智能制造解決方案的探索與研究
本文介紹了一種智能制造的解決方案和途徑，在探索和研究智能制造原理、方法以及措施的基礎(chǔ)之上，提出了采用“數(shù)字化雙胞胎”模型為核心支撐的智能制造解決方案，并結(jié)合國內(nèi)制造企業(yè)現(xiàn)狀和條件，提出對傳統(tǒng)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造采取三步走的戰(zhàn)略和措施，為正在和即將進(jìn)行智能制造改造、建設(shè)的企業(yè)和技術(shù)人員提供參考和指導(dǎo)。
一、引言
全球產(chǎn)業(yè)競爭格局正在發(fā)生重大調(diào)整，發(fā)達(dá)國家紛紛實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，重塑制造業(yè)競爭新優(yōu)勢。一些發(fā)展中國家也在加快謀劃和布局，積極參與全球產(chǎn)業(yè)再分工，承接產(chǎn)業(yè)及資本轉(zhuǎn)移，拓展國際市場空間。我國制造業(yè)面臨發(fā)達(dá)國家和其他發(fā)展中國家“雙向擠壓”的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須放眼全球，加緊戰(zhàn)略部署，著眼建設(shè)制造強(qiáng)國，搶占制造業(yè)新一輪競爭制高點(diǎn)?；谛畔⑽锢硐到y(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革，引領(lǐng)我國制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。
按照“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”的相關(guān)要求，制造企業(yè)通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System) 相結(jié)合的手段，實(shí)現(xiàn)企業(yè)由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，打造智能制造企業(yè)。
由此，智能制造涉及諸多不同企業(yè)、部門和領(lǐng)域，以不同速度發(fā)展的漸進(jìn)性過程，跨行業(yè)、跨部門的協(xié)作成為必然。智能制造涉及到諸多技術(shù)，諸如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等等，但是企業(yè)要緊緊圍繞智能制造“三大主題”，包括智能工廠、智能生產(chǎn)以及智能物流建設(shè)，結(jié)合自身發(fā)展現(xiàn)狀，一步一個(gè)腳印地推進(jìn)企業(yè)智能制造落地。
本文通過智能制造解決方案的探索和研究，提出一種基于“數(shù)字化雙胞胎”模型為核心的智能制造解決方案，提供給企業(yè)建設(shè)智能制造作參考和思考。
二、智能制造解決方案
1.總體架構(gòu)
圖1是經(jīng)典的智能制造解決方案的總體架構(gòu)，以智能工廠為載體、以生產(chǎn)關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心、以端到端的數(shù)據(jù)流等為基礎(chǔ)、以全面深度互聯(lián)為支撐是智能制造的主要特征。打造生產(chǎn)企業(yè)智能制造，主要打造智能生產(chǎn)、智能物流和智能能源三個(gè)方面，但核心還是建立以智能生產(chǎn)、智能物流為依托的智能工廠。具體目標(biāo)如下：
一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；
二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。該計(jì)劃將特別注重吸引中小企業(yè)參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)的使用者和受益者，同時(shí)也成為先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)造者和供應(yīng)者；
三是“智能物流”，主要通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)，整合物流資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有物流資源供應(yīng)方的效率，而需求方則能夠快速獲得服務(wù)匹配，得到物流支持。
數(shù)字化雙胞胎是實(shí)際產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測對應(yīng)物的性能特點(diǎn)。應(yīng)用數(shù)字化雙胞胎在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中仿真、預(yù)測和優(yōu)化產(chǎn)品與生產(chǎn)系統(tǒng)。 通過結(jié)合多物理場景仿真、數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)功能，數(shù)字化雙胞胎不再需要搭建實(shí)體原型，即可展示設(shè)計(jì)變更、使用場景、環(huán)境條件和其他無限變量所帶來的影響。數(shù)字化雙胞胎采用了安裝在實(shí)際對象上的傳感器數(shù)據(jù)來確定對象的實(shí)時(shí)性能、操作條件，以及隨時(shí)間產(chǎn)生的更改。 使用這些數(shù)據(jù)，數(shù)字化雙胞胎將不斷演進(jìn)并持續(xù)更新，從而反映整個(gè)產(chǎn)品生命周期中實(shí)際對應(yīng)物的變化，在虛擬環(huán)境中打造閉環(huán)反饋，使公司能夠以最低的成本不斷優(yōu)化其產(chǎn)品、生產(chǎn)和性能。
“數(shù)字化雙胞胎”智能制造核心模型，如圖2，
模型架構(gòu)支持企業(yè)進(jìn)行整個(gè)價(jià)值鏈的整合及數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、工程組態(tài)、生產(chǎn)實(shí)施直至服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)打造一致的、無縫的數(shù)據(jù)平臺(tái)，形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)企業(yè)鏡像。涉及到數(shù)字化從業(yè)務(wù)架構(gòu)到生產(chǎn)流程等領(lǐng)域的多重需要，包括“產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎”、“生產(chǎn)數(shù)字化雙胞胎“、“工藝流程數(shù)字化雙胞胎”和“設(shè)備數(shù)字化雙胞胎”、“物流數(shù)字化雙胞胎”以及“績效數(shù)字化雙胞胎”，完整真實(shí)地再現(xiàn)了整個(gè)企業(yè)，幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，在生產(chǎn)過程中也可同步優(yōu)化整個(gè)企業(yè)流程，最終實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)、智能制造。數(shù)字化雙胞胎智能制造核心模型由以下幾個(gè)核心部分組成：
（1）信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
將物理設(shè)備連到互聯(lián)網(wǎng)上,讓物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能,實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的融合。信息物理系統(tǒng)可以將資源、信息、物體以及人緊密聯(lián)系在一起,從而創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)服務(wù)，并將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)智能基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。包括傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等。網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)之間關(guān)系，如圖3。
（2）系統(tǒng)仿真“訓(xùn)練”學(xué)習(xí)模型
仿真是是數(shù)字化雙胞胎智能制造核心模型的基石，利用三維模型和VR技術(shù)，建立研發(fā)、生產(chǎn)、工藝、物流、設(shè)備等仿真模型，利用仿真技術(shù)建立虛擬世界中與物理系統(tǒng)的映射，利用該映射展示產(chǎn)品的性能或工藝過程。模擬并監(jiān)控物理系統(tǒng)的真實(shí)使用，對物理系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估，對故障或使用問題進(jìn)行診斷，尋找根本原因。預(yù)測系統(tǒng)故障，提前制定規(guī)劃或者維護(hù)方案，優(yōu)化系統(tǒng)的使用性能，提高系統(tǒng)使用壽命。通過云計(jì)算和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，對仿真模型進(jìn)行不斷“訓(xùn)練”，達(dá)到自學(xué)習(xí)目的，形成解決方案庫，數(shù)字化雙胞胎就是類似仿真模擬一些工廠的實(shí)際操作空間（如生產(chǎn)線），真實(shí)而精確系統(tǒng)是否在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中能承受各種條件，取得成功。
（3）大數(shù)據(jù)、云計(jì)算平臺(tái)
將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過信息物理系統(tǒng)形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器、設(shè)備、系統(tǒng)、人、物等關(guān)聯(lián)對象的數(shù)據(jù)采集，通過清洗、轉(zhuǎn)換、加載等過程，建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)。云計(jì)算提供海量數(shù)據(jù)按照仿真模型模擬驗(yàn)證和數(shù)字化雙胞胎模型的計(jì)算，形成最優(yōu)的解決方案。
（4）虛擬企業(yè)“鏡像”物理企業(yè)
利用數(shù)字、統(tǒng)計(jì)、圖形、邏輯規(guī)則等元素，通過仿真感知方式，采用數(shù)字化技術(shù)手段建立企業(yè)數(shù)字化模型，包括“產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎”、“生產(chǎn)數(shù)字化雙胞胎”、“工藝流程數(shù)字化雙胞胎”和“設(shè)備數(shù)字化雙胞胎”、“物流數(shù)字化雙胞胎”以及“績效數(shù)字化雙胞胎”等，完整的實(shí)現(xiàn)企業(yè)場景、工藝流程、生產(chǎn)執(zhí)行、故障處理、物流配送、設(shè)備執(zhí)行、產(chǎn)品研發(fā)等的“畫像”。采用自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過傳感、實(shí)驗(yàn)等感知方式，完成對物理企業(yè)的驅(qū)動(dòng)、設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O、HMI、移動(dòng)控制、電機(jī)一體化工程等執(zhí)行動(dòng)作。從而實(shí)現(xiàn)虛擬企業(yè)和物理企業(yè)的互動(dòng)。通過大數(shù)據(jù)平臺(tái)對數(shù)字化雙胞胎模型的處理，不斷“訓(xùn)練”仿真模型，不斷地優(yōu)化仿真模型，充實(shí)仿真模型庫，不斷實(shí)現(xiàn)映射、監(jiān)控與操縱、診斷、預(yù)測等的閉環(huán)優(yōu)化與控制，使得整個(gè)智能制造涵蓋的主體與對象不斷的賦予智慧，從而實(shí)現(xiàn)智能制造。
三、智能制造實(shí)施路徑
目前，我國制造企業(yè)所處的行業(yè)、領(lǐng)域不同，發(fā)展程度各異，所以企業(yè)發(fā)展智能制造不能一蹴而就，而要根據(jù)所處的行業(yè)情況，自身發(fā)展階段而定，實(shí)實(shí)在在推進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型。企業(yè)在幾年數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化相互遞進(jìn)和促進(jìn)下，未來工廠會(huì)以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建虛擬模型，來模擬現(xiàn)實(shí)場景中的各種行為，通過構(gòu)建整個(gè)制造流程的企業(yè)數(shù)字化雙胞胎模型，將實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能制造，賦能企業(yè)成功轉(zhuǎn)型。由此，企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造大致分三個(gè)階段：
首先，實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化和全自動(dòng)控制，通過大量數(shù)據(jù)采集，包括工業(yè)過程數(shù)據(jù)采集以及過程數(shù)字化，工業(yè)傳感器數(shù)據(jù)采集以及設(shè)備、環(huán)境數(shù)字化，換言之也就是對場景、環(huán)境、設(shè)備、對象、過程、流程等一切數(shù)據(jù)的數(shù)字化，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“數(shù)控一代”。
其次，充分的網(wǎng)絡(luò)化，其目標(biāo)將向著充分互聯(lián)互通、高速傳輸、云端計(jì)算發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)將向著與人類大腦高度相似的方向進(jìn)化，它將具備自己的視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)，也會(huì)擁有自己的記憶神經(jīng)系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)，也就是說，互聯(lián)網(wǎng)正在形成一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)大腦。
最后，在“數(shù)控一代”的基礎(chǔ)之上，對工廠內(nèi)部、外部以及產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程的充分網(wǎng)絡(luò)化，在企業(yè)數(shù)字化雙胞胎模型的支撐下，利用云計(jì)算大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“智能一代”。
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