白皮书｜数字孪生工厂：成就智能制造的未来

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前言
目前我国已经进入“技术+应用”的数字孪生双驱动时代，在市场需求和国家政策的推动下，各地因地制宜发展数字孪生技术，深入开展数字孪生应用建设。今天我们就重点来聊一聊数字孪生技术在工厂中的应用，希望通过本次案例的深度剖析和成果分享，能为数字孪生技术应用在千行百业中落地生根提供参考与借鉴。
一、为什么要打造数字孪生工厂

随着国家新基建政策的推进，以 5G、IoT、云计算、大数据、人工智能为代表的新一代信息技术蓬勃发展并推动着城市管理向数字化、网络化、智能化转变。3D 可视化结合云计算数据分析和物联网技术融入于数字孪生当中，已逐渐延伸到城市、交通、工业等应用领域。
在工业生产领域，2021 年工信部发布了《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》和《“十四五”智能制造发展规划》。规划中明确提出，到 2025 年信息化与工业化在更广范围、更深程度、更高水平上实现融合发展，新一代信息技术向制造业各领域加速渗透，制造业数字化转型步伐明显加快。到 2025 年规模以上制造业企业大部分实现数字化网络化，重点行业骨干企业初步应用智能化；到 2035 年，规模以上制造业企业全面普及数字化网络化，重点行业骨干企业基本实现智能化。
在技术的更新迭代和国家政策的推动下，数字孪生技术在工业领域中成为生产的宠儿，并不断蓬勃兴起。
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图片来源：易知微数字孪生世界白皮书2023
二、如何打造数字孪生工厂？
——以数孪云某数字孪生智慧工厂运营管理系统建设为例：
（一）建设背景：
传统制造业企业面临多方困境，如人口红利削减，劳动力成本上升；原材料成本上升，利润减少；效率低下，生产效率低，产品质量下降，品控管理难；渠道信息传递慢、库存资金积压等。突破重围的必经之路，就是进行数字化转型。随着智能工厂中国制造 2025 战略的提出，越来越多的制造企业开始向智能工厂转型。在当下工业 4.0、工业互联网、物联网、数字孪生等热潮下，给转型提供了很好的技术支撑。
（二）解决方案
数孪云自主开发的数字孪生智慧工厂运营管理系统，是通过倾斜摄影、BIM 等数据对厂区整体面貌和生产线进行精细化 1:1 三维建模，打造工厂车间场景展示、流程工艺展示、地图综合管理、人员管理、智能运输管理、监控管理、告警管理、设备管理、库存管理为一体的综合管理平台。融合工厂平台数据，为工厂车间提供全要素、全场景、全周期的工厂运行管理服务。做到人、设备、车间、工厂一屏统览，一键掌控。方便车间管理者更加清晰直观地看到车间内部的生产运营状态以及生产运营数据，同时也为车间管理者能够及时洞察车间内所有设备的运行状态提供保障，当发生异常时可及时采取相应的措施。
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图片来源：易知微数字孪生世界白皮书2023
（1）难点分析
该智慧工厂运营管理系统建设存在如下难点：
一是数据采集和建模难度大。工厂中数据分析的维度比较广，包括性能、产能、能耗、质量、效率等。每个维度涉及的环节也很多，数据采集和建模的难度比较大。
二是数据治理挑战。由于数据分散在各子系统，数据口径不一致，数据颗粒度粗、更新频率低等问题。导致有数据不能用的问题，需要通过人工整理或二次处理才能进行利用。
（2）思路建设
搭建工厂级/车间级的数字孪生虚拟管控系统，基于对数字孪生虚拟仿真与物理工厂两方面的虚实集成，达成车间生产管理的可视化、实时性、可操作性及可协作性的目标期望。
该项目主要围绕以下建设思路进行：
1.生产过程模拟仿真。通过对生产过程进行仿真，搭建数字孪生场景，特别是对重点生产流水线及工艺流程进行高精度模拟。依据获取的实时数据驱动虚拟生产线运动并显示实时业务数据，实现可视化生产线的设备状态和建议。
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图片来源：易知微数字孪生世界白皮书2023
2.数据集成与可视化。以生产线流程或关键设备为单元,采用信息面板、数据标签及数据图表等方式对车间的生产数据进行展示,实现生产数据可视化，实时监控生产数据。
3.系统运行平台建设。通过厂区运行环境和用户需求的结合，为用户搭建一套支撑系统正常运行的平台需求。包括整体概况浏览，生产计划、库存、运输、设备、能耗管理以及反向控制等，帮助用户实实在在解决生产问题。
（3）应用建设
该项目主要针对以下场景进行应用建设：
1.生产过程孪生总览
通过对整个厂区以及车间内的各类设备、设施进行三维建模 , 真实还原设备排布、工艺过程 , 实现车间内生产过程全流程孪生 , 达到设备级、模块级、系统级的孪生层级。真实复现设备设施外观、结构、运转详情。
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图片来源：易知微数字孪生世界白皮书2023
2.多信息系统集成管理
对车间所有不同厂家提供的信息化单元进行融合汇集管理，在 3D 孪生工厂实时采集各种不同框架的数据信息，汇集成统一集中展现模式数据接入、管理和关联展示分析，实现“ 一个立体页面多个信息化系统”管控，让维护人员实现“一人多机管理”打通信息孤岛，大幅提升工作效率。
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图片来源：易知微数字孪生世界白皮书2023
3.生产监控
孪生场景与视频实况进行关联性对照验证，辅助研判。实况视频与智能分析结果关联互动。针对发生异常、告警的生产环节、设备进行视频实况智能关联，支持安防、安全生产巡查，实现视频的自动巡更。
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4.库存管理
支持集成物料和设备管理系统数据，对货物和设备编号、进入时间、库存余量等详细信息进行实时查询，从物料和设备采购、生产、剩余库存全生命周期的管控，辅助管理者提高对物料和设备堆放场地监管力度，降低物料和设备管理成本。
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5.能耗管理
接入厂区内水、电、气等能源能耗各子系统数据，对生产运行中的能耗态势进行实时监控 , 对能源调度、设备运行、环境监测等要素指标进行多维可视分析 , 支持能耗趋势分析、能耗指标综合考评 , 帮助管理者实时了解厂区能耗状况 , 为资源合理调配、厂区节能减排提供有力的数据依据。
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6.数字孪生双向控制
数字孪生工厂和物理实体工厂之间双向传递生产过程数据和指挥控制数据，如生产设备数据、测量仪器数据、指挥控制数据等，物理工厂和数字工厂之间关联映射和匹配，指挥控制数据实现了智能决策的系统反馈。
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（4）建设成果
本项目主要取得了以下成果：
一是有利于提高工厂生产效率、提高生产质量，降低企业成本，营造安全的生产环境，保持生产的可持续性；
二是通过各业务系统数据集成，并持续分析，帮助工厂管理者优化纠正生产性问题；
三是通过运营管理平台的预测、监管，帮助工厂管理者识别生产中的人为、机器或环境等因素。提高生产质量和生产效率。优化生产流程。
四是实现了生产流程的优化和自主控制，更多的是加强了企业的领先地位，从而提高企业的竞争力和创新力，不断推动企业发展。
三、小结
数字孪生在工厂领域的赋能，可以让工厂实现降本增效，让生产流程和管理流程都更加优化，对企业地位的提高和实力的增强有很大的促进作用。数字孪生技术是未来智能制造的核心技术，是实现制造业智能化升级的利器！

以上内容来源于《数字孪生世界白皮书（2023版）》
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