虛擬工廠是將實體工廠映射過來，具備仿真、管理和控制實體工廠關鍵要素功能的模型化平臺。數(shù)字孿生技術將虛擬工廠的概念不斷深入，利用物聯(lián)網技術和監(jiān)控技術加強信息管理服務，通過合理計劃排程，提高生產過程可控性、減少生產環(huán)節(jié)的人工干預，構建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的智能化工廠。
數(shù)字孿生工廠整體解決方案主要圍繞制造業(yè)務鏈展開，包括研發(fā)設計環(huán)節(jié)的三維仿真驗證、虛擬調試與裝配，產線裝備的故障監(jiān)測分析、預測性維護、健康性診斷等，生產過程環(huán)節(jié)的調度優(yōu)化、質量分析、在線統(tǒng)計、生產控制，以及車間與工廠的供應鏈優(yōu)化、人員管理、能耗監(jiān)測等，通過數(shù)字孿生與數(shù)據(jù)智能，整體實現(xiàn)自動化裝備、數(shù)字化車間、智能化工廠。
為構建具有“全面感知，設備互聯(lián)，數(shù)字集成，智能預測”等特征的智能工廠運行體系,以實際市面上工廠級數(shù)字孿生平臺為例，介紹平臺架構與設計理念。針對傳統(tǒng)工廠/車間管控系統(tǒng)缺乏智能決策等問題,實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的智能工廠總體架構和虛實集成的信息系統(tǒng)實時監(jiān)測集成模型。創(chuàng)建基于數(shù)字孿生的工廠管控系統(tǒng)在物理工廠的實時監(jiān)測、高度自動化等功能,實現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)與物理工廠兩方面虛實集成,結合虛擬仿真系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網等技術在數(shù)字孿生系統(tǒng)中的應用，逐步實現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的信息集成框架，集成接口等解決方案。最后通過個性化定制的模型車總裝車間數(shù)字孿生應用案例，實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的虛擬生產系統(tǒng)具有可視化、實時性、可操作性及可協(xié)作性等功能。
為積極推進數(shù)字孿生技術研究、標準制定、應用創(chuàng)新、建設推廣等相關工作，工業(yè)4.0研究院牽頭發(fā)起數(shù)字孿生體聯(lián)盟，加快數(shù)字孿生技術在制造業(yè)領域的快速發(fā)展。其中以孿數(shù)科技自主研發(fā)的Twinverse數(shù)字孿生技術平臺為例（架構如圖1所示），對數(shù)字孿生平臺的原生架構進行介紹。
圖1 數(shù)字孿生平臺架構
Twinverse是數(shù)字孿生PaaS平臺，架構分成了3層，其中設備信息的接入、視頻流的接入、多源系統(tǒng)的接入、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與傳輸?shù)龋瑯嫵闪似脚_的邊緣采集層，為平臺提供數(shù)據(jù)整合治理服務；多源異構數(shù)據(jù)處理、二三維數(shù)據(jù)庫搭建、空間內容服務、三維可視化渲染等技術為平臺層提供數(shù)據(jù)交換機制以及孿生體服務，其中平臺層分兩層，上層是各數(shù)字孿生相關的技術，下層以K8s資源納管/編排為核心的云原生技術組件；而應用層包含了當前主流的人機交互技術，包括電腦、平板、VR/AR、手機小程序等，讓用戶不需要去到工廠現(xiàn)場，也能通過人機交互設備一覽整個工廠的運行狀態(tài)以及工廠工藝和設備的細節(jié)。
數(shù)字孿生平臺采集融合了多類數(shù)據(jù)信息（圖2），其類型分為空間、非空間兩類，數(shù)據(jù)源分為物理世界與數(shù)字世界兩類，形象描繪了數(shù)據(jù)融合特點。第一象限為物理世界中的二維（非空間）數(shù)據(jù)，包括從物理信息系統(tǒng)與傳感器中讀取到的信息，用于數(shù)據(jù)驅動以及監(jiān)控分析；第二象限為物理空間中的三維（空間）數(shù)據(jù)，用于搭建三維數(shù)字鏡像以及空間標注；第三象限為數(shù)字空間中的非空間數(shù)據(jù)，多為與業(yè)務相關的數(shù)據(jù)，用于待定業(yè)務需求的報表與匯總；第四象限為數(shù)字空間中的三維（空間）數(shù)據(jù)，用于設備模型的導入以及復雜工藝的標注與拆解。
圖2 數(shù)字孿生多源數(shù)據(jù)空間模型
工廠在信息化發(fā)展過程中，已有很多管理信息系統(tǒng)，例如MES、WMS、DCS、ERP、PLM等，它們對二維信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行集成，有效地提高了工廠的供應鏈管理、全生命周期管理、產品質量管理、成本管理、運維效率管理、人力資源管理等多方面的績效。然而“信息孤島”的缺點也暴露無遺，數(shù)據(jù)冗余及不一致導致溝通不通暢，可能會增加設計時間、工作量以及返工成本。因此利用數(shù)字孿生將這些業(yè)務信息集成到一起，基于模型的功能來定義、模擬、驗證、優(yōu)化和可視化生產過程，使數(shù)字孿生平臺更具敏捷性，開放靈活的適應所有類型用戶的需求，并融合智能分析算法，優(yōu)化工廠運營，為工廠提供一個可觀、可管、可查、可優(yōu)的一個綜合性系統(tǒng)平臺。
工業(yè)互聯(lián)網是智能制造系統(tǒng)進一步離散化、結構與重構，實現(xiàn)海量工業(yè)要素的泛在鏈接、彈性供給、高效配置，構建機遇與海量工業(yè)大數(shù)據(jù)采集、匯聚分析的服務體系，形成新的工業(yè)生態(tài)。
企業(yè)級數(shù)字孿生平臺可對接工業(yè)互聯(lián)網平臺，利用云端機理模型和仿真算法進行虛擬調試、測試；將 PLC 和虛擬三維模型的點位進行關聯(lián)，解析PLC程序；設置初始運動步驟與變量參數(shù)，進行數(shù)據(jù)和信號的實時交換設置等工作。通過OPC UA 協(xié)議，可以連接到任何 OPC UA Server，與PLC組態(tài)實現(xiàn)對接。按照設備運動邏輯，一步步實現(xiàn)虛擬還原，通過控制虛擬設備真實展示PLC控制邏輯，對產線布局、工藝進行仿真模擬和優(yōu)化，實現(xiàn)零成本試錯，減少物理樣機的制造成本。
按照真實工廠布局與工藝流程，通過建立設備的三維模型，可將工廠內每一個作業(yè)設備按空間屬性映射到三維平臺中。并運用裝配、動畫等方式模擬零部件的運動方式，再通過對接現(xiàn)實工廠PLC指令數(shù)據(jù)驅動模型按照真實場景運動，實現(xiàn)對物理世界工廠的動態(tài)數(shù)字還原。
與此同時，通過對工廠MES系統(tǒng)、物聯(lián)網中臺、庫存管理系統(tǒng)、ERP等系統(tǒng)集成，將設備的實時數(shù)據(jù)、關鍵工藝節(jié)點的動態(tài)數(shù)據(jù)、設備采購訂單數(shù)據(jù)等按照空間熟悉綁定到對應設備模型和節(jié)點上。通過點擊單個設備，可顯示對應設備的詳細信息（圖3），包括但不限于設備參數(shù)、運行狀態(tài)采購信息與溫度、濕度等其他IoT數(shù)據(jù)，以便管理者對工廠設備資產進行可視化管理，對作業(yè)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，對歷史和異常數(shù)據(jù)進行回溯和分析的功能。得益于實時渲染技術，真實設備的任何狀態(tài)變化都可以實時反饋至虛擬模型，實現(xiàn)1:1真實還原的動態(tài)映射，甚至連設備的倒影都能精準還原，做到精細且毫秒級的資產可視。
圖3 數(shù)字還原
全景漫游是指通過人機交互設備，在數(shù)字孿生平臺上查看工廠車間的運行情況，在電腦設備上操控鼠標和鍵盤可360°在3D場景中切換視角，進行場景的切換、俯視、平視、旋轉等基本操作，無死角查看工廠各個區(qū)域的情況。
也可以通過自動漫游模式（圖4）實現(xiàn)遠程運維，即通過預先定義的路線，系統(tǒng)可自動飛行巡檢工廠運行狀態(tài)，漫游至重點設備時，會自動彈出巡檢員比較關心的數(shù)據(jù)，從而代替廠區(qū)內的人力巡檢，提高巡檢效率，節(jié)約人力成本。
圖4 工廠虛擬漫游
智能發(fā)現(xiàn)問題在管控平臺主要分為顯性問題發(fā)現(xiàn)和隱性問題挖掘。顯性問題發(fā)現(xiàn)可通過生產過程清晰的狀態(tài)感知，包括：車間生產過程中的設備工況、生產節(jié)拍、過程實況、物料信息、人員操作、能耗變化、產品質量和安全環(huán)境等狀態(tài)的實時感知。隱性問題挖掘主要基于數(shù)字孿生的智能車間，通過應用大數(shù)據(jù)及生產系統(tǒng)模型，建立多級指標連接響應機制，及時模擬生產情況，借助虛實對照，實現(xiàn)流程差異反饋和歷史環(huán)節(jié)追溯。主要有以下幾方面的應用。
（1）通過KPI看板監(jiān)控業(yè)務管理問題。
①效率看板：通過設備開機率、有效利用率、資源調度效率、人員績效分析、異常處理響應效率綜合展示車間生產效率問題和訂單執(zhí)行進度，輔助管理層開展短期調整和長期優(yōu)化工作，監(jiān)控業(yè)務管理。
②質量看板：聚焦工件質量問題信息，實時把控工件質量趨勢數(shù)據(jù)，奠定質量優(yōu)化基礎，并且以項目為單位開展交付產品質量管控工作，監(jiān)控業(yè)務管理。
③風險看板：通過識別異常信息結合歷史數(shù)據(jù)分析識別當前項目風險，支持定位到具體的風險預示指標，如項目質量風險、項目成本風險、項目進度風險，監(jiān)控業(yè)務管理。
在工廠生產過程中設備、系統(tǒng)、資源出現(xiàn)異常時警報，使用紅色及橙色醒目標識在三維場景中閃爍，并關聯(lián)位置信息和伴有語音提醒。點擊異常位置的標識，彈出異常信息卡片展示異常描述，并有一鍵查詢關聯(lián)信息功能，為用戶提供客觀的異常相關信息，快速定位可能造成異常的原因?？蓱糜诩庸ぴO備實時數(shù)據(jù)和產線狀態(tài)監(jiān)控，以及業(yè)務管理監(jiān)控。
面對生產過程精確建模，并對相關結構部件進行精簡優(yōu)化，幫助發(fā)現(xiàn)問題的同時通過虛實交互解決問題，可應用設備/產線/車間建模、精簡結構部件、合并優(yōu)化場景數(shù)，監(jiān)控業(yè)務管理。
在發(fā)生事件與異常之后，可通過歷史數(shù)據(jù)回溯模擬過去一段時間內的工廠設備運行狀態(tài)信息，同時也支持歷史攝像的回放畫面融合。通過回溯輔助分析事件原因，幫助工廠中產線與設備優(yōu)化到最佳運行狀態(tài)。
通過數(shù)據(jù)可視化建立一系列智能決策模型，能夠實現(xiàn)對當前狀態(tài)的評估，對過去發(fā)生問題的診斷以及對未來趨勢的預測。從業(yè)務層面提供全面、精準的決策依據(jù)，從而形成“感知—預測—行動”的智能決策支持系統(tǒng)。智能決策主要應用于通過信息節(jié)點數(shù)據(jù)和三維模型提升系統(tǒng)管控能力。例如：
（1）通過信息節(jié)點數(shù)據(jù)提升系統(tǒng)管控，實現(xiàn)訂單生產進度的實時追溯；實現(xiàn)生產計劃相關數(shù)據(jù)查看，如物料、刀具、工裝需求計劃等信息。
（2）通過三維模型提升系統(tǒng)管控，實現(xiàn)生產過程三維模型的真實模擬加工運動，物料的運送都與真實場景實現(xiàn)1:1還原；生產制造訂單的每個工件都可實現(xiàn)制造記錄追溯。
通過數(shù)字孿生搭建一套培訓系統(tǒng)，讓學員快速接觸到工廠各個應用場景，提供實操機會以及操作指導，學員可24小時任意時間線上培訓，加快提高技能水平的同時，避免了線下培訓日程難預約，以及產生的差旅費用。培訓場景主要應用于：
（1）基于模型的裝配指導，在線解析產品三維模型其樹狀結構，通過產品爆炸圖的形式標注各零配件信息，動畫演示裝配順序。
圖5 VR裝配
（2）VR實操練習，通過佩戴VR設備，可沉浸式地進入到工廠內部，對廠房樣貌以及產線生產情況進行了解?？赏ㄟ^控制VR手柄（圖5），基于裝配流程SOP提示，一步一步地練習操作。（來源智造苑）
