对这一难题，基于数字孪生技术引申出数字孪生车间的概念。

图4：数字孪生车间的系统组成

数字孪生车间是在新一代信息技术和制造技术驱动下，通过物理车间与虚拟车间的双向真实映射与实时交互，实现物理车间、虚拟车间、车间服务系统的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合，在车间孪生数据的驱动下，实现车间生产要素管理、生产活动计划、生产过程控制等在物理车间、虚拟车间、车间服务系统间的迭代运行，从而在满足特定目标和约束的前提下，达到车间生产和管控最优的一种车间运行新模式。主要由物理车间、虚拟车间、车间服务系统（MES）、车间孪生数据四部分组成。

案例：某汽车数字孪生系统

融地智能针对新能源行业某企业智能制造项目建设，利用数字孪生技术与工业互联网技术、大数据技术的深度融合，将物理车间、虚拟车间、车间服务、车间数据等生产要素有机结合，建立产品研发、生产工艺、设备运维、环境能耗、品质追溯等关键系统的生命周期全过程的数字模型。解决了该企业生产在制品量大；物料配送效率低；生产现场透明度低；生产数据不能实时采集等难题。实现了驱动企业产品创新；实时仿真分析，提供数据反馈，形成闭环；的产品制造过程和产品使用过程可控、可视和可预测的目标。

图4：某汽车数字孪生系统

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