智能制造是中國(guó)制造業(yè)發(fā)展的前進(jìn)方向，未來(lái)制造將結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，進(jìn)一步改變了產(chǎn)品配置、生產(chǎn)計(jì)劃和實(shí)時(shí)決策，從而優(yōu)化盈利能力。智能制造里使用更多尖端的技術(shù)，例如物聯(lián)網(wǎng)將工廠里所有人、產(chǎn)品和設(shè)備連接起來(lái)，使得人類和機(jī)器能夠協(xié)同工作，從而創(chuàng)建更高效、更具成本效益的業(yè)務(wù)流程。
隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)可視化逐漸成為行業(yè)的重點(diǎn)創(chuàng)新領(lǐng)域，“數(shù)字可視化”按照生產(chǎn)調(diào)度及管理人員實(shí)際業(yè)務(wù)需要，以圖形化的方式呈現(xiàn)公司生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，多角度綜合展示公司原料經(jīng)常，裝置加工，物料庫(kù)存，產(chǎn)品出廠，能源消耗，質(zhì)量監(jiān)測(cè)，安全環(huán)保關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)等信息?！皵?shù)字孿生”的應(yīng)用大大增加了員工的工作效率，降低操作學(xué)習(xí)成本，在質(zhì)量把控和安全預(yù)警方面發(fā)揮出巨大的作用。
企業(yè)為什么需要“數(shù)字孿生”？
離散工業(yè)的研發(fā)成本普遍很高，而其中消耗最大的，是試錯(cuò)成本。傳統(tǒng)工業(yè)當(dāng)中，有人制造出一臺(tái)新設(shè)備，就必須全部造完，零部件組裝好，隨后試運(yùn)行，運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，修改是很累的，零件拆了改，改了再裝，一次次人工試驗(yàn)、動(dòng)手安裝，最終才能完成。
運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)（即實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”），能夠大幅降低研發(fā)過(guò)程中的試錯(cuò)成本。就是這臺(tái)設(shè)備無(wú)需真的“造”出來(lái)，只需把每一個(gè)零部件的材料、物理屬性、形狀大小全部輸入電腦，怎樣運(yùn)作的工作原理也輸入電腦。隨后由電腦來(lái)模擬它運(yùn)行時(shí)是什么狀況，會(huì)有哪些效果。工程師如果覺得結(jié)果不過(guò)關(guān)，可以直接在電腦里修改設(shè)計(jì)。
“數(shù)字孿生”的工業(yè)應(yīng)用，實(shí)質(zhì)上就是把現(xiàn)實(shí)中的工廠，從設(shè)備、流水線到車間，一切都轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，由電腦虛擬運(yùn)作，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)模擬結(jié)果。不滿意的部分，直接在電腦里改。如果等一切都已經(jīng)變成物理設(shè)備，成為真實(shí)的生產(chǎn)線，再提什么“數(shù)字化”，就為時(shí)已晚了。
智能制造生產(chǎn)如何構(gòu)建機(jī)器數(shù)字孿生？
構(gòu)建機(jī)器數(shù)字孿生，不僅僅是信息組織和表現(xiàn)形式的圖形化，更在于構(gòu)建過(guò)程中，是將企業(yè)的知識(shí)體系貫穿其中，信息上下游之間的背景鏈路清晰明了。而在構(gòu)建數(shù)字孿生的過(guò)程中，可以采用“雙模數(shù)字孿生”的方式，就是將幾何模型和和機(jī)理模型相互嵌套。結(jié)合不同的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維的階段，知識(shí)體系嵌入其中，最終在使用的時(shí)候，就可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)化。
01
建立物理幾何模型，對(duì)應(yīng)物理實(shí)體
構(gòu)建物理幾何模型，首先是從零配件開始。例如，一臺(tái)煙草包裝機(jī)，有1.5萬(wàn)個(gè)零件，需要一一建模，并且建立設(shè)備零部件庫(kù)。這些零部件庫(kù)的最小單位為零件級(jí)別，如螺絲、螺母。主要數(shù)據(jù)獲取方式，包括從CAD軟件、數(shù)據(jù)表以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪開始，構(gòu)建實(shí)體等比的數(shù)字化模型。
02
建立機(jī)理模型，對(duì)應(yīng)運(yùn)行軌跡
機(jī)理模型，就是要將幾何空間的零部件，跟控制系統(tǒng)的機(jī)器動(dòng)作進(jìn)行匹配。機(jī)器的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，在幾何模型都有對(duì)應(yīng)描述作。這其中，都是通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)簽，來(lái)標(biāo)識(shí)零部件的狀態(tài)，并且跟控制邏輯相對(duì)應(yīng)。例如，薄膜紙會(huì)剔除那些無(wú)法包裝的煙支和煙包。而煙支無(wú)法包裝的原因會(huì)有幾十種：薄膜褶皺、煙支重量不夠、圓周不夠圓、空投、漏氣、重量等。需要深入了解這些機(jī)理，然后將其做成模型和算法，并與幾何模型相對(duì)應(yīng)。
03
三類知識(shí)模型的構(gòu)建
第一種是設(shè)計(jì)類。要設(shè)備的設(shè)計(jì)資料出發(fā)，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，全面刻畫設(shè)備的物理屬性，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備對(duì)物理設(shè)備的真實(shí)映射，最終完成對(duì)物理設(shè)備的完全鏡像。
第二類是制造知識(shí)模型的構(gòu)建。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)全面的刻畫設(shè)備與產(chǎn)品之間的屬性，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與物理設(shè)備的數(shù)字模型真實(shí)映射。制造階段所涉及的知識(shí)按其特性可分為三類：
（1）基礎(chǔ)知識(shí)：為裝備制造企業(yè)核心數(shù)據(jù)，企業(yè)組織結(jié)構(gòu)、崗位、工種、人員、存貨檔案、固資編碼、供應(yīng)商等信息。
（2）生產(chǎn)管理知識(shí)：如生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品指標(biāo)、原材料清單、績(jī)效考核指標(biāo)等。
（3）設(shè)備知識(shí)：如供應(yīng)商、規(guī)格型號(hào)、操作說(shuō)明、操作規(guī)程等。
第三類是運(yùn)維知識(shí)模型的構(gòu)建?；谠O(shè)備服務(wù)知識(shí)模型，在采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及領(lǐng)域知識(shí)等，共同實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多維數(shù)字孿生模型構(gòu)建。建立各種故障代碼、維修對(duì)策庫(kù)，并且提前通過(guò)虛擬模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器狀態(tài)檢測(cè)、故障預(yù)測(cè)以及維修策略建議等功能。
以上三種知識(shí)模型的建立，都離不開一套表達(dá)各種物品之間關(guān)系的知識(shí)圖譜，這是構(gòu)建在行業(yè)規(guī)則之上的編碼體系，具有很強(qiáng)的支撐作用，能夠快速建立知識(shí)模型，并且用可視化的方式，將背后的知識(shí)體系表達(dá)出來(lái)。未來(lái)核心智能制造與人工智能融合，實(shí)現(xiàn)智能制造可視化，將成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的突破口。
