構(gòu)建數(shù)字孿生的方法論

導(dǎo)讀：隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)正在深度融合，人們與物理世界的交互方式正在發(fā)生轉(zhuǎn)折性的變化。數(shù)字化轉(zhuǎn)型，正在成為企業(yè)的重要戰(zhàn)略，而數(shù)字孿生，則成為全新焦點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生在工廠中的實(shí)際應(yīng)用，為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了一套落地可行的方法。

引言

工業(yè)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，需要面臨制造理念、組織方式和商業(yè)模式的多種變革。一個(gè)產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)理念開(kāi)始，經(jīng)歷了制造、使用和報(bào)廢，跨越了時(shí)空，呈現(xiàn)出一個(gè)完整的生命周期。如果設(shè)想這種產(chǎn)品有一本履歷表，那么它將忠實(shí)地記錄了這個(gè)產(chǎn)品的各階段生命周期相關(guān)的數(shù)據(jù)。各種健康狀況和風(fēng)險(xiǎn)，都會(huì)一目了然，然而事實(shí)卻并非如此。對(duì)于制造商而言，各階段的數(shù)據(jù)通常呈現(xiàn)孤立、分散的特征，尤其是用戶對(duì)于產(chǎn)品使用過(guò)程中，基本就是黑匣子。數(shù)據(jù)的分裂，讓產(chǎn)品的各個(gè)階段，都成為一座座孤島而互不相連，數(shù)據(jù)失去了流動(dòng)性，大大約束了人們的洞察力。

數(shù)字孿生，作為連接實(shí)體與數(shù)字空間的一種高保真、實(shí)時(shí)互動(dòng)的可視化模型，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，成為一種全新而有效的解決方案。工廠的設(shè)備，可以通過(guò)實(shí)時(shí)可視化的數(shù)字孿生，模擬機(jī)器在生產(chǎn)系統(tǒng)中的表現(xiàn)，通過(guò)虛實(shí)交互、數(shù)物融合和知識(shí)自動(dòng)化，形成一線操作者和管理者的決策支撐系統(tǒng)，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)[1]。

一、研究背景

企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，圍繞著數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)而來(lái)。而數(shù)據(jù)要真正產(chǎn)生的價(jià)值，需要靠企業(yè)知識(shí)體系來(lái)提供。因此，數(shù)字化轉(zhuǎn)型，首先需要面對(duì)的是企業(yè)知識(shí)的梳理。但是傳統(tǒng)的知識(shí)體系，往往呈現(xiàn)非常僵化的狀態(tài)。例如，工程圖檔往往是企業(yè)的重要知識(shí)資產(chǎn)，但很多制造企業(yè)都是采用傳統(tǒng)的圖紙檔案管理方式，以“底圖”或“藍(lán)圖”的形式，進(jìn)行分類、分密級(jí)歸檔保存。而代表企業(yè)重要的知識(shí)體系，如工藝說(shuō)明、操作手冊(cè)、工程文件等，已經(jīng)隨著企業(yè)信息化應(yīng)用的逐步發(fā)展，一般都是通過(guò)掃描后進(jìn)行管理。

然而這些圖紙、電子文檔所保存的知識(shí)，都是靜態(tài)、分散和割裂的。顆粒度太大，缺乏語(yǔ)義的連接，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相互之間的關(guān)聯(lián)，流動(dòng)性很差。這種知識(shí)體系，只是被收藏起來(lái)，但卻無(wú)法高效重復(fù)使用。對(duì)于資深工程師而言，這只是一種儲(chǔ)存方式而已，因?yàn)樾畔⒉檎叶?，仍然非常低效；而?duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的員工而言，這些知識(shí)則像是被隱藏起來(lái)。

面臨數(shù)字化轉(zhuǎn)型，由于缺乏系統(tǒng)性的知識(shí)體系支撐，因此工業(yè)企業(yè)呈現(xiàn)出如下的困境：

1）工業(yè)場(chǎng)景復(fù)雜，存在海量多源異構(gòu)的工業(yè)數(shù)據(jù)，多樣性、復(fù)雜性的工業(yè)數(shù)據(jù)，造成工業(yè)場(chǎng)景信息孤島化，數(shù)據(jù)利用價(jià)值低。

2）工業(yè)場(chǎng)景中，存在顯性知識(shí)與隱性知識(shí)，各種結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化知識(shí)，知識(shí)關(guān)聯(lián)性弱。

3）人工智能（AI）正在逐漸成為大數(shù)據(jù)分析的重要技術(shù)，但是傳統(tǒng)AI訓(xùn)練，過(guò)度依賴人工開(kāi)發(fā)算法。它無(wú)法關(guān)聯(lián)自然語(yǔ)言所對(duì)應(yīng)的概念、屬性、關(guān)聯(lián)性等。

4）隨著工業(yè)數(shù)字化普及，海量的CAD、CAE文件以及數(shù)字化的各類文檔、說(shuō)明書、操作手冊(cè)等，信息量暴增，給用戶決策帶來(lái)新的痛點(diǎn)。

5）工業(yè)知識(shí)專業(yè)性強(qiáng)，且涉及技術(shù)領(lǐng)域廣。零散化的知識(shí)晦澀難懂，工業(yè)術(shù)語(yǔ)解釋專業(yè)性強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)知識(shí)傳播、傳承困難。

而通過(guò)知識(shí)圖譜，可以將各種概念，通過(guò)編碼連接的方式，形成語(yǔ)義連接，將隱形的知識(shí)顯性化；而數(shù)字孿生技術(shù)，則可以在傳統(tǒng)靜態(tài)模型中，增加了實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的反饋，動(dòng)態(tài)記錄，并且用可視化的方式進(jìn)行展現(xiàn)。這將徹底改變?cè)械闹R(shí)管理方式，激活沉默的知識(shí)資產(chǎn)，從而幫助人們重新認(rèn)識(shí)、管理和控制機(jī)器世界。

二、構(gòu)建數(shù)字孿生的方法論

構(gòu)建機(jī)器數(shù)字孿生，不僅僅是信息組織和表現(xiàn)形式的圖形化，更在于構(gòu)建過(guò)程中，是將企業(yè)的知識(shí)體系貫穿其中，信息上下游之間的背景鏈路清晰明了。而在構(gòu)建數(shù)字孿生的過(guò)程中，可以采用“雙模數(shù)字孿生”的方式，就是將幾何模型和和機(jī)理模型相互嵌套。結(jié)合不同的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維的階段，知識(shí)體系嵌入其中，最終在使用的時(shí)候，就可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)化。

01建立物理幾何模型，對(duì)應(yīng)物理實(shí)體

構(gòu)建物理幾何模型，首先是從零配件開(kāi)始。例如，一臺(tái)煙草包裝機(jī)，有1.5萬(wàn)個(gè)零件，需要一一建模，并且建立設(shè)備零部件庫(kù)。這些零部件庫(kù)的最小單位為零件級(jí)別，如螺絲、螺母。主要數(shù)據(jù)獲取方式，包括從CAD軟件、數(shù)據(jù)表以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪開(kāi)始，構(gòu)建實(shí)體等比的數(shù)字化模型。

02建立機(jī)理模型，對(duì)應(yīng)運(yùn)行軌跡

機(jī)理模型，就是要將幾何空間的零部件，跟控制系統(tǒng)的機(jī)器動(dòng)作進(jìn)行匹配。機(jī)器的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，在幾何模型都有對(duì)應(yīng)描述作。這其中，都是通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)簽，來(lái)標(biāo)識(shí)零部件的狀態(tài)，并且跟控制邏輯相對(duì)應(yīng)。例如，薄膜紙會(huì)剔除那些無(wú)法包裝的煙支和煙包。而煙支無(wú)法包裝的原因會(huì)有幾十種：薄膜褶皺、煙支重量不夠、圓周不夠圓、空投、漏氣、重量等。需要深入了解這些機(jī)理，然后將其做成模型和算法，并與幾何模型相對(duì)應(yīng)。

03三類知識(shí)模型的構(gòu)建

第一種是設(shè)計(jì)類。要設(shè)備的設(shè)計(jì)資料出發(fā)，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，全面刻畫設(shè)備的物理屬性，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備對(duì)物理設(shè)備的真實(shí)映射，最終完成對(duì)物理設(shè)備的完全鏡像。

第二類是制造知識(shí)模型的構(gòu)建。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)全面的刻畫設(shè)備與產(chǎn)品之間的屬性，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與物理設(shè)備的數(shù)字模型真實(shí)映射。制造階段所涉及的知識(shí)按其特性可分為三類：

（1）基礎(chǔ)知識(shí)：為裝備制造企業(yè)核心數(shù)據(jù)，企業(yè)組織結(jié)構(gòu)、崗位、工種、人員、存貨檔案、固資編碼、供應(yīng)商等信息。

（2）生產(chǎn)管理知識(shí)：如生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品指標(biāo)、原材料清單、績(jī)效考核指標(biāo)等。

（3）設(shè)備知識(shí)：如供應(yīng)商、規(guī)格型號(hào)、操作說(shuō)明、操作規(guī)程等。

第三類是運(yùn)維知識(shí)模型的構(gòu)建?；谠O(shè)備服務(wù)知識(shí)模型，在采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及領(lǐng)域知識(shí)等，共同實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多維數(shù)字孿生模型構(gòu)建。建立各種故障代碼、維修對(duì)策庫(kù)，并且提前通過(guò)虛擬模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器狀態(tài)檢測(cè)、故障預(yù)測(cè)以及維修策略建議等功能。

以上三種知識(shí)模型的建立，都離不開(kāi)一套表達(dá)各種物品之間關(guān)系的知識(shí)圖譜，這是構(gòu)建在行業(yè)規(guī)則之上的編碼體系，具有很強(qiáng)的支撐作用，能夠快速建立知識(shí)模型，并且用可視化的方式，將背后的知識(shí)體系表達(dá)出來(lái)。

三、數(shù)字孿生提升現(xiàn)場(chǎng)員工能力

在知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了高保真的數(shù)字孿生，就可以在現(xiàn)場(chǎng)，提高員工的判斷力，從而提升工廠的運(yùn)營(yíng)效率。

01化簡(jiǎn)為繁，輕松看透機(jī)器的奧秘

機(jī)器作為工業(yè)生產(chǎn)的必備工具，可視化管理是工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型必經(jīng)階段。而數(shù)字孿生，則更勝一籌，不僅僅讓使用者對(duì)設(shè)備有形象具體的圖形理解，對(duì)設(shè)備現(xiàn)實(shí)的狀況及所有參數(shù)數(shù)據(jù)等信息一目了然，而且以非常體系化的方式，引導(dǎo)用戶輕松使用機(jī)器。

設(shè)備數(shù)字孿生，可以將一臺(tái)機(jī)器以3D的形式，展示設(shè)備整機(jī)、部套、零件之間的層次關(guān)系。用戶可以借助于導(dǎo)航樹(shù)，在煙機(jī)的不同零部件之間進(jìn)行自由切換，深度了解。數(shù)字孿生會(huì)呈現(xiàn)出拆分動(dòng)畫，逐級(jí)遞進(jìn)，用戶可以直接與場(chǎng)景中的3D對(duì)象進(jìn)行交互，用層層“爆炸圖”的方式，查看機(jī)械零件、子部件的詳細(xì)信息。

圖1：機(jī)械結(jié)構(gòu)層層分解圖

設(shè)備的元器件、油路、氣路等，都是等比例建模，攜帶各種屬性信息。設(shè)備數(shù)字孿生，就像為操作者提供了一臺(tái)CT機(jī)，看到機(jī)器的各種結(jié)構(gòu)和屬性，從而對(duì)機(jī)器有著深刻的了解。

02聰明機(jī)器傻瓜式操作：“虛擬專家”在線培訓(xùn)

基于數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)造出來(lái)的3D互動(dòng)模擬的在線培訓(xùn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬仿真的統(tǒng)一。它突破了“分別翻看圖紙說(shuō)明書“的傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的限制，而是直接“在線手把手”。各種不同的操作規(guī)范、說(shuō)明手冊(cè)等，都被統(tǒng)一集成到一個(gè)界面上，每一步行動(dòng)都有說(shuō)明和提示。在大大縮短培訓(xùn)周期的同時(shí)，豐富了培訓(xùn)內(nèi)容，并減少了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)的成本損耗和危險(xiǎn)性。以前一臺(tái)進(jìn)口的高端煙草機(jī)械，即使是成熟的工人，完全掌握一臺(tái)機(jī)器，需要用兩三年。而現(xiàn)在生手工人，只需要3-6個(gè)月就可以完全上手，大大減少了對(duì)熟練工人的依賴性。

圖2：虛擬專家引導(dǎo)操作培訓(xùn)

03提升設(shè)備運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)

傳統(tǒng)設(shè)備管理工作中，設(shè)備監(jiān)管、設(shè)備控制、設(shè)備維護(hù)、庫(kù)存管理等各個(gè)業(yè)務(wù)模塊之間數(shù)據(jù)不互通互聯(lián)，存在信息孤島。同時(shí)還存在設(shè)備管理效率較低、設(shè)備維護(hù)成本高等問(wèn)題。而基于數(shù)字孿生的設(shè)備管理應(yīng)用，能夠讓現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障的時(shí)候，不僅僅是知其然，而且知其所以然。

例如機(jī)器如果發(fā)生停機(jī)故障，傳統(tǒng)方式需要統(tǒng)治維修人員，然后去現(xiàn)場(chǎng)排查，排查往往又需要半天時(shí)間，找到故障原因。機(jī)器非計(jì)劃停產(chǎn)，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)很大的損失。但這種現(xiàn)象，在車間里非常普遍。

而通過(guò)機(jī)器數(shù)字孿生，就可以在車間的任何一臺(tái)人機(jī)界面上，直接就可以看到什么位置、何種部件、發(fā)生了何種故障。如圖3中所示意。

圖3：設(shè)備數(shù)字孿生自動(dòng)完成故障報(bào)警及診斷

這種基于設(shè)備服務(wù)知識(shí)模型，能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，準(zhǔn)確預(yù)警，從而幫助優(yōu)化設(shè)備檢測(cè)、維修計(jì)劃安排和人力資源分配，大大提高了設(shè)備的運(yùn)行效率與可靠度。

這種應(yīng)用，也可以在云平臺(tái)上，對(duì)多個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程管理，并且可以細(xì)化到產(chǎn)線級(jí)、設(shè)備級(jí)、零部件級(jí)的運(yùn)行狀態(tài)，了解設(shè)備故障問(wèn)題嚴(yán)重程度、故障描述、處理方法等

而下一步，設(shè)備數(shù)字孿生將進(jìn)一步推動(dòng)智能機(jī)器的進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的機(jī)器控制。根據(jù)故障情況，可以直接反向去控制機(jī)器。

結(jié)束語(yǔ)

從圖紙到零件，從制造商到最終客戶，從決策者到管理者再到操作者，數(shù)字孿生的應(yīng)用貫穿在整個(gè)設(shè)備的全生命周期之中。而知識(shí)作為指導(dǎo)人和機(jī)器學(xué)習(xí)及做事的指令集合和規(guī)則體系[4]，為高保真、實(shí)時(shí)互動(dòng)的數(shù)字孿生提供了核心支撐。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)知識(shí)模型化、模型軟件化、軟件云端協(xié)同化，推動(dòng)業(yè)務(wù)流程與機(jī)器效率的提升，真正實(shí)現(xiàn)了知識(shí)自動(dòng)化。

實(shí)際上，數(shù)字孿生的應(yīng)用并不限于機(jī)器，往上它還有車間級(jí)、企業(yè)級(jí)和城市級(jí)。不同層次的數(shù)字孿生，對(duì)應(yīng)不同的決策判斷，從而使得數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以逐層切入。高保真、實(shí)時(shí)交互的數(shù)字化孿生，成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要支點(diǎn)。

審核編輯 ：李倩