工业互联网支持下的数字孪生车间

王建民 宋庆奎 彭莹莹 尚立新

1.山东聊城烟草有限公司；2.山东省烟草专卖局（公司）

在当前信息技术不断发展的过程中，数字孪生在智能制造领域发挥重要影响作用。数字孪生技术的主要作用在于让物理与信息空间实现数据融合。本文围绕该技术的数据收集、模型构建与实际运用等不同方面探讨数字孪生车间的制造与使用。同时，针对各大企业在发展数字孪生技术时使用的手段进行对照分析。研究结果表明，数字孪生车间的技术重点在于能否实现实时数据传输。在当前信息技术不断发展的过程中，工业互联网也在数字孪生车间的建造过程中发挥了重要作用，工业互联网可以将数据、设备以及人员的各项数据进行高效的连接，并通过各种技术来实现实时的数据传输。本文分析工业互联网支持下的数字孪生车间技术，同时以此为基础对我国企业今后运用该项技术的发展趋势进行展望。

在新一代信息技术不断发展的过程中，如何充分运用其实现智能制造受到了各国学者的广泛关注。而在针对该项问题进行研究的过程中，怎样解决物理与信息空间难以进行数据共享的问题是大部分学者研究的重点。为此，需要运用数字孪生技术来处理这一问题。2016年，Gartner公司提出，数字孪生技术将成为一项具有战略性意义的重要技术。王肖景等学者也认为在工业互联网支持下的数字孪生车间将为各国智能制造的发展提供重要助力。因此，本文将针对上述技术的背景、发展现状以及工业互联网技术对其的支持开展研究，希望以此来推动我国智能制造产业的发展。

1 数字孪生的产生背景

数字孪生技术主要指代通过数字化手段在信息空间内构建虚拟模型的技术，它能够通过数据手段来对现实中存在的事物进行精确的模拟，以此来帮助工作人员开展更加科学合理的风险评估与优化决策[1]。

学者Michael Grieves在2003年便已经发现，能通过虚拟数字化表达的方式来模拟物理产品，他的研究也被人们视为数字孪生技术的雏形。然而，因为当时的技术水平无法实现这一理论，同时人们的认知也存在一定的限制，所以该理论并未得到充分的重视。而在2011年，数字孪生的概念再次受到了人们的关注，美国空军研究实验室通过运用该项技术来进行飞行器的维护以及使用寿命的评估。这也使得数字孪生技术开始进入了人们的视野，在后续十数年的研究过程中，该项技术得到了大量学者的进一步完善。因为人们逐渐意识到数字孪生技术有助于推动物理信息系统发展，部分学者开始将目光从飞行器等复杂产品转向其他领域，最终导致该技术在一些通用产品的生产过程中也取得一定效用。数字孪生是一种虚拟模型、物理实体、孪生数据、服务系统与相互间的连接等，五个部分构成的五维结构模型。其核心在于数据与模型两个方面，此外，孪生数据的使用也是处理物理信息融合问题的关键。我们必须针对物理空间的数据进行收集，在此基础上方可完成虚拟模型的构建。而在完成虚拟模型建设之后，其运行过程中取得的各项数据也能帮助人们更好进行决策与风险预估。

2 数字孪生车间技术及其发展

2.1 虚拟车间、数字化车间、数字孪生车间的比较

在智能制造车间不断发展的过程中，其相关技术已经逐渐实现了由原本的物理空间向信息空间的拓展，并且在此过程中产生了新的相关概念。其中，虚拟车间指的是车间在虚拟空间内的映射，涵盖了对于其所有生产要素的刻画以及行为表达，是一种依靠车间现场数据来作为驱动的模型，通过虚拟车间可以较为直观地表现出车间的具体运行状况。而数字化车间则代表信息技术与数字化技术在车间制造过程中的综合运用，依靠数控设备以及信息管理系统的集成，来对产品制造的过程进行有效地控制，最终实现系统柔性以及生产速度的提升。最后，数字孪生车间代表了数字孪生技术在车间制造过程中的运用，其原理在于依靠物理车间与虚拟车间的双向映射交互，依靠数字孪生技术来帮助车间实现迭代优化，以此来完成生产与管理效率的提升。

数字孪生车间不但涵盖了虚拟车间，还涵盖了数字化物理车间。其中前者无法对实时数据进行收集，必须通过虚拟化的方式表达车间模型，无法对车间的具体情况进行表述。而后者则能够进行实时数据的采集，然而因为缺乏车间虚拟模型而无法有效地进行数据的运用，同时车间管理系统与物理车间也无法完成实时数据交互。数字孪生技术可以将两种车间的优点进行结合，以此来实现信息和物理空间的数据融合[2]。在进行数字孪生车间的运用时，我们需要处理的一项重要问题在于信息与物理空间的数据交互问题，所以在进行数字孪生车间的建设时，可以在其中引入工业互联网技术，依靠其快速数据传递以及数据处理的功能来处理这一问题。

2.2 数字孪生车间概念及应用

车间是发展制造业的基础单位，因此在推行智能制造产业发展的过程中，怎样建立起智能车间受到了学者们的广泛重视，而数字孪生技术的使用能够有效地实现这一目标。陶飞等学者指出，数字孪生车间将成为今后我国制造车间发展的主要方向，通过进一步发展与运用该项技术，我们可以有效地促进物理与信息空间的联通。Cunbo Zhuang等探讨了该技术如何在卫星装配车间的生产过程中发挥作用，并分析实时获取、组织物理装配车间数据的关键技术。

此外，还有一些学者针对整体车间的构建开展深入研究，Hao Zhang等以数字孪生技术的运用为基础，在其发表的文献中论述一种个性化的快速设计生产线方法，并给出一套科学的优化算法。朱志民等则探讨了该项技术在轨道交通转向架产业中的运用，其研究为该产业的进一步发展提供了理论方面的依据。Jiewu Leng等则以数字孪生技术为基础构建出了一套信息物理系统，该系统能被用于个性化定制的并行控制智能化车间。陈振等探讨当前飞机装配车间在生产制造过程中存在的各种问题，并在此基础上提出运用数字孪生技术的飞机数字装配车间。此外，学者还提出车间生产过程中可能出现的几项重点问题，并对其进行了深入研究[3]。上述系统之所以能够正常运行，是因为其建立在车间孪生数据的基础之上，因此如何以更高的效率开展数据收集与传输，是当前我们在建设数字孪生车间时需要解决的一项重点问题。为此，Thomas等学者针对生产数据的收集、仿真数据处理以及多模态数据采集等方面开展了深入研究，而Hopmann等学者针对一项关于3D模型实时数据管理的数据库架构进行了研究，通过该架构可以为产品的设计与制造等环节的开展提供更多具有可行性的方案。此外，陶飞等学者也针对数字孪生车间的信息融合以及数据融合进行了探讨。

发展建设数字孪生车间的主要目标在于对物理车间的运行提供科学的指导，其内容涵盖了车间监控、故障排查、设备维护以及物流指导等各个方面。姜康等学者依靠车间虚拟模型以及现场实时状态数据驱动模型来针对车间的情况进行监管。

在数字孪生技术发展的过程中，许多企业也参与到研究过程中，并取得一定成果。德国的西门子公司提出了数字化双胞胎的概念，并在此基础上推出了以NX系列为代表的开发软件，其作用在于帮助企业更加便捷的构建生产系统模型，以此来完成产品设计与制造的自动化。PTC公司也运用数字孪生技术研发出了T-System系统，以此来实现虚拟世界与现实世界之间的有效连接，确保用户能享受更优质的售后服务。达索公司则依靠其研发的3D Experience来针对产品设计进行改良。而GE公司也采用数字孪生技术来对其产品的性能进行评估。

3 工业互联网技术概述

3.1 工业互联网基本构成和数据来源

工业互联网的构成要素涵盖了行动层、数采层以及洞察层，通过这种构成体系，工业互联网可以对工业数据进行全面感知，同时根据感知的结构来对数据情况进行实时分析，确保工作人员在进行生产制造时取得可靠地分析数据。工业互联网的数据大多源于外部数据、机械设备数据以及信息系统数据[4]。（1）外部数据，在这一层面的数据和企业所处的行业存在密切的关系，其中包括了市场环境、舆论环境等内容；（2）机械设备数据，其内容涵盖了企业在开展生产制造活动的过程中各种仪器设备所生成与收集的数据，此外也涵盖了企业在把产品交付给客户时产生的数据。（3）信息系统数据，这也是企业在开展制造活动时的主要数据来源，大多为运行过程中的业务数据，其中包括产品设计、生产以及运营等方面的数据。

3.2 工业互联网的概念与原理

针对行业互联网的运行方式、过程以及结果开展研究能够发现，工业互联网的工作原理是以工业生产、智能分析为中心，通过人机互联的系统构架来建立起高效的工业信息流通环境。而智能分析则指代融合了工业流程、专业技术以及数据科学在内的分析体系，通过这种方式来实现由人脑分析朝向数据分析的转变，最终实现生产目标分析质效的提高。智能物体指代以显示中存在的各种传感器为核心，以物体间通信为基础，并搭配可以开展信息交互的物理环境。实际上，智能物体与智能分析之间存在着相辅相成的关系，也就是说，工业物联网指的是以智能物体为基础建成的信息联通环境，能周期性地进行生产数据收集，再将其汇总至智能分析系统之中，同时以相关模型为基础，针对产品的设计与制造流程进行分析，并在此基础上进行系统优化，从而实现生产效益的进一步提高。

3.3 工业互联网对数字孪生车间的构建支持

在进行数字孪生车间的构建过程中，我们需要满足的一项技术要求便是进行实时数据融合。同时，工业互联网能够依靠物联网技术来实现万物互联，依靠边缘计算的方式处理车间生产数据实时性与可靠性不足的问题。物理车间依靠传感层把数据依靠网络层传递至应用层以开展数据处理，最后将数据传递至虚拟车间。此外，通过虚拟车间取得的仿真结果也能够被反作用于物理车间，依靠网络层所具有的数据实时传输能力以及强大计算能力，来完成虚拟车间以及物理车间的实时同步。车间服务系统物理车间与虚拟车间的大量的信息数据，也能依靠网络层来进行高效的传输。

对于工业互联网技术而言，其万物互联不仅局限于物理实体的互相连接，同时也能够实现物理实体与信息空间之间的连接以及信息空间的互相连接。针对数字孪生车间的内部结构进行分析可以发现，该技术的运用也必须建立在物联网的支持之下。在发展数字孪生技术时，最后需要实现的技术要点在于如何进行物理空间与信息空间的融合，为了实现这一目标，我们应当确保信息数据的传输更加高效，并且尽可能减少延迟，最好做到完全忽略延时。在进行虚拟模型的构建时，应当依据物理空间数据为基础来创建模型，同时模型的驱动也应当建立在实时的数据传输的前提下。最后，工业互联网技术还可以让不同平台的数字孪生车间与用户之间进行数据交互，以此来达成万物互联的发展目标。针对上述两个方面的研究可以发现，数字孪生技术的实现必须拥有工业互联网技术的支撑，同时该技术的发展也能够推动工业互联网实现进一步发展与普及。

当前，许多学者都针对信息物理空间数据传输开展了研究。举例而言，屈挺等学者针对当前我国企业面对的生产和物流系统建设的联动运作问题开展了研究，并以此为基础提出了一种以物联网作为基础的多环节联动运作系统。此外，卢阳光等学者还研究了一种以工业物联网为基础的汽车工业敏捷规划仿真模型，并将其和企业使用的传统规划方法进行了对照分析，最终结果显示这种方式具有更高的有效性。同时，这一模型的措施也促使工业互联网技术与数字孪生技术之间实现了有机结合。丁凯等学者也针对以数字孪生技术为基础的车间智能制造系统进行了研究，并建立起一套智能车间制造物联网体系，以此来确保车间数据能实现实时传输。

4 结语

数字孪生车间技术的发展与运用能够促进物理与信息空间的联通，但是，目前我国在发展该项技术的过程中依然局限于理论方面的研究，这是因为目前的信息技术水平依然难以满足其实际部署的需求。随着该项技术在企业车间生产过程中发挥的作用愈发凸显，数字孪生车间也将演变为未来智能车间建设的主要手段。在模型层面上，各大企业推行的模型构建软件在定义格式方面大多具有不兼容性，此外各大企业在实际运用数字孪生技术时选择的重点也各不相同。因此，为了进一步推动该项技术的发展，还需要探讨怎样实现不同软件格式之间的兼容。在数据传输和工业互联网的角度上，当前大部分工业互联网依然采用有线传输的形式，但针对当前的制造业生产实际进行分析可以发现，无线传输的方式与企业运营的实际需求更加契合。为此，需要通过发展传感器技术来实现无线运输，以此来提升数字孪生中数据延迟的进一步降低以及数据可靠性的进一步提升。

引用

[1] 陆剑峰,王盛,张晨麟,等.工业互联网支持下的数字孪生车间[J].自动化仪表,2019,40(5):1-5+12.

[2] 张昌福,严芸,杨灵运,等.数字孪生技术与工业互联网的融合应用场景与路径研究[J].中国信息化,2022(1):96-97+100.

[3] 刘彬,张云勇.基于数字孪生模型的工业互联网应用[J].电信科学,2019,35(5):120-128.

[4] 罗少康,滕文琪.数字孪生车间系统构建及应用[J].机械,2021, 48(3):53-58.