數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。它利用3D建模、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，在線上復(fù)制一個(gè)與現(xiàn)實(shí)幾乎一致的“數(shù)字體”。這個(gè)數(shù)字體能夠通過大量數(shù)據(jù)，記錄現(xiàn)實(shí)中的一舉一動(dòng)，并“投射”到對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中。

　　相較于目前其它智能化技術(shù)，數(shù)字孿生大概在2015年才進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域：通用電氣推出數(shù)字化風(fēng)電場，將數(shù)字孿生技術(shù)推向商用。隨后，更多國際巨頭先后涉足數(shù)字孿生技術(shù)，并持續(xù)發(fā)展至今。

　　數(shù)字孿生技術(shù)具有以下特點(diǎn)：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的虛擬模型是對(duì)物理對(duì)象的真實(shí)映射，并對(duì)物理對(duì)象的各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知并集成融合；通過參與物理對(duì)象的全生命周期，不斷積累相關(guān)信息，并與其共同進(jìn)化；虛擬空間的數(shù)字化模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)中的物理對(duì)象準(zhǔn)確描述，而且能夠控制物理對(duì)象的運(yùn)行過程，孿生數(shù)據(jù)能夠促使物理對(duì)象不斷優(yōu)化，直到最優(yōu)。

　　當(dāng)虛擬與現(xiàn)實(shí)融合

　　物理工廠與虛擬工廠基于數(shù)字孿生的理念，以數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)為媒介，實(shí)現(xiàn)雙向真實(shí)映射與實(shí)時(shí)交互，打通物理世界和信息世界之間的桎梏，實(shí)現(xiàn)物理工廠與虛擬工廠的融合并產(chǎn)生孿生數(shù)據(jù)，在孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)工廠的全生產(chǎn)要素在物理工廠、虛擬工廠、工廠服務(wù)系統(tǒng)間的迭代運(yùn)行，最終使物理工廠不斷得到進(jìn)化，直到工廠生產(chǎn)和管控達(dá)到最優(yōu)的一種工廠運(yùn)行新模式。

　　為什么企業(yè)要打造數(shù)字孿生的虛擬工廠呢？據(jù)市場反饋來看，主要有以下幾個(gè)方面的原因：

　　1）提升運(yùn)營效率

　　通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)工廠的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)流程等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，從而提高工廠的運(yùn)營效率。

　　2）降低生產(chǎn)成本

　　數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助企業(yè)預(yù)測和優(yōu)化生產(chǎn)過程，減少不必要的浪費(fèi)和損失，從而降低生產(chǎn)成本。

　　3）提高產(chǎn)品質(zhì)量

　　通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以在虛擬環(huán)境中模擬產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)和解決潛在的質(zhì)量問題，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

　　4）提升響應(yīng)速度

　　在虛擬環(huán)境中，可以快速地響應(yīng)市場需求變化和客戶需求變化，調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)流程，提高企業(yè)的市場響應(yīng)速度。

　　構(gòu)建工廠的關(guān)鍵步驟

　　數(shù)字孿生技術(shù)可以用來構(gòu)建虛擬工廠。通過彌合虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界之間的差距，企業(yè)可以在無風(fēng)險(xiǎn)的虛擬環(huán)境中規(guī)劃并優(yōu)化工廠布局、工作流程、資產(chǎn)和資源，之后再到現(xiàn)實(shí)世界中執(zhí)行運(yùn)營。通過虛擬的工廠，可以釋放數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型生產(chǎn)的潛力，實(shí)現(xiàn)制造流程的真正變革。

　　以數(shù)字孿生技術(shù)為基底構(gòu)建虛擬工廠，可以大概分為以下幾步：

　　1）數(shù)據(jù)收集和建模

　　首先需要收集工廠的各種數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)流程、物料庫存等。然后使用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，以構(gòu)建出虛擬工廠的初始模型。

　　2）虛擬環(huán)境構(gòu)建

　　使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬工廠的環(huán)境，包括設(shè)備、生產(chǎn)線、倉庫等。在虛擬環(huán)境中，可以通過模擬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)流程，來預(yù)測和優(yōu)化真實(shí)的生產(chǎn)過程。

　　3）數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化

　　通過對(duì)虛擬工廠的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，可以找到提高生產(chǎn)效率和降低成本的方案。例如，通過模擬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以預(yù)測設(shè)備的維護(hù)時(shí)間和維修成本，從而提前進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。

　　4）實(shí)施優(yōu)化方案

　　將優(yōu)化方案應(yīng)用到真實(shí)的工廠中，以提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。例如，通過優(yōu)化生產(chǎn)流程，可以減少生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)和損失，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

　　數(shù)字孿生虛擬工廠案例

　　數(shù)字孿生起源于工業(yè)，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的成熟，工業(yè)也將成為數(shù)字孿生應(yīng)用較廣的場景。工業(yè)企業(yè)通過物聯(lián)網(wǎng)及邊緣計(jì)算上傳相關(guān)數(shù)據(jù)后，使用數(shù)字孿生技術(shù)可以完成生產(chǎn)、能耗、設(shè)備、設(shè)計(jì)、制造管理等工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、降本、創(chuàng)收、增效的目標(biāo)。當(dāng)前，以達(dá)索系統(tǒng)、西門子、海爾等為代表的企業(yè)正大力推行數(shù)字孿生在行業(yè)的落地。

　　以某大型制造企業(yè)為例，其為了提升工廠的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，決定采用數(shù)字孿生技術(shù)打造一個(gè)虛擬工廠。該企業(yè)希望通過數(shù)字孿生虛擬工廠實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、智能化管理，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

　　數(shù)字孿生技術(shù)在該案例中主要應(yīng)用于以下方面:

　　• 設(shè)備建模

　　對(duì)工廠中的各種設(shè)備進(jìn)行三維建模，建立設(shè)備的數(shù)字孿生體。

　　• 數(shù)據(jù)采集與集成

　　采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，并進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、整合和標(biāo)準(zhǔn)化。

　　• 實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測

　　通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)過程，預(yù)測設(shè)備的維護(hù)時(shí)間和維修成本。

　　• 優(yōu)化與決策支持

　　通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，找到提高生產(chǎn)效率和降低成本的方案，為決策提供支持。

　　在數(shù)字孿生虛擬工廠的構(gòu)建過程中，首先需要對(duì)工廠進(jìn)行詳細(xì)的三維建模。該企業(yè)采用專業(yè)的三維建模軟件，對(duì)工廠中的設(shè)備、生產(chǎn)線、倉庫等進(jìn)行精細(xì)的三維建模，建立了工廠的數(shù)字孿生體。同時(shí)，還對(duì)工廠的環(huán)境、布局等進(jìn)行仿真，使虛擬工廠與真實(shí)工廠保持高度一致。

　　在數(shù)字孿生虛擬工廠中，可以通過虛擬仿真技術(shù)模擬生產(chǎn)過程，預(yù)測和優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)果。該企業(yè)采用虛擬仿真軟件對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬，通過調(diào)整工藝參數(shù)、設(shè)備配置等，找到最優(yōu)的生產(chǎn)方案。同時(shí)，還可以通過虛擬仿真技術(shù)預(yù)測設(shè)備的維護(hù)時(shí)間和維修成本，提前進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，降低生產(chǎn)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

　　數(shù)字孿生虛擬工廠可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析。該企業(yè)通過建立數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行清洗、整合和標(biāo)準(zhǔn)化。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的異常和潛在問題，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和維修，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

　　數(shù)字孿生虛擬工廠可以通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化為決策提供支持。該企業(yè)通過對(duì)數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率和降低成本的方案。例如，優(yōu)化工藝參數(shù)、調(diào)整設(shè)備配置等可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本；采用先進(jìn)的控制算法和人工智能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化控制。這些優(yōu)化方案可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的生產(chǎn)和管理效果。

　　據(jù)了解，該企業(yè)在實(shí)施數(shù)字孿生虛擬工廠建設(shè)后取得了顯著的效果：1）通過優(yōu)化生產(chǎn)過程和設(shè)備配置，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率的大幅提升；2）通過減少浪費(fèi)和損失、降低維修成本等措施，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)成本的降低；3）通過優(yōu)化工藝參數(shù)和提高自動(dòng)化水平，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性；4）通過快速響應(yīng)市場需求變化和客戶需求變化，提高了企業(yè)的市場響應(yīng)速度。

　　（本文綜合整理自百度文庫、數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室）

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