基于數字主線和數字孿生技術的生產過程安全預防系統生命周期應用

范春雷　任行敏　李國富　安昆

摘 要：目前，信息技術在各行業的深度應用引發了傳統模式的變革。本文主要介紹利用數字主線和數字孿生技術，實現現實物理空間與數字虛擬空間的映射，并在這種映射關系上對生產過程安全預防系統生命周期內涵、模擬與驗證等業務進行研究。結合生產過程安全預防系統生命周期架構，給出生產過程安全預防系統生命周期中的應用思路，提升生產過程安全預防的精準化與智能化水平。

關鍵詞：數字主線;數字孿生;系統生命周期

中圖分類號：TP311.52文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0040-03

借鑒國際先進的數字主線和數字孿生技術，結合生產過程安全預防系統生命周期架構，構建從企業安全生產規劃到安全生產預防系統生命周期頂層設計、研發、運行、修正、維護、再生的生產過程安全預防系統生命周期全過程的數字主線，即一方面以量化指標貫穿企業管理、生產組織管理到控制執行的系統業務層級，另一方面對生產過程安全預防系統生命周期業務過程中的工藝、生產組織、設備機具、操作技能、績效考核等生產管理要素進行指標選取建模、數字化仿真，最終對數字主線開展基于安全生產大數據的分析與優化。基于數字主線和數字孿生可以實現生產系統模型的連續傳遞，持續驗證生產過程安全預防系統生命周期，解決生產過程中突出風險和事件的辨識、準備、監測、評估、判定、決策、預警、處置、救援和恢復等問題，實現安全生產雙重預防機制的信息化、智能化、精準化動態管理，不斷驅動企業安全生產保障能力和安全韌性的持續提升。

1 數字主線及數字孿生

1.1 數字主線

數字主線（Digital Thread）是由Kraft提出的一種可擴展、可配置的企業級分析框架。在整個安全預防系統生命周期中，通過提供由分散數據轉換而來的可操作信息來幫助各個層級的管理者采取合理決策。數字主線可加速生產管理數據、信息和知識之間的相互作用，并允許在能力規劃和分析、初步設計、詳細設計、制造、測試及維護采集階段動態實時評估產品在當前和未來提供決策的能力。可提供一個集成的復雜組織體視角，充分利用各類技術數據、信息的無縫交互與集成分析，實現對生產過程存在的固有安全風險進行實時分析與動態評估，加強對系統性能的邊界和不確定性的定量分析和確認，有效支持系統生命周期中關鍵決策點的決策，以及大幅降低復雜系統開發生命周期各階段迭代的時間。

數字主線的特點包括兩個方面：首先，全部元素建模定義、全部數據采集分析、全部決策仿真利用數字主線和數字孿生技術實現生產過程安全預防系統管理評估;其次，能量化并減少系統中的各種不確定性，實現需求的自動跟蹤、系統的快速迭代、系統過程的穩定控制和維護的實時管理。

1.2 數字孿生

數字孿生（Digital Twin）是由美國Grieves教授于2003年在密歇根大學的產品全生命周期管理課程上提出的[1]。

數字孿生是對安全生產預防系統生命周期的高級仿真，由數字主線技術作為中間映射環節，具有規模性、互操作性、抽象性、保真性和可擴展性等特征。首先，數字孿生技術在外形和時態上復現了安全生產預防系統生命周期，使企業的現實生產系統與虛擬的數字孿生系統相互映射、實時交互。其次，數字孿生能反映現實生產系統的細微之處，減少細節的丟失。最后，數字孿生還不斷積累和擴展相關知識，具備自我診斷和修復的能力。

因此，數字孿生是模型、數據、映射集，而數字主線是方法、線索、映射，數字主線為數字孿生提供訪問、整合和轉換能力，并解決系統的安全生產預防系統生命周期業務過程的數字空間和物理空間信息的雙向共享、交互和全面追溯。

2 基于生命周期的生產過程安全預防系統的構建

2.1 系統生命周期

生命周期應用很廣泛，其基本含義可以通俗地理解為“從搖籃到墳墓”（Cradle-to-Grave）的全過程，即從企業生產系統的策劃設計階段到生產系統的拆除報廢階段。生命周期是本義的延伸和發展，是各種客觀事物的階段性變化及其規律。應用數字孿生技術可以提前在虛擬仿真環境中解決現實生產環境中可能出現的問題，形成現實生產系統的虛擬備份，并在此虛擬系統中采用多種算法對系統的性能進行優化。

2.1.1 系統生命周期的定義。從生產過程中涉及安全管理的“人、機、環、管”復雜業務系統生命周期中，重點從生產組織管理、設備運行管理、人事教育管理三個業務系統生命周期，給出生產過程安全預防系統生命周期規劃（需求）、研發、確認、發布、實施、考核、修正、再生情況的定義。

2.1.2 系統生命周期的內容。在企業特有的生產過程安全預防系統生命周期基礎上構建系統生命周期業務架構（如圖1所示），完成系統生命周期業務過程及其支撐系統生命周期的離散狀況，轉變為系統生命周期全過程及其支撐系統生命周期的無縫集成的系統生命周期，其業務架構分為三個層次。

第一，在企業管理層，主要是對企業的作業環境、生產目標、運行現狀進行初步調查，根據企業目標和發展戰略，對建設新生產系統的安全預防系統生命周期需求做出分析和預測，制定頂層的安全預防系統生命周期需求計劃書。根據系統的性能需求，策劃并提出備選方案，并組織相關技術人員對備選方案進行可行性分析，提出可行性分析報告。可行性報告審議通過后，組織編制安全預防系統生命周期構建計劃書。然后，再委托專業安全服務機構對現行安全預防系統生命周期進行詳細調查，具體描述其業務流程，指出現行系統的優勢和缺陷，優化新系統的安全預防系統生命周期基本目標和功能要求。最后由專業服務機構完成邏輯模型的技術方案，即設計新系統生命周期的物理模型和系統設計與運行說明書，并最終由企業最高管理者確認后發布實施并組織考核與修正。

第二，在生產管理層，依據系統仿真、系統運行保障管理，形成符合研發要求的、真實可靠的安全預防系統。該層級的主要任務是做好系統生命周期的導入工作，主要內容包括系統程序的編寫和調試，數據變送，人員培訓，設備購置、安裝和調試，安全預防系統生命周期的調試與轉換等。該階段的特點是多個不同環節互相聯系、互相制約的各種工作任務同時開展，需要精心組織安排專業人員協同工作。安全預防系統生命周期實施是按實施計劃分階段完成的，每個階段應出具實施進度報告，以便對系統的建設進行監控。最后系統完成測試后務必要提交系統測試分析報告。

第三，在控制執行層，主要任務是依據系統生命周期運行的過程感知、過程監測和過程控制，實現系統狀態信息采集和互聯互通，完成支持系統生命周期中物理層各項業務及其過程的系統生命周期運行工作。

2.2 系統生命周期總體架構構建

該系統生命周期在整個企業管理過程中并不是一個獨立存在的系統生命周期，其具有獨立性、交叉性及綜合性的特征，是一個具有目標特征、管理特征、實踐特征的綜合性系統。因此，在設置時，應充分考慮整體性、多系統生命周期并存的特征。

系統生命周期總體架構主要包括企業管理層、生產管理層和控制執行層等三個業務層，以及這三層所包含的主體要素、主要功能、核心業務，還有各業務層要素和功能之間的相互關系（如圖2所示）。

企業管理層涉及系統生命周期的需求與研發、確認與發布、實施與考核及修正與再生等管理;生產管理層涉及系統生命周期仿真、系統生命周期運行保障管理;控制執行層涉及系統生命周期運行的過程感知、過程監測和過程控制。

3 系統生命周期架構應用思路

3.1 基于數字主線的數字孿生

在虛擬環境中運行安全預防系統生命周期，使系統生命周期的數字空間模型和物理空間模型同步運行，數據實現同步交互，并能及時對彼此的動態變化做出響應，是構建安全預防系統生命周期的重要工作。安全預防系統生命周期的核心是采用數字孿生和數字主線技術對系統生命周期業務過程進行無縫集成、改進優化。基于生產過程中的生產組織管理、設備運行管理、人員技能管理的虛擬數字模型來定義、執行、控制和管理企業生產過程，并采用科學的分析工具及高效的算法，在安全預防系統生命周期的每一步做出最佳決策，從而實現系統生命周期的信息化、智能化和集約化管理。

3.2 系統生命周期應用思路

基于企業特征排查安全生產存在的固有風險隱患，建立固有風險預知數據庫，利用數字主線完成對系統生命周期的確認，對其存在的固有安全風險進行實時分析與動態評估，制訂固有風險安全預防系統生命周期業務需求計劃，通過在企業生產管理系統中引入能明確展現安全預防系統生命周期運行狀態及過程中的數字孿生和數字主線技術，實現在生產系統運行前對安全預防系統生命周期進行數字建模，形成與生產業務過程精準映射的數字模型[2]，并對數字模型進行仿真，通過過程感知、過程檢測、過程控制完成需求修正、再生系統生命周期的循環和執行，為安全生產隱患治理、大數據分析提供優化依據，最終實現生產過程安全預知、預警、處置、恢復的信息化、智能化和精準化。

4 結論

本文在生產過程安全預防系統生命周期構架基礎上，基于數字主線和數字孿生技術，強化數字化建模與虛擬仿真技術，實現對生產過程安全預防系統生命周期業務架構中每個層次中業務內容、固有風險建模、仿真分析與驗證確認，構建起橫向覆蓋生產組織管理、設備運行管理、人員操作技能管理的分析、轉化、預警、調節、再生等安全預防系統生命周期業務全過程，集成企業管理層、生產管理層、控制執行層的系統生命周期業務，提升企業生產過程安全預防實施動態監測，以及實時矯正企業安全生產行為、完成行為記憶，可推動安全生產雙重預防機制工作的智能化建設。

參考文獻：

[1]錢學森.論系統工程[M].新世紀版.上海：上海交通大學出版社，2007.

[2]張和明.制造企業的產品生命周期管理[M].北京：清華大學出版社，2006.