以数字孪生打造虚拟工厂

　　数字孪生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，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。它利用3D建模、传感器、物联网等技术手段，在线上复制一个与现实几乎一致的“数字体”。这个数字体能够通过大量数据，记录现实中的一举一动，并“投射”到对应系统中。

　　相较于目前其它智能化技术，数字孪生大概在2015年才进入工业领域：通用电气推出数字化风电场，将数字孪生技术推向商用。随后，更多国际巨头先后涉足数字孪生技术，并持续发展至今。

　　数字孪生技术具有以下特点：利用计算机技术建立的虚拟模型是对物理对象的真实映射，并对物理对象的各类数据实时感知并集成融合；通过参与物理对象的全生命周期，不断积累相关信息，并与其共同进化；虚拟空间的数字化模型能够对现实中的物理对象准确描述，而且能够控制物理对象的运行过程，孪生数据能够促使物理对象不断优化，直到最优。

　　当虚拟与现实融合

　　物理工厂与虚拟工厂基于数字孪生的理念，以数据和互联网为媒介，实现双向真实映射与实时交互，打通物理世界和信息世界之间的桎梏，实现物理工厂与虚拟工厂的融合并产生孪生数据，在孪生数据的驱动下，实现工厂的全生产要素在物理工厂、虚拟工厂、工厂服务系统间的迭代运行，最终使物理工厂不断得到进化，直到工厂生产和管控达到最优的一种工厂运行新模式。

　　为什么企业要打造数字孪生的虚拟工厂呢？据市场反馈来看，主要有以下几个方面的原因：

　　1）提升运营效率

　　通过数字孪生技术，可以在虚拟环境中模拟真实工厂的运行情况，实时监控设备状态、生产流程等，及时发现和解决潜在问题，从而提高工厂的运营效率。

　　2）降低生产成本

　　数字孪生技术可以帮助企业预测和优化生产过程，减少不必要的浪费和损失，从而降低生产成本。

　　3）提高产品质量

　　通过数字孪生技术，可以在虚拟环境中模拟产品的生产过程，发现和解决潜在的质量问题，从而提高产品的质量和可靠性。

　　4）提升响应速度

　　在虚拟环境中，可以快速地响应市场需求变化和客户需求变化，调整生产计划和生产流程，提高企业的市场响应速度。

　　构建工厂的关键步骤

　　数字孪生技术可以用来构建虚拟工厂。通过弥合虚拟世界与现实世界之间的差距，企业可以在无风险的虚拟环境中规划并优化工厂布局、工作流程、资产和资源，之后再到现实世界中执行运营。通过虚拟的工厂，可以释放数据驱动型生产的潜力，实现制造流程的真正变革。

　　以数字孪生技术为基底构建虚拟工厂，可以大概分为以下几步：

　　1）数据收集和建模

　　首先需要收集工厂的各种数据，包括设备运行状态、生产流程、物料库存等。然后使用数字孪生技术对这些数据进行分析和建模，以构建出虚拟工厂的初始模型。

　　2）虚拟环境构建

　　使用虚拟现实技术构建虚拟工厂的环境，包括设备、生产线、仓库等。在虚拟环境中，可以通过模拟设备的运行状态和生产流程，来预测和优化真实的生产过程。

　　3）数据分析和优化

　　通过对虚拟工厂的数据进行分析和优化，可以找到提高生产效率和降低成本的方案。例如，通过模拟设备的运行状态，可以预测设备的维护时间和维修成本，从而提前进行维护和保养。

　　4）实施优化方案

　　将优化方案应用到真实的工厂中，以提高生产效率和降低生产成本。例如，通过优化生产流程，可以减少生产过程中的浪费和损失，提高产品质量和生产效率。

　　数字孪生虚拟工厂案例

　　数字孪生起源于工业，随着数字孪生技术的成熟，工业也将成为数字孪生应用较广的场景。工业企业通过物联网及边缘计算上传相关数据后，使用数字孪生技术可以完成生产、能耗、设备、设计、制造管理等工作，进而实现提质、降本、创收、增效的目标。当前，以达索系统、西门子、海尔等为代表的企业正大力推行数字孪生在行业的落地。

　　以某大型制造企业为例，其为了提升工厂的生产效率和产品质量，决定采用数字孪生技术打造一个虚拟工厂。该企业希望通过数字孪生虚拟工厂实现生产过程的数字化、智能化管理，提高生产效率和产品质量，降低生产成本和风险。

　　数字孪生技术在该案例中主要应用于以下方面:

　　• 设备建模

　　对工厂中的各种设备进行三维建模，建立设备的数字孪生体。

　　• 数据采集与集成

　　采集设备运行数据、生产数据等，并进行数据清洗、整合和标准化。

　　• 实时监控与预测

　　通过数字孪生技术实时监控设备的运行状态和生产过程，预测设备的维护时间和维修成本。

　　• 优化与决策支持

　　通过数据分析和优化，找到提高生产效率和降低成本的方案，为决策提供支持。

　　在数字孪生虚拟工厂的构建过程中，首先需要对工厂进行详细的三维建模。该企业采用专业的三维建模软件，对工厂中的设备、生产线、仓库等进行精细的三维建模，建立了工厂的数字孪生体。同时，还对工厂的环境、布局等进行仿真，使虚拟工厂与真实工厂保持高度一致。

　　在数字孪生虚拟工厂中，可以通过虚拟仿真技术模拟生产过程，预测和优化生产结果。该企业采用虚拟仿真软件对生产过程进行模拟，通过调整工艺参数、设备配置等，找到最优的生产方案。同时，还可以通过虚拟仿真技术预测设备的维护时间和维修成本，提前进行维护和保养，降低生产成本和风险。

　　数字孪生虚拟工厂可以对设备运行数据、生产数据等进行实时监测和分析。该企业通过建立数据监测系统，实时采集设备的运行数据和生产数据，并进行清洗、整合和标准化。通过对数据的分析，可以发现设备运行的异常和潜在问题，及时进行调整和维修，保证生产的稳定性和持续性。

　　数字孪生虚拟工厂可以通过数据分析和优化为决策提供支持。该企业通过对数据的深入挖掘和分析，发现提高生产效率和降低成本的方案。例如，优化工艺参数、调整设备配置等可以提高产品质量和降低成本；采用先进的控制算法和人工智能技术可以实现自动化和智能化控制。这些优化方案可以帮助企业实现更好的生产和管理效果。

　　据了解，该企业在实施数字孪生虚拟工厂建设后取得了显著的效果：1）通过优化生产过程和设备配置，实现了生产效率的大幅提升；2）通过减少浪费和损失、降低维修成本等措施，实现了生产成本的降低；3）通过优化工艺参数和提高自动化水平，提升了产品的质量和可靠性；4）通过快速响应市场需求变化和客户需求变化，提高了企业的市场响应速度。

　　（本文综合整理自百度文库、数字孪生体实验室）

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……