以智能制造为导向的数字孪生工厂构建方法与应用

1.1 数字孪生的概念

数字孪生（Digital Twin，DT）是信息科学与物理工程学交叉领域中涌现的一个创新概念。其诞生可以追溯到近二十年前，但其快速发展期是在物联网、大数据、云计算、人工智能等前沿技术日渐成熟之后。数字孪生概念的核心是基于物理实体创造精确的数字复 制品，并在虚拟空间中模拟实体的行为反应及生命周期过程。这样的数字副本不仅包括静态的结构信息，更融合了动态的行为数据，从而能实时监控、预测、优化与决策以支持物理实体的运营。数字孪生的理念，为实现高度综合的物理世界和数字世界的交互提供了技术基础。

数字孪生涵盖三大关键组成部分：物理实体、虚拟模型与服务系统的相关数据。物理实体是数字孪生的基础，代表实际存在的物体或系统，其特征、行为、状态和性能是数字孪生模型建模的对象。虚拟模型是数字孪生的核心，通过利用多源异构数据融合技术，建立与物理实体相对应的数字模型，这个模型能够反映物理实体的全生命周期过程。服务系统的相关数据包括了物理实体与虚拟模型之间的所有交互数据，服务系统通过数据驱动和智能分析，实现物理实体对象和数字世界模型对象之间的映射，可在数字世界对物理实体的状态和行为进行全面呈现、精准表达和动态监测。

1.2 数字孪生的内涵

数字孪生以其全面性、高度互动性和深层预测力而成为工业革命 4.0 的支柱之一。它不仅仅是简单的虚拟仿真，而是涉及从设计、运营到维护等整个产品生命周期的数字化表示与分析工作。数字孪生包含信息模型的构建、状态监测与诊断、预测与优化决策和价值迭代四大方面。首先，数字孪生的构建依赖于高精度的信息模型。这个模型通常需要涵盖物理实体的几何形态、材料属性、边界条件和环境影响等多维度信息，确保虚拟实体能够高保真地复现物理实体。其次，实时状态监测与诊断依赖于多样化传感器网络的部署，其可使数字孪生体捕捉到物理实体的状态数据。

这一过程会不断修正、完善虚拟模型，以便在故障发生之时及时进行诊断并发出告警。再次是预测与优化决策，数字孪生可利用其强大的数据处理和分析能力，结合人工智能技术，对系统未来的行为和性能进行预测。这种预测能力使得企业可以提前应对潜在问题，优化资源配置，并做出更明智的决策。例如，在制造业中，数字孪生可以预测设备的故障时间，从而优化维护计划，减少停机时间；在城市管理中，数字孪生可以预测交通流量，优化交通信号控制，提高道路利用率。通过这种方式，数字孪生不仅提供了对现状的洞察，还为未来的决策提供了可靠的依据。最后，数字孪生内涵的核心是价值迭代，它通过持续地运营数据反馈，优化虚拟和物理实体的互动，不断提升系统的性能和效率，推动企业实现持续的价值创造。

2.1 数字化基础薄弱

在现代制造业环境中，数字化的不足已成为一个显著的制约因素。许多传统制造企业依赖于人力来应对日常生产中遇到的挑战。由于缺少实时数据监控和分析系统，企业无法及时掌握生产线的实时状态，比如设备运行状况、生产进度、产品质量等关键信息，进而导致生产管理和决策的滞后和不准确。这不仅降低了生产效率，而且增加了产品缺陷率和生产成本，最终影响了企业的市场竞争力。此外，信息技术基础设施的缺乏也大大限制了企业数字化转型和升级的能力，使其无法充分利用先进的数字技术来优化生产过程和提高生产灵活性。

传统的自动化技术应用主要集中在机械化操作和简单程序控制上，缺乏对环境变化的感知和适应能力，局限性明显，难以满足日益增长的柔性生产需求。当生产任务或产品规格发生变化时，这些设备往往需要进行烦琐的手动调整，这将导致生产效率的降低。缺乏智能决策支持的自动化设备无法及时响应生产过程中的突发 情况，这种情况会影响到生产稳定性和产品质量，限制了企业在激烈市场竞争中的应对需求变化的能力。

2.2 问题分析依靠个人经验

传统工厂在处理生产问题时，往往依赖于工人或技术人员的经验进行分析和解决。对于生产链较长、工序复杂的情况，这种方式不仅效率低下，而且无法精确诊断并解决问题。大量的生产数据和历史记录仅以纸质形式存在，对于这类数据，企业缺乏有效的数据分析手段，难以实现对生产问题的系统性追踪和分析。这不仅会导致同一类生产问题反复出现，而且会对产品质量和生产效率的提升构成严重阻碍。在快速变化的市场环境中，这种效率低下、响应迟缓的处理方式使企业难以适应市场的快速变化，影响了企业的竞争力。

2.3 人力资源缺乏且成本高昂

近年来，随着劳动年龄人口的减少和人口红利的消失，工业生产领域面临着人力资源紧缺的问题。同时，新一代年轻人对传统工业生产工作兴趣下降，比起投入传统工业生产，他们更愿意探索其他行业和领域以实现个人潜能，这种情况加剧了工厂的人力资源困境。此外，在人力成本压力和工作环境缺陷的影响下，工厂员工流动率明显提高。近年来机器人和自动化技术的需求急剧增长，这是由于企业期望通过技术手段弥补人力短缺。然而，机器人技术的引进和应用也面临着成本高昂、技术熟练度不足等挑战。

2.4 软件硬件生态割裂

多数传统工厂在技术应用上存在明显的软硬件分离问题，软件和硬件系统大多独立运行，缺乏有效的互联互通和数据整合能力。这种割裂不仅影响了信息流通的实时性和决策的效率，对于工业自动化和智能化的进程推动构成了巨大障碍。目前企业普遍缺乏能够将硬件设备和软件系统无缝连接的综合解决方案，这使得生产过程中的数据收集、分析和应用变得复杂且低效。这种生态割裂损害了企业的整体运营效率，限制了企业在生产过程中的优化和创新能力，难以满足市场对于高效、灵活生产的需求。

2.5 IT/OT 融合困难

工业技术（IT）与运营技术（OT）之间的融合面临着重大挑战。尽管两者在理论上具有相互补充和强化的潜力，但在实际操作中，它们之间存在着一系列的技术和管理障碍。例如，数据网络的传输接口、标准的统一以及在边缘控制和云端连接方面的技术兼容性问题。此外，从组织结构层面看，IT 与 OT 的利益差异也是影响两者融合的重要因素。两者缺乏有效的沟通和协作机制，使得信息系统与工业系统之间难以实现深度整合，阻碍了企业智能制造和工业 4.0 战略的实施。

3.1 设计阶段

在生产筹划的初始阶段，企业可借助云计算平台，利用专业设计工具和知识管理系统，构建出产品的初步设计模型，进而发展出数字孪生体的基础模型。接着，通过应用运动学和其他物理学原理进行仿真优化，对产品设计与制造流程进行精细化调整。利用云平台提供的虚拟环境，企业能够在虚拟空间内执行生产模拟，借此对实体产品的制造过程及其可用性进行全面评估。这一系列的仿真与验证活动，确保了产品可以顺畅过渡至实际生产阶段。至此，数字孪生体不仅能够模拟实体产品的物理属性，还能够动态生成反映用户需求的数据。

3.2 生产控制阶段

生产任务在云端的生产管理平台中受到监管，并且将实时性较高的调度和控制任务交由边缘计算层处理。制造过程结合了现实设备与数字技术应用，工厂的数字孪生在利用云平台部署的数字环境中对制造过程进行控制。实体工厂中的机械和传感器构成的物联网系统位于现场运行层，它们透过如时间敏感网络（Time Sensitive Network，TSN）、5G 等低延迟网络技术，并通过 OPCUA等行业标准协议与边缘计算层交换数据。数字孪生中的数据处理模块将根据不同来源数据的特点，对其采取相应处理。

一方面，数据处理模块可以通过与数字孪生系统在控制层面上的直接交互，获得预测性数据，并在此过程中对数据处理进程进行优化和控制，实现了数字空间对物理空间的调控；另一方面，边缘计算层负责筛选、组织、分析并过滤所有数据，将从中提取到的信息上传到云平台的基础层，推动整个云平台架构中的信息与物理操作同步，并在数据库系统中存储这些信息，建立起研究和深层挖掘云端资源的数据基础。这对于制造过程的数字化提供了预测性和优化性的数据支持。从整体上看，在生产控制阶段，数字孪生技术主要负责实时整合多源传感器数据和对模型的管理控制。

3.3 运维阶段

在产品投入使用后的运维阶段中，数字孪生技术继续扮演着关键角色。通过由数字孪生技术生成的数字模型，制造商能够持续监控和分析产品或系统在实际运行中的表现。具体来说，运维团队可以利用数字孪生技术实时模拟和预测产品的性能状况，提前发现潜在问题并优化维护策略。对于设备管理者而言，数字孪生技术提供了一个虚拟平台，用于模拟产品在各种实际使用场景下的表现，并实时监控其运行状态。这使得运维人员能够进行预测性维护和主动性能优化，显著提升了设备的可靠性和使用寿命。对于成品提供商来说，数字孪生技术同样适用。它可用于模拟产品的实际使用场景，监控产品运行状态，从而实现预测性维护和性能优化，有效促进产品构建与后期运维的协同。生产企业可以在虚拟环境中检测潜在的质量或安全问题，并在物理产品制造前进行必要的调整。通过数字孪生体所部署的云平台，供应商、技术团队与客户之间可以实现数据共享和协作。在运维过程中，运维人员可通过数字孪生体实时监控产品的地理位置、环境因素、工作状态和健康状况，并将这些信息汇总至云端数据库，方便业务负责人访问、管理。

在智能化制造工厂的应用中，数字孪生技术发挥了至关重要的作用。如图 1 为智能化制造工厂的运行状况，工厂内的每一台设备和生产环节都被数字化为虚拟模型，这些虚拟模型与实际物理设备实时同步，确保监测和优化生产过程的准确性。通过数字孪生技术，工厂能够模拟和预测设备的运行状况，同时应用机器学习模型进行数据分析，以预警潜在的故障，从而实现预防性维护，避免生产中断。这种技术还可以协助工厂实现生产流程的优化和资源的合理配置，通过虚拟试验和仿真，加速产品研发周期，并降低试错成本。

图1 中的智能化制造工厂采用自动化导向车（AGV）搬送设备、自动上下料机械手和机器人换刀系统进行无干预操作，与二维码追踪系统结合，确保加工过程服从全程溯源原则。此外，工厂内部装配了加工车间数据展示屏，以增强生产数据的可视化，确保生产流程的完全透明化。同时，工厂内部构建了包含多级预警和应急响应计划的机制，旨在高效处理生产压力和调度难题。智能化制造工厂的实施数据表明，通过数字孪生技术的应用，人力资源效率得到提升，出入库工作效率提升 40% 以上，线边库占地面积降低 42%，工具刀具更换时间缩减并且备用刀柄数量减少，这些改进显著提升了物流周转效率及生产现场工作效率。

数字孪生作为工厂数字化转型的重要手段，在提高生产效率、优化管理决策、应对市场变化等方面展现出了巨大潜力。本文通过分析数字孪生技术在设计、生产控制和运维等各个阶段的应用，阐明了其可为工厂实现智能化生产提供全面的技术支持。随着数字孪生技术的不断发展与应用，工厂将转向更加智能、高效的生产模式，从而实现持续发展，提升竞争优势。

作者：北京天玛智控科技股份有限公司 高洋