隨著全球制造業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)工廠面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括數(shù)字化基礎(chǔ)薄弱、生產(chǎn)管理依靠經(jīng)驗(yàn)、人力資源緊缺等問題。而數(shù)字孿生技術(shù)作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新興技術(shù)，為工廠智能化轉(zhuǎn)型提供了全新的解決思路。文章將探討數(shù)字孿生工廠的構(gòu)建方法與應(yīng)用，以期為制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造提供參考與指導(dǎo)。

1？數(shù)字孿生的概念及內(nèi)涵

1.1數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是信息科學(xué)與物理工程學(xué)交叉領(lǐng)域中涌現(xiàn)的一個(gè)創(chuàng)新概念。其誕生可以追溯到近二十年前，但其快速發(fā)展期是在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等前沿技術(shù)日漸成熟之后。數(shù)字孿生概念的核心是基于物理實(shí)體創(chuàng)造精確的數(shù)字復(fù)制品，并在虛擬空間中模擬實(shí)體的行為反應(yīng)及生命周期過程。這樣的數(shù)字副本不僅包括靜態(tài)的結(jié)構(gòu)信息，更融合了動(dòng)態(tài)的行為數(shù)據(jù)，從而能實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測、優(yōu)化與決策以支持物理實(shí)體的運(yùn)營。數(shù)字孿生的理念，為實(shí)現(xiàn)高度綜合的物理世界和數(shù)字世界的交互提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生涵蓋三大關(guān)鍵組成部分：物理實(shí)體、虛擬模型與服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。物理實(shí)體是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，代表實(shí)際存在的物體或系統(tǒng)，其特征、行為、狀態(tài)和性能是數(shù)字孿生模型建模的對(duì)象。虛擬模型是數(shù)字孿生的核心，通過利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，建立與物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型，這個(gè)模型能夠反映物理實(shí)體的全生命周期過程。服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)包括了物理實(shí)體與虛擬模型之間的所有交互數(shù)據(jù)，服務(wù)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和智能分析，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體對(duì)象和數(shù)字世界模型對(duì)象之間的映射，可在數(shù)字世界對(duì)物理實(shí)體的狀態(tài)和行為進(jìn)行全面呈現(xiàn)、精準(zhǔn)表達(dá)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

1.2數(shù)字孿生的內(nèi)涵

數(shù)字孿生以其全面性、高度互動(dòng)性和深層預(yù)測力而成為工業(yè)革命 4.0 的支柱之一。它不僅僅是簡單的虛擬仿真，而是涉及從設(shè)計(jì)、運(yùn)營到維護(hù)等整個(gè)產(chǎn)品生命周期的數(shù)字化表示與分析工作。數(shù)字孿生包含信息模型的構(gòu)建、狀態(tài)監(jiān)測與診斷、預(yù)測與優(yōu)化決策和價(jià)值迭代四大方面。首先，數(shù)字孿生的構(gòu)建依賴于高精度的信息模型。這個(gè)模型通常需要涵蓋物理實(shí)體的幾何形態(tài)、材料屬性、邊界條件和環(huán)境影響等多維度信息，確保虛擬實(shí)體能夠高保真地復(fù)現(xiàn)物理實(shí)體。其次，實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與診斷依賴于多樣化傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署，其可使數(shù)字孿生體捕捉到物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

這一過程會(huì)不斷修正、完善虛擬模型，以便在故障發(fā)生之時(shí)及時(shí)進(jìn)行診斷并發(fā)出告警。再次是預(yù)測與優(yōu)化決策，數(shù)字孿生可利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力，結(jié)合人工智能技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)未來的行為和性能進(jìn)行預(yù)測。這種預(yù)測能力使得企業(yè)可以提前應(yīng)對(duì)潛在問題，優(yōu)化資源配置，并做出更明智的決策。例如，在制造業(yè)中，數(shù)字孿生可以預(yù)測設(shè)備的故障時(shí)間，從而優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃，減少停機(jī)時(shí)間；在城市管理中，數(shù)字孿生可以預(yù)測交通流量，優(yōu)化交通信號(hào)控制，提高道路利用率。通過這種方式，數(shù)字孿生不僅提供了對(duì)現(xiàn)狀的洞察，還為未來的決策提供了可靠的依據(jù)。最后，數(shù)字孿生內(nèi)涵的核心是價(jià)值迭代，它通過持續(xù)地運(yùn)營數(shù)據(jù)反饋，優(yōu)化虛擬和物理實(shí)體的互動(dòng)，不斷提升系統(tǒng)的性能和效率，推動(dòng)企業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)的價(jià)值創(chuàng)造。

2？工廠發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 數(shù)字化基礎(chǔ)薄弱

在現(xiàn)代制造業(yè)環(huán)境中，數(shù)字化的不足已成為一個(gè)顯著的制約因素。許多傳統(tǒng)制造企業(yè)依賴于人力來應(yīng)對(duì)日常生產(chǎn)中遇到的挑戰(zhàn)。由于缺少實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析系統(tǒng)，企業(yè)無法及時(shí)掌握生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)狀態(tài)，比如設(shè)備運(yùn)行狀況、生產(chǎn)進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量等關(guān)鍵信息，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)管理和決策的滯后和不準(zhǔn)確。這不僅降低了生產(chǎn)效率，而且增加了產(chǎn)品缺陷率和生產(chǎn)成本，最終影響了企業(yè)的市場競爭力。此外，信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏也大大限制了企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級(jí)的能力，使其無法充分利用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)來優(yōu)化生產(chǎn)過程和提高生產(chǎn)靈活性。

傳統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用主要集中在機(jī)械化操作和簡單程序控制上，缺乏對(duì)環(huán)境變化的感知和適應(yīng)能力，局限性明顯，難以滿足日益增長的柔性生產(chǎn)需求。當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)或產(chǎn)品規(guī)格發(fā)生變化時(shí)，這些設(shè)備往往需要進(jìn)行煩瑣的手動(dòng)調(diào)整，這將導(dǎo)致生產(chǎn)效率的降低。缺乏智能決策支持的自動(dòng)化設(shè)備無法及時(shí)響應(yīng)生產(chǎn)過程中的突發(fā)情況，這種情況會(huì)影響到生產(chǎn)穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，限制了企業(yè)在激烈市場競爭中的應(yīng)對(duì)需求變化的能力。

2.2 問題分析依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)

傳統(tǒng)工廠在處理生產(chǎn)問題時(shí)，往往依賴于工人或技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和解決。對(duì)于生產(chǎn)鏈較長、工序復(fù)雜的情況，這種方式不僅效率低下，而且無法精確診斷并解決問題。大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和歷史記錄僅以紙質(zhì)形式存在，對(duì)于這類數(shù)據(jù)，企業(yè)缺乏有效的數(shù)據(jù)分析手段，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)問題的系統(tǒng)性追蹤和分析。這不僅會(huì)導(dǎo)致同一類生產(chǎn)問題反復(fù)出現(xiàn)，而且會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提升構(gòu)成嚴(yán)重阻礙。在快速變化的市場環(huán)境中，這種效率低下、響應(yīng)遲緩的處理方式使企業(yè)難以適應(yīng)市場的快速變化，影響了企業(yè)的競爭力。

2.3 人力資源缺乏且成本高昂

近年來，隨著勞動(dòng)年齡人口的減少和人口紅利的消失，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域面臨著人力資源緊缺的問題。同時(shí)，新一代年輕人對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)工作興趣下降，比起投入傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)，他們更愿意探索其他行業(yè)和領(lǐng)域以實(shí)現(xiàn)個(gè)人潛能，這種情況加劇了工廠的人力資源困境。此外，在人力成本壓力和工作環(huán)境缺陷的影響下，工廠員工流動(dòng)率明顯提高。近年來機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)的需求急劇增長，這是由于企業(yè)期望通過技術(shù)手段彌補(bǔ)人力短缺。然而，機(jī)器人技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用也面臨著成本高昂、技術(shù)熟練度不足等挑戰(zhàn)。

2.4 軟件硬件生態(tài)割裂

多數(shù)傳統(tǒng)工廠在技術(shù)應(yīng)用上存在明顯的軟硬件分離問題，軟件和硬件系統(tǒng)大多獨(dú)立運(yùn)行，缺乏有效的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)整合能力。這種割裂不僅影響了信息流通的實(shí)時(shí)性和決策的效率，對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化和智能化的進(jìn)程推動(dòng)構(gòu)成了巨大障礙。目前企業(yè)普遍缺乏能夠?qū)⒂布O(shè)備和軟件系統(tǒng)無縫連接的綜合解決方案，這使得生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)收集、分析和應(yīng)用變得復(fù)雜且低效。這種生態(tài)割裂損害了企業(yè)的整體運(yùn)營效率，限制了企業(yè)在生產(chǎn)過程中的優(yōu)化和創(chuàng)新能力，難以滿足市場對(duì)于高效、靈活生產(chǎn)的需求。

2.5 IT/OT 融合困難

工業(yè)技術(shù)（IT）與運(yùn)營技術(shù)（OT）之間的融合面臨著重大挑戰(zhàn)。盡管兩者在理論上具有相互補(bǔ)充和強(qiáng)化的潛力，但在實(shí)際操作中，它們之間存在著一系列的技術(shù)和管理障礙。例如，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的傳輸接口、標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一以及在邊緣控制和云端連接方面的技術(shù)兼容性問題。此外，從組織結(jié)構(gòu)層面看，IT 與 OT 的利益差異也是影響兩者融合的重要因素。兩者缺乏有效的溝通和協(xié)作機(jī)制，使得信息系統(tǒng)與工業(yè)系統(tǒng)之間難以實(shí)現(xiàn)深度整合，阻礙了企業(yè)智能制造和工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略的實(shí)施。

3？面向智能制造的數(shù)字孿生工廠構(gòu)建方法及應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)階段

在生產(chǎn)籌劃的初始階段，企業(yè)可借助云計(jì)算平臺(tái)，利用專業(yè)設(shè)計(jì)工具和知識(shí)管理系統(tǒng)，構(gòu)建出產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)模型，進(jìn)而發(fā)展出數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)模型。接著，通過應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和其他物理學(xué)原理進(jìn)行仿真優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造流程進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整。利用云平臺(tái)提供的虛擬環(huán)境，企業(yè)能夠在虛擬空間內(nèi)執(zhí)行生產(chǎn)模擬，借此對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的制造過程及其可用性進(jìn)行全面評(píng)估。這一系列的仿真與驗(yàn)證活動(dòng)，確保了產(chǎn)品可以順暢過渡至實(shí)際生產(chǎn)階段。至此，數(shù)字孿生體不僅能夠模擬實(shí)體產(chǎn)品的物理屬性，還能夠動(dòng)態(tài)生成反映用戶需求的數(shù)據(jù)。

3.2 生產(chǎn)控制階段

生產(chǎn)任務(wù)在云端的生產(chǎn)管理平臺(tái)中受到監(jiān)管，并且將實(shí)時(shí)性較高的調(diào)度和控制任務(wù)交由邊緣計(jì)算層處理。制造過程結(jié)合了現(xiàn)實(shí)設(shè)備與數(shù)字技術(shù)應(yīng)用，工廠的數(shù)字孿生在利用云平臺(tái)部署的數(shù)字環(huán)境中對(duì)制造過程進(jìn)行控制。實(shí)體工廠中的機(jī)械和傳感器構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)位于現(xiàn)場運(yùn)行層，它們透過如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network，TSN）、5G 等低延遲網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并通過 OPCUA等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與邊緣計(jì)算層交換數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)處理模塊將根據(jù)不同來源數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)其采取相應(yīng)處理。

一方面，數(shù)據(jù)處理模塊可以通過與數(shù)字孿生系統(tǒng)在控制層面上的直接交互，獲得預(yù)測性數(shù)據(jù)，并在此過程中對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)化和控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字空間對(duì)物理空間的調(diào)控；另一方面，邊緣計(jì)算層負(fù)責(zé)篩選、組織、分析并過濾所有數(shù)據(jù)，將從中提取到的信息上傳到云平臺(tái)的基礎(chǔ)層，推動(dòng)整個(gè)云平臺(tái)架構(gòu)中的信息與物理操作同步，并在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中存儲(chǔ)這些信息，建立起研究和深層挖掘云端資源的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。這對(duì)于制造過程的數(shù)字化提供了預(yù)測性和優(yōu)化性的數(shù)據(jù)支持。從整體上看，在生產(chǎn)控制階段，數(shù)字孿生技術(shù)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)整合多源傳感器數(shù)據(jù)和對(duì)模型的管理控制。

3.3 運(yùn)維階段

在產(chǎn)品投入使用后的運(yùn)維階段中，數(shù)字孿生技術(shù)繼續(xù)扮演著關(guān)鍵角色。通過由數(shù)字孿生技術(shù)生成的數(shù)字模型，制造商能夠持續(xù)監(jiān)控和分析產(chǎn)品或系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)。具體來說，運(yùn)維團(tuán)隊(duì)可以利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)模擬和預(yù)測產(chǎn)品的性能狀況，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題并優(yōu)化維護(hù)策略。對(duì)于設(shè)備管理者而言，數(shù)字孿生技術(shù)提供了一個(gè)虛擬平臺(tái)，用于模擬產(chǎn)品在各種實(shí)際使用場景下的表現(xiàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)。這使得運(yùn)維人員能夠進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)和主動(dòng)性能優(yōu)化，顯著提升了設(shè)備的可靠性和使用壽命。對(duì)于成品提供商來說，數(shù)字孿生技術(shù)同樣適用。它可用于模擬產(chǎn)品的實(shí)際使用場景，監(jiān)控產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和性能優(yōu)化，有效促進(jìn)產(chǎn)品構(gòu)建與后期運(yùn)維的協(xié)同。生產(chǎn)企業(yè)可以在虛擬環(huán)境中檢測潛在的質(zhì)量或安全問題，并在物理產(chǎn)品制造前進(jìn)行必要的調(diào)整。通過數(shù)字孿生體所部署的云平臺(tái)，供應(yīng)商、技術(shù)團(tuán)隊(duì)與客戶之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)作。在運(yùn)維過程中，運(yùn)維人員可通過數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品的地理位置、環(huán)境因素、工作狀態(tài)和健康狀況，并將這些信息匯總至云端數(shù)據(jù)庫，方便業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人訪問、管理。

4？數(shù)字孿生技術(shù)工廠應(yīng)用實(shí)例

在智能化制造工廠的應(yīng)用中，數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。如圖 1 為智能化制造工廠的運(yùn)行狀況，工廠內(nèi)的每一臺(tái)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)節(jié)都被數(shù)字化為虛擬模型，這些虛擬模型與實(shí)際物理設(shè)備實(shí)時(shí)同步，確保監(jiān)測和優(yōu)化生產(chǎn)過程的準(zhǔn)確性。通過數(shù)字孿生技術(shù)，工廠能夠模擬和預(yù)測設(shè)備的運(yùn)行狀況，同時(shí)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以預(yù)警潛在的故障，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，避免生產(chǎn)中斷。這種技術(shù)還可以協(xié)助工廠實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的優(yōu)化和資源的合理配置，通過虛擬試驗(yàn)和仿真，加速產(chǎn)品研發(fā)周期，并降低試錯(cuò)成本。

智能化制造工廠采用自動(dòng)化導(dǎo)向車（AGV）搬送設(shè)備、自動(dòng)上下料機(jī)械手和機(jī)器人換刀系統(tǒng)進(jìn)行無干預(yù)操作，與二維碼追蹤系統(tǒng)結(jié)合，確保加工過程服從全程溯源原則。此外，工廠內(nèi)部裝配了加工車間數(shù)據(jù)展示屏，以增強(qiáng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化，確保生產(chǎn)流程的完全透明化。同時(shí)，工廠內(nèi)部構(gòu)建了包含多級(jí)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃的機(jī)制，旨在高效處理生產(chǎn)壓力和調(diào)度難題。智能化制造工廠的實(shí)施數(shù)據(jù)表明，通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，人力資源效率得到提升，出入庫工作效率提升 40% 以上，線邊庫占地面積降低 42%，工具刀具更換時(shí)間縮減并且備用刀柄數(shù)量減少，這些改進(jìn)顯著提升了物流周轉(zhuǎn)效率及生產(chǎn)現(xiàn)場工作效率。

5？結(jié)語

數(shù)字孿生作為工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要手段，在提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化管理決策、應(yīng)對(duì)市場變化等方面展現(xiàn)出了巨大潛力。本文通過分析數(shù)字孿生技術(shù)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制和運(yùn)維等各個(gè)階段的應(yīng)用，闡明了其可為工廠實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)提供全面的技術(shù)支持。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，工廠將轉(zhuǎn)向更加智能、高效的生產(chǎn)模式，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展，提升競爭優(yōu)勢(shì)。

來源：新工業(yè)網(wǎng)

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審核編輯 黃宇