数字孪生：如何让工厂管理“像玩游戏一样简单”？

某种程度上说，你可能在各处都能见到实时监控数据的大屏幕，那就是种简单的数字孪生；而苹果近年大力推进AR，其中一个应用，就是让普通消费者用手机上的激光雷达，扫描所在的房间与家具，将结构和尺寸录入手机软件，就可以生成你的房间的数字孪生——当然，精度不是很高。

   

数字孪生技术迅速成为工业生产的宠儿，自然是因为它有助于生产。中国工程院院士谭建荣曾在2020年指出，数字孪生应用于工业领域，能够实现资源调配、智能化生产，显著提高生产效率。

把工厂搬到虚拟空间里，有什么用？

对于车间的管理人员或者工程人员来说，偌大工厂的管理和生产安排变得没那么困难了。一汽新能源汽车工厂占地面积78万平方米，什么概念？相当于105个足球场那么大。

   

好在，数字孪生虚拟出来的工厂，与真实的生产环境1：1对应，人在办公室，就能看到生产现场一举一动。在数字孪生的应用中，管理人员能够看到每一个车间的工作情况，通过搜索定位、“拖拉拽”等简单交互，就能定位到生产线的每一个细节。此外，数字孪生也降低了工人看懂数据的门槛。“它不需要你有什么CAD的经验、也不需要有太多专业知识。” 阿里云工业大脑数字孪生产品经理伍剑向放大灯介绍，就算拧螺丝的工人也看得懂。除了实时性，“回放”也是数字孪生的重要功能。生产监管因此变得一目了然：借助数字孪生，工程师们可以快速追溯生产数据，甚至细化到当时螺丝的力矩，更容易分析故障的原因；在车辆交付给消费者后， “回放”仍然可以在售后服务中发挥作用。

   

但想让这一切科幻感的事情在工厂里发生，并不容易。传感器、通信模组、数采软件、算法等软硬件，它们是数字孪生的基础。

一个完整的数字孪生工厂，涉及至少三个领域的技术。

首先是数字孪生的载体平台。无论是设备的运行状况，还是生产线的生产数据，都需要运行的载体。这是整个数字孪生中最复杂、最关键的一套系统。

其次是三维技术。孪生世界要与物理世界完成“一一对应”，就意味着工程师要用大量三维技术还原工厂设备。“数字孪生”成为工业设计      大奖的常客，就不奇怪了。

搭建好的三维模型，还要接入工厂的生产数据，才能把它们驱动起来。换句话说，这些三维模型不是用来观赏的，它要实实在在反映、指导生产动作。这需要特别精准、高性能的数据采集和处理技术。

   

如果回到原点，第一个环节就是对数据采集与监控系统的改造，排头兵就是异常复杂的连接设备传感器和PLC可编程逻辑控制器      。

随着工厂自动化设备越来越多，设备接入点位和十年前相比，可能增加了二、三十倍。这些数据包括但不仅限于：工厂的物流、仓储、内部控制环节产生的管理类数据；温湿度计、机械臂等IoT类传感器产生的数据；在进行安全管理、质量检查时，工厂还会借助视频手段，这些视频又是一类数据。

这些数据如何采集、监控并为生产提供参考，成了所有工厂跨越简单自动化的切入点。

   

当然，对企业来说，数采的手段并不重要，重要的是数据拿到手之后，如何用起来。

举个数字孪生工厂的例子，大家就明白了。

我们为一座工厂建立数字孪生系统，通过3D建模，在电脑里复 制工厂里的物理对象，并模拟工厂在现实环境中的行为，对产品的设计、工艺、制造，乃至整个整个工厂进行虚拟仿真，从而提高产品研发、制造的生产效率；提前预判出错的可能，实现节约生产成本、降低生产损耗的目的。

   

要建立数字孪生工厂，简单来讲，需要两步：

1.设备同步。搭建一套基于真实生产线的虚拟生产线，对真实设备进行3D建模，将3D模型放置到线上虚拟场景内，实现真实生产线和虚拟生产线一 一对应。如果想要对整座工厂建立数字孪生系统，需要对厂房、道路、树木、人物等所有要素都进行数字化建模。

2.数据同步：车间里真实设备，是通过PLC驱动让设备实现既定的动作。我们通过采集PLC数据，驱动虚拟系统里的设备模型，进行同样的既定动作，就能够实现真实设备与虚拟设备的实时联动，从而对生产线进行实时监控。除了设备数据之外，还需要安装摄像头、传感器等等其他数据采集设备，以实现对工厂和车间更多数据的采集，比如人员数据、人员位置数据，设备数据，这些数据也需要同步到系统中。

   

有了对工厂和车间高度仿真的三维建模，三维建模接入了工厂车间的实时数据之后，监控人员坐在监控室内，看着虚拟的生产线，就能实时了解真实车间的工作状态，不需要到车间巡视检查，通过虚拟生产线的数字孪生世界，就能更加清晰地了解到真实生产线的实际生产状况。比如：

1.人员管理：监控室可以直观地看到车间里的工人是否在自己的工位上，正在执行什么任务，工作效率怎么样，连续工作多长时间了，什么人在什么时候出现在了危险工作区，对讲机一呼叫，就可能让一个人脱离危险；

2.设备管理：整个车间的运行状况一目了然，哪一个加工中心连续运行3天了，哪一台车床经常处于闲置状态，哪个齿轮箱的高速轴承温度超标了，哪个电机的震动超标，这些数据都能进行实时分析，准确预判设备的运行状态，系统会将有问题的部位通过3D可视化手段直观表现出来，非常方便管理人员排查隐患；

3.运维管理：管理人员直观看到生产线的工作状态报告，上面清晰列明了设备排产是否饱满、是否有工序堆积、堆积的原因是什么、是否有加工单元闲置、闲置的原因是什么，人流、物流、AGV是够冲突，哪里交通容易拥堵，使现场人员更高效实现生产线的管理；

4.项目管理：每个订单定了多少个产品，每个产品的部件分配到哪个工序了，在哪个设备上加工的，生产进度怎么样，提前完成的是否做好了防护和入库，排产延期的具体原因是什么，有了这些一手信息，才能让企业经营者更准确的做决策；

5.能源管理：系统可以整合出整个车间的生产消耗，如焊条、刀具、润滑油等耗材消耗，管材、板材、型材等原材料消耗、水电气等能源消耗、污水废气粉尘等污染物排放、形成损耗和排放的综合数据分析报告，让管理者对成本一目了然；

6.生产调度预判：根据输入到系统的排产表，数字孪生系统能提前预判生产线下一天的产能，并生成一天产能所需的耗材清单及数量， 随着系统不断地的自我学习，预判功能会越来越准确，可随着排产表的不断变化，预判出一周、半个月或一个月的产能，帮助决策者进行生产调度管理。

   

设想一下，如果整座工厂都建立了数字孪生世界，那么工厂的管理是多么的一目了然。