数字孪生在PATS智慧工厂建设中的应用及前景

周家润 ,黄和清 ,郑昆宇

导读：智慧工厂由设备、机器人、AGV、网络、信息数据等构成，集成了产品制造过程和工厂模型的数据库，以提高产品的质量和生产过程所涉及的质量和动态性能。通过借助计算机，对整个生产过程进行数据采集，并可进一步扩展到整个产品制造过程的全生命周期，将打通产品设计和产品制造之间的桥梁，实现信息的集成。而生产车间是组成工厂最重要的组成部分，实现了生产车间的数字化，基本上完成了数字化工厂最核心的部分。在数字化系统建设中以数据的可视化管理和应用为核心，而非简单注重完全的自动化程度。利用PLM系统实现主数据流和工业网络、智能装备、智能仓库、智能系统等方面系统集成，实现数据流贯通与共享。

1、智慧工厂硬件平台搭建

智能化在引入数控机床、机器人等生产设备并实现生产自动化的基础上，再以ERP、MES等管理软件作为中枢管理系统，以视觉相机、RFID标签、扫码器、条码、传感器等为组件，以NC数控系统或PLC为控制单元，以现场总线PROFIBUS、工业以太网PROFINET、MODUBUS等通信技术为传输网络。能够借助完善的系统获取状态信息、传递控制指令，以此实现科学决策、智能设计、合理排产，监控设备状态，提升设备使用率，指导生产运行，让自动化生产智能设备高效运转智能化生产制造单元是将一组能力相近的加工设备和辅助设备进行模块化、集成化、一体化的聚合，使其具备多品种少批量产品的生产输出能力。打造智能制造单元是开启智能化道路行之有效的切入点。为各车间配置智能制造单元，“智造单元”是一种模块化的小型数字化工厂实践，整个单元由自动化模块、信息化模块和智能化模块三部分组成，以“最小的数字化工厂”实现在多品种小批量的生产智能化。在加工领域，注重从单一功能型设备向多功能型设备过渡；在装配领域，突破人工操作的枷锁，逐步由人工操作向人机协作、自动化作业转变；不断发掘高精尖设备，致力于质量检测、SPC工站建设；将传统、简易的人工搬运等，采用机器人配合视觉定位技术全部实现自动化搬运。。

2. 数字孪生企业案例背景

浦镇中车阿尔斯通公司的业务是典型的离散制造业，可以通过数字孪生技术为企业搭建智能制造的部署、运营、服务、安全的完整体系，促进信息逻辑和工业逻辑相融合，用数字孪生让真实工厂映射到数字世界，汇聚分散在各封闭组织内的数据，从工业大数据中发掘工业机理和规律，从而以虚实之间有效协同缩短研发设计周期，优化重构生产制造流程，提升设备维护效率，加快组织内外协同合作，带来生产力的变革，触发新型设计、生产、服务模式的演进。本次以静调线数字孪生为应用验证。

基于数字孪生的静调试验车间人机交互构建与实际物理车间完全映射的数字孪生虚拟车间，通过物联网技术采集设备运行数据共，并实时更新虚拟车间的制造进程。

1. 数字孪生建模

数字化建模技术起源于20世纪50年代，建模的⽬的是将我们对物理世界或问题的理解进⾏简化和模型化。数字孪⽣的⽬的或本质是通过数字化和模型化，消除各种物理实体、特别是复杂系统的不确定性。所以建⽴物理实体的数字化模型或信息建模技术是创建数字孪⽣、实现数字孪⽣的源头和核⼼技术，也是“数化”阶段的核⼼。

2. 静调试车间工艺流程知识库

构建静调试车间工艺流程知识库，包括车间设备的实时运行状况、车间人员结构与定位、车辆实时信息，结合产品调试阶段的质量状况、使用状况、技术状态等，实时展示车辆调试进度信息。

3. 面向数字孪生的车辆调试过程交互

以多源模型为数字孪生模型数据源，基于数据采集、流程功能实现车辆静调线物理与实物模型的信息实时交互与可视化。按照实际调试流程仿真展示生产的整体过程，基于3D场景实时模拟调试线的状态，如正常、故障等发现生产线隐含问题，提高实际生产线工作效率。

数字孪生工厂的技术架构研究：

在通过数字孪生技术，并结合可视化呈现能力，助力工厂推进制造、设备、能环、运输集中管控模式。

数字孪生工厂的整体技术架构从下至上分为智能化设备、基础平台、资源虚拟化层、汇聚层、基础服务层、多维虚拟模型层数字孪生应用层共7层构成。

（1）智能化设备：为平台提供最原始的物理实体数据。

（2）基础平台：提供终端边缘计算能力，完成指令下发，达到控制实体设备的目的。

（3）资源虚拟化层：为平台部署提供基础环境，实现硬件资源的动态调度。

（4）汇聚层：完成数据采集、集中储存，实现与物理虚拟映射层的互联互通。

（5）用户入口：提供构建系统的基础工具，可帮助平台和开发人员快速创建应用程序。

（6）多维度虚拟模型层：多维度虚拟模型分为数据多维度虚拟模型和数据孪生多维度虚拟模型。数据多维度虚拟模型是基础，通过它可完成对数据孪生多维度虚拟模型的驱动。

（7）数字孪生应用层：提供数字孪生产品设计、虚拟样机、工艺规划、物流的精准配送、车间装备智能控制、人机交互、测试检测、能耗管理、质量分析与追溯、预测与健康管理等应用功能服务模块。

在数字化车间建设与实施过程中，关键点是引用PLM系统实现主数据流贯通和系统集成，数据流贯通保证了数据的准确、及时、共享，系统集成实现了数据的互联互通。并在此基础上进一步实现数据可视化、透明化。顶层规划很重要，在项目开始阶段，完成顶层设计方案，确保项目实施过程可控性和可预知性。智能工厂建造过程通过数字化双胞胎，实现全集成可视化工厂。实现软件和硬件的智能互联，通过设置标准网络接口实现设备间互联互通。

作者简介：

周家润，男，出生年月：1994年-；籍贯：安徽；职称：工程师；学历：本科；研究方向：轨道交通车辆调试及车辆工艺技术；

黄和清，男，出生年月：1996年-；籍贯：安徽；职称：助理工程师；学历：本科；研究方向：轨道交通车辆调试及车辆工艺技术；

郑昆宇，男，出生年月：1998年-；籍贯：安徽；职称：助理工程师；学历：本科；研究方向：轨道交通车辆调试及车辆工艺技术；