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數(shù)字孿生工廠構建需解決三個關鍵問題

      構建數(shù)字孿生工廠的方法框架及六個階段步驟包括規(guī)劃、設計、建設、控制、升級以及再造。在工廠全生命周期的不同階段各有其特定的方法和模型。本文將圍繞數(shù)字孿生工廠的“規(guī)劃”、“控制”和“再造”三個關鍵階段展開討論。

      數(shù)字孿生的實現(xiàn)是充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。數(shù)字孿生工廠作為與現(xiàn)實世界中物理實體完全對應和一致的虛擬模型，可實時模擬自身在現(xiàn)實環(huán)境中的行為和性能，實時虛擬現(xiàn)實環(huán)境迭代交互，以優(yōu)化生產(chǎn)要素資源配置和生產(chǎn)控制過程。

      在數(shù)字孿生工廠的規(guī)劃階段，首先，需要設計一種數(shù)字孿生模型，為工藝規(guī)劃和流程分析構建數(shù)字孿生。其次，對已有的歷史數(shù)據(jù)以及計劃采集的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供采集和處理的方法，用于構建形式化的孿生模型。第三，需要給出利用數(shù)字孿生模型指導規(guī)劃的方法。最后是基于特定的工業(yè)情境，比較新的數(shù)字孿生方法與傳統(tǒng)的規(guī)劃方法的差異，包括規(guī)劃成本和規(guī)劃效率等方面。

       規(guī)劃階段的數(shù)字孿生工廠需要解決的關鍵問題，是在制造業(yè)情境下設計一種普適性較高、應用門檻較低的數(shù)字孿生方法與模型，結合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的信息技術，提高規(guī)劃分析的效率，降低規(guī)劃階段的分析成本。

       如果基于傳統(tǒng)的仿真技術、方法和平臺構建數(shù)字孿生工廠，是存在較多條件限制的，比如對使用者素質要求很高，需要很長時間才能培養(yǎng)和建立一個熟練運用的團隊;項目執(zhí)行需要現(xiàn)場生產(chǎn)和管理部門提供合作，且現(xiàn)場研究和仿真建模的工作周期很長;很多仿真變量數(shù)據(jù)不能被有效收集; 一個仿真場景只能用于特定情況，而在業(yè)務環(huán)境發(fā)生變化時需要重新構建模型。以上問題導致在很多情境下，傳統(tǒng)仿真所需要的成本大于其收益，也是制約數(shù)字孿生工廠構建的主要挑戰(zhàn)。

生產(chǎn)控制階段需要解決的問題

       生產(chǎn)控制階段的數(shù)字孿生工廠，首先，需要一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和機器學習構建數(shù)字孿生的方法，以適應生產(chǎn)環(huán)境的不斷變化。其次，需要具體的數(shù)字孿生控制結構框架，包括基本步驟、訓練算法和關鍵評價指標。再次，需要考慮到制造業(yè)環(huán)境的特殊性，解決在制造工業(yè)情境下用機器學習構建數(shù)字孿生面臨的問題，如制造工業(yè)的數(shù)據(jù)維數(shù)高、時間序列數(shù)據(jù)對齊性高、時間序列數(shù)據(jù)時間滯后等。最后，需要提出將數(shù)字孿生在工廠生產(chǎn)系統(tǒng)上在線部署的方法，并通過案例驗證數(shù)字孿生方法對生產(chǎn)控制優(yōu)化的有效性。

       生產(chǎn)控制階段的數(shù)字孿生工廠需要解決的關鍵問題，是構建生產(chǎn)控制優(yōu)化的數(shù)字孿生的方法，以及設計一種在工業(yè)大數(shù)據(jù)情境下，基于已有的機器學習算法理論，進行模型訓練、模型評價和模型反饋生產(chǎn)控制的數(shù)字孿生模型框架。

       但問題仍然存在，由于工業(yè)大數(shù)據(jù)維度過大和數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度過快，目前仍然鮮見基于機器學習的生產(chǎn)控制數(shù)字孿生框架模型的研究。傳統(tǒng)生產(chǎn)控制優(yōu)化方法的建模通常是單一過程，是一次性的知識輸出，而數(shù)字孿生方法是物理制造工廠和虛擬數(shù)字工廠之間的連續(xù)交互過程。

       在數(shù)字孿生框架中，虛擬數(shù)字工廠模型將不斷地從物理生產(chǎn)線收集實時數(shù)據(jù)，并使用實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行模型培訓、模型驗證、模型更新，并最終反饋給真實工廠，以實現(xiàn)生產(chǎn)控制目的。在現(xiàn)實世界中，物理工廠將根據(jù)虛擬工廠模型的仿真和優(yōu)化結果進行生產(chǎn)。隨著大量工業(yè)數(shù)據(jù)被采集，考慮實體工廠已經(jīng)存在的大量原始數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)挖掘技術目前仍不能很好地處理大數(shù)據(jù)用于智能生產(chǎn)控制，當前的數(shù)字孿生應用很可能出現(xiàn)嚴重信息過載問題。

流程再造階段需要解決的問題

       流程再造階段的數(shù)字孿生工廠，首先，以通過定量分析提升傳統(tǒng)方法的準確性和有效性為目標，設計數(shù)字孿生模型框架。其次，基于數(shù)字孿生仿真模型和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，結合價值流圖等傳統(tǒng)的精益管理方法，為生產(chǎn)流程的優(yōu)化設計基于數(shù)字孿生的精益方法。再次，在中小型制造業(yè)和傳統(tǒng)制造業(yè)的情境下，給出數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)采集和建模方法。最后，通過具體制造業(yè)情境下的案例進行檢驗，討論基于數(shù)字孿生方法提升傳統(tǒng)精益方法精確度和可行性的效果。

       流程再造階段的數(shù)字孿生工廠需要解決的關鍵問題，是結合價值流圖等傳統(tǒng)精益管理理論，構建在制造業(yè)情境下基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)流程再造方法，以及設計能夠提升傳統(tǒng)流程再造精確度和可行性的數(shù)字孿生模型。

       無論是重建工廠還是工廠改造，規(guī)劃、生產(chǎn)控制和流程再造始終是制造企業(yè)全生命周期中最核心的、關聯(lián)知識密度最大的三個階段。只要做好了初期的工廠規(guī)劃，解決生產(chǎn)控制優(yōu)化的準確模型和時效性問題，以及流程再造階段精益方法的精確度和可行性問題，將可以極大地降低企業(yè)生產(chǎn)線建設成本、節(jié)省工廠固定投資、加快產(chǎn)品投產(chǎn)和上線時間，并有助于企業(yè)生產(chǎn)線在未來運行的平衡和高效。