虛擬工廠是將實(shí)體工廠映射過來，具備仿真、管理和控制實(shí)體工廠關(guān)鍵要素功能的模型化平臺(tái)。數(shù)字孿生技術(shù)將虛擬工廠的概念不斷深入，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理服務(wù)，通過合理計(jì)劃排程，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)的人工干預(yù)，構(gòu)建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的智能化工廠。
數(shù)字孿生工廠整體解決方案主要圍繞制造業(yè)務(wù)鏈展開，包括研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的三維仿真驗(yàn)證、虛擬調(diào)試與裝配，產(chǎn)線裝備的故障監(jiān)測分析、預(yù)測性維護(hù)、健康性診斷等，生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)的調(diào)度優(yōu)化、質(zhì)量分析、在線統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)控制，以及車間與工廠的供應(yīng)鏈優(yōu)化、人員管理、能耗監(jiān)測等，通過數(shù)字孿生與數(shù)據(jù)智能，整體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝備、數(shù)字化車間、智能化工廠。
1. 工廠級(jí)數(shù)字孿生平臺(tái)理念與架構(gòu)
為構(gòu)建具有“全面感知，設(shè)備互聯(lián)，數(shù)字集成，智能預(yù)測”等特征的智能工廠運(yùn)行體系,以實(shí)際市面上工廠級(jí)數(shù)字孿生平臺(tái)為例，介紹平臺(tái)架構(gòu)與設(shè)計(jì)理念。針對傳統(tǒng)工廠/車間管控系統(tǒng)缺乏智能決策等問題,實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的智能工廠總體架構(gòu)和虛實(shí)集成的信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測集成模型。創(chuàng)建基于數(shù)字孿生的工廠管控系統(tǒng)在物理工廠的實(shí)時(shí)監(jiān)測、高度自動(dòng)化等功能,實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)與物理工廠兩方面虛實(shí)集成,結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在數(shù)字孿生系統(tǒng)中的應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的信息集成框架，集成接口等解決方案。最后通過個(gè)性化定制的模型車總裝車間數(shù)字孿生應(yīng)用案例，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)具有可視化、實(shí)時(shí)性、可操作性及可協(xié)作性等功能。
為積極推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、應(yīng)用創(chuàng)新、建設(shè)推廣等相關(guān)工作，工業(yè)4.0研究院牽頭發(fā)起數(shù)字孿生體聯(lián)盟，加快數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。其中以孿數(shù)科技自主研發(fā)的Twinverse數(shù)字孿生技術(shù)平臺(tái)為例（架構(gòu)如圖1所示），對數(shù)字孿生平臺(tái)的原生架構(gòu)進(jìn)行介紹。
圖1 數(shù)字孿生平臺(tái)架構(gòu)
Twinverse是數(shù)字孿生PaaS平臺(tái)，架構(gòu)分成了3層，其中設(shè)備信息的接入、視頻流的接入、多源系統(tǒng)的接入、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與傳輸?shù)?，?gòu)成了平臺(tái)的邊緣采集層，為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)整合治理服務(wù)；多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、二三維數(shù)據(jù)庫搭建、空間內(nèi)容服務(wù)、三維可視化渲染等技術(shù)為平臺(tái)層提供數(shù)據(jù)交換機(jī)制以及孿生體服務(wù)，其中平臺(tái)層分兩層，上層是各數(shù)字孿生相關(guān)的技術(shù)，下層以K8s資源納管/編排為核心的云原生技術(shù)組件；而應(yīng)用層包含了當(dāng)前主流的人機(jī)交互技術(shù)，包括電腦、平板、VR/AR、手機(jī)小程序等，讓用戶不需要去到工廠現(xiàn)場，也能通過人機(jī)交互設(shè)備一覽整個(gè)工廠的運(yùn)行狀態(tài)以及工廠工藝和設(shè)備的細(xì)節(jié)。
數(shù)字孿生平臺(tái)采集融合了多類數(shù)據(jù)信息（圖2），其類型分為空間、非空間兩類，數(shù)據(jù)源分為物理世界與數(shù)字世界兩類，形象描繪了數(shù)據(jù)融合特點(diǎn)。第一象限為物理世界中的二維（非空間）數(shù)據(jù)，包括從物理信息系統(tǒng)與傳感器中讀取到的信息，用于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及監(jiān)控分析；第二象限為物理空間中的三維（空間）數(shù)據(jù)，用于搭建三維數(shù)字鏡像以及空間標(biāo)注；第三象限為數(shù)字空間中的非空間數(shù)據(jù)，多為與業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，用于待定業(yè)務(wù)需求的報(bào)表與匯總；第四象限為數(shù)字空間中的三維（空間）數(shù)據(jù)，用于設(shè)備模型的導(dǎo)入以及復(fù)雜工藝的標(biāo)注與拆解。
圖2 數(shù)字孿生多源數(shù)據(jù)空間模型
2）業(yè)務(wù)系統(tǒng)/算法融合
工廠在信息化發(fā)展過程中，已有很多管理信息系統(tǒng)，例如MES、WMS、DCS、ERP、PLM等，它們對二維信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，有效地提高了工廠的供應(yīng)鏈管理、全生命周期管理、產(chǎn)品質(zhì)量管理、成本管理、運(yùn)維效率管理、人力資源管理等多方面的績效。然而“信息孤島”的缺點(diǎn)也暴露無遺，數(shù)據(jù)冗余及不一致導(dǎo)致溝通不通暢，可能會(huì)增加設(shè)計(jì)時(shí)間、工作量以及返工成本。因此利用數(shù)字孿生將這些業(yè)務(wù)信息集成到一起，基于模型的功能來定義、模擬、驗(yàn)證、優(yōu)化和可視化生產(chǎn)過程，使數(shù)字孿生平臺(tái)更具敏捷性，開放靈活的適應(yīng)所有類型用戶的需求，并融合智能分析算法，優(yōu)化工廠運(yùn)營，為工廠提供一個(gè)可觀、可管、可查、可優(yōu)的一個(gè)綜合性系統(tǒng)平臺(tái)。
3）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是智能制造系統(tǒng)進(jìn)一步離散化、結(jié)構(gòu)與重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)海量工業(yè)要素的泛在鏈接、彈性供給、高效配置，構(gòu)建機(jī)遇與海量工業(yè)大數(shù)據(jù)采集、匯聚分析的服務(wù)體系，形成新的工業(yè)生態(tài)。
企業(yè)級(jí)數(shù)字孿生平臺(tái)可對接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用云端機(jī)理模型和仿真算法進(jìn)行虛擬調(diào)試、測試；將 PLC 和虛擬三維模型的點(diǎn)位進(jìn)行關(guān)聯(lián)，解析PLC程序；設(shè)置初始運(yùn)動(dòng)步驟與變量參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)的實(shí)時(shí)交換設(shè)置等工作。通過OPC UA 協(xié)議，可以連接到任何 OPC UA Server，與PLC組態(tài)實(shí)現(xiàn)對接。按照設(shè)備運(yùn)動(dòng)邏輯，一步步實(shí)現(xiàn)虛擬還原，通過控制虛擬設(shè)備真實(shí)展示PLC控制邏輯，對產(chǎn)線布局、工藝進(jìn)行仿真模擬和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)零成本試錯(cuò)，減少物理樣機(jī)的制造成本。
3. 工廠數(shù)字孿生平臺(tái)功能應(yīng)用
按照真實(shí)工廠布局與工藝流程，通過建立設(shè)備的三維模型，可將工廠內(nèi)每一個(gè)作業(yè)設(shè)備按空間屬性映射到三維平臺(tái)中。并運(yùn)用裝配、動(dòng)畫等方式模擬零部件的運(yùn)動(dòng)方式，再通過對接現(xiàn)實(shí)工廠PLC指令數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型按照真實(shí)場景運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對物理世界工廠的動(dòng)態(tài)數(shù)字還原。
與此同時(shí)，通過對工廠MES系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)中臺(tái)、庫存管理系統(tǒng)、ERP等系統(tǒng)集成，將設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備采購訂單數(shù)據(jù)等按照空間熟悉綁定到對應(yīng)設(shè)備模型和節(jié)點(diǎn)上。通過點(diǎn)擊單個(gè)設(shè)備，可顯示對應(yīng)設(shè)備的詳細(xì)信息（圖3），包括但不限于設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)采購信息與溫度、濕度等其他IoT數(shù)據(jù)，以便管理者對工廠設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行可視化管理，對作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對歷史和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行回溯和分析的功能。得益于實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，真實(shí)設(shè)備的任何狀態(tài)變化都可以實(shí)時(shí)反饋至虛擬模型，實(shí)現(xiàn)1:1真實(shí)還原的動(dòng)態(tài)映射，甚至連設(shè)備的倒影都能精準(zhǔn)還原，做到精細(xì)且毫秒級(jí)的資產(chǎn)可視。
圖3 數(shù)字還原
全景漫游是指通過人機(jī)交互設(shè)備，在數(shù)字孿生平臺(tái)上查看工廠車間的運(yùn)行情況，在電腦設(shè)備上操控鼠標(biāo)和鍵盤可360°在3D場景中切換視角，進(jìn)行場景的切換、俯視、平視、旋轉(zhuǎn)等基本操作，無死角查看工廠各個(gè)區(qū)域的情況。
也可以通過自動(dòng)漫游模式（圖4）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維，即通過預(yù)先定義的路線，系統(tǒng)可自動(dòng)飛行巡檢工廠運(yùn)行狀態(tài)，漫游至重點(diǎn)設(shè)備時(shí)，會(huì)自動(dòng)彈出巡檢員比較關(guān)心的數(shù)據(jù)，從而代替廠區(qū)內(nèi)的人力巡檢，提高巡檢效率，節(jié)約人力成本。
圖4 工廠虛擬漫游
智能發(fā)現(xiàn)問題在管控平臺(tái)主要分為顯性問題發(fā)現(xiàn)和隱性問題挖掘。顯性問題發(fā)現(xiàn)可通過生產(chǎn)過程清晰的狀態(tài)感知，包括：車間生產(chǎn)過程中的設(shè)備工況、生產(chǎn)節(jié)拍、過程實(shí)況、物料信息、人員操作、能耗變化、產(chǎn)品質(zhì)量和安全環(huán)境等狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知。隱性問題挖掘主要基于數(shù)字孿生的智能車間，通過應(yīng)用大數(shù)據(jù)及生產(chǎn)系統(tǒng)模型，建立多級(jí)指標(biāo)連接響應(yīng)機(jī)制，及時(shí)模擬生產(chǎn)情況，借助虛實(shí)對照，實(shí)現(xiàn)流程差異反饋和歷史環(huán)節(jié)追溯。主要有以下幾方面的應(yīng)用。
（1）通過KPI看板監(jiān)控業(yè)務(wù)管理問題。
①效率看板：通過設(shè)備開機(jī)率、有效利用率、資源調(diào)度效率、人員績效分析、異常處理響應(yīng)效率綜合展示車間生產(chǎn)效率問題和訂單執(zhí)行進(jìn)度，輔助管理層開展短期調(diào)整和長期優(yōu)化工作，監(jiān)控業(yè)務(wù)管理。
②質(zhì)量看板：聚焦工件質(zhì)量問題信息，實(shí)時(shí)把控工件質(zhì)量趨勢數(shù)據(jù)，奠定質(zhì)量優(yōu)化基礎(chǔ)，并且以項(xiàng)目為單位開展交付產(chǎn)品質(zhì)量管控工作，監(jiān)控業(yè)務(wù)管理。
③風(fēng)險(xiǎn)看板：通過識(shí)別異常信息結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析識(shí)別當(dāng)前項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，支持定位到具體的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)示指標(biāo)，如項(xiàng)目質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、項(xiàng)目成本風(fēng)險(xiǎn)、項(xiàng)目進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)，監(jiān)控業(yè)務(wù)管理。
在工廠生產(chǎn)過程中設(shè)備、系統(tǒng)、資源出現(xiàn)異常時(shí)警報(bào)，使用紅色及橙色醒目標(biāo)識(shí)在三維場景中閃爍，并關(guān)聯(lián)位置信息和伴有語音提醒。點(diǎn)擊異常位置的標(biāo)識(shí)，彈出異常信息卡片展示異常描述，并有一鍵查詢關(guān)聯(lián)信息功能，為用戶提供客觀的異常相關(guān)信息，快速定位可能造成異常的原因?？蓱?yīng)用于加工設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控，以及業(yè)務(wù)管理監(jiān)控。
（3）虛實(shí)交互發(fā)現(xiàn)問題。
面對生產(chǎn)過程精確建模，并對相關(guān)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行精簡優(yōu)化，幫助發(fā)現(xiàn)問題的同時(shí)通過虛實(shí)交互解決問題，可應(yīng)用設(shè)備/產(chǎn)線/車間建模、精簡結(jié)構(gòu)部件、合并優(yōu)化場景數(shù)，監(jiān)控業(yè)務(wù)管理。
在發(fā)生事件與異常之后，可通過歷史數(shù)據(jù)回溯模擬過去一段時(shí)間內(nèi)的工廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，同時(shí)也支持歷史攝像的回放畫面融合。通過回溯輔助分析事件原因，幫助工廠中產(chǎn)線與設(shè)備優(yōu)化到最佳運(yùn)行狀態(tài)。
通過數(shù)據(jù)可視化建立一系列智能決策模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估，對過去發(fā)生問題的診斷以及對未來趨勢的預(yù)測。從業(yè)務(wù)層面提供全面、精準(zhǔn)的決策依據(jù)，從而形成“感知—預(yù)測—行動(dòng)”的智能決策支持系統(tǒng)。智能決策主要應(yīng)用于通過信息節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和三維模型提升系統(tǒng)管控能力。例如：
（1）通過信息節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)提升系統(tǒng)管控，實(shí)現(xiàn)訂單生產(chǎn)進(jìn)度的實(shí)時(shí)追溯；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃相關(guān)數(shù)據(jù)查看，如物料、刀具、工裝需求計(jì)劃等信息。
（2）通過三維模型提升系統(tǒng)管控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程三維模型的真實(shí)模擬加工運(yùn)動(dòng)，物料的運(yùn)送都與真實(shí)場景實(shí)現(xiàn)1:1還原；生產(chǎn)制造訂單的每個(gè)工件都可實(shí)現(xiàn)制造記錄追溯。
通過數(shù)字孿生搭建一套培訓(xùn)系統(tǒng)，讓學(xué)員快速接觸到工廠各個(gè)應(yīng)用場景，提供實(shí)操機(jī)會(huì)以及操作指導(dǎo)，學(xué)員可24小時(shí)任意時(shí)間線上培訓(xùn)，加快提高技能水平的同時(shí)，避免了線下培訓(xùn)日程難預(yù)約，以及產(chǎn)生的差旅費(fèi)用。培訓(xùn)場景主要應(yīng)用于：
（1）基于模型的裝配指導(dǎo)，在線解析產(chǎn)品三維模型其樹狀結(jié)構(gòu)，通過產(chǎn)品爆炸圖的形式標(biāo)注各零配件信息，動(dòng)畫演示裝配順序。
圖5 VR裝配
（2）VR實(shí)操練習(xí)，通過佩戴VR設(shè)備，可沉浸式地進(jìn)入到工廠內(nèi)部，對廠房樣貌以及產(chǎn)線生產(chǎn)情況進(jìn)行了解。可通過控制VR手柄（圖5），基于裝配流程SOP提示，一步一步地練習(xí)操作。（來源智造苑）
