基于數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術(shù)的生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期應(yīng)用

范春雷　任行敏　李國富　安昆

摘 要：目前，信息技術(shù)在各行業(yè)的深度應(yīng)用引發(fā)了傳統(tǒng)模式的變革。本文主要介紹利用數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)物理空間與數(shù)字虛擬空間的映射，并在這種映射關(guān)系上對(duì)生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期內(nèi)涵、模擬與驗(yàn)證等業(yè)務(wù)進(jìn)行研究。結(jié)合生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期架構(gòu)，給出生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期中的應(yīng)用思路，提升生產(chǎn)過程安全預(yù)防的精準(zhǔn)化與智能化水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)字主線;數(shù)字孿生;系統(tǒng)生命周期

中圖分類號(hào)：TP311.52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）26-0040-03

借鑒國際先進(jìn)的數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期架構(gòu)，構(gòu)建從企業(yè)安全生產(chǎn)規(guī)劃到安全生產(chǎn)預(yù)防系統(tǒng)生命周期頂層設(shè)計(jì)、研發(fā)、運(yùn)行、修正、維護(hù)、再生的生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期全過程的數(shù)字主線，即一方面以量化指標(biāo)貫穿企業(yè)管理、生產(chǎn)組織管理到控制執(zhí)行的系統(tǒng)業(yè)務(wù)層級(jí)，另一方面對(duì)生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期業(yè)務(wù)過程中的工藝、生產(chǎn)組織、設(shè)備機(jī)具、操作技能、績效考核等生產(chǎn)管理要素進(jìn)行指標(biāo)選取建模、數(shù)字化仿真，最終對(duì)數(shù)字主線開展基于安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的分析與優(yōu)化。基于數(shù)字主線和數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)模型的連續(xù)傳遞，持續(xù)驗(yàn)證生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期，解決生產(chǎn)過程中突出風(fēng)險(xiǎn)和事件的辨識(shí)、準(zhǔn)備、監(jiān)測(cè)、評(píng)估、判定、決策、預(yù)警、處置、救援和恢復(fù)等問題，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)雙重預(yù)防機(jī)制的信息化、智能化、精準(zhǔn)化動(dòng)態(tài)管理，不斷驅(qū)動(dòng)企業(yè)安全生產(chǎn)保障能力和安全韌性的持續(xù)提升。

1 數(shù)字主線及數(shù)字孿生

1.1 數(shù)字主線

數(shù)字主線（Digital Thread）是由Kraft提出的一種可擴(kuò)展、可配置的企業(yè)級(jí)分析框架。在整個(gè)安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期中，通過提供由分散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來的可操作信息來幫助各個(gè)層級(jí)的管理者采取合理決策。數(shù)字主線可加速生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)之間的相互作用，并允許在能力規(guī)劃和分析、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試及維護(hù)采集階段動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)估產(chǎn)品在當(dāng)前和未來提供決策的能力。可提供一個(gè)集成的復(fù)雜組織體視角，充分利用各類技術(shù)數(shù)據(jù)、信息的無縫交互與集成分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程存在的固有安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與動(dòng)態(tài)評(píng)估，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)性能的邊界和不確定性的定量分析和確認(rèn)，有效支持系統(tǒng)生命周期中關(guān)鍵決策點(diǎn)的決策，以及大幅降低復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)生命周期各階段迭代的時(shí)間。

數(shù)字主線的特點(diǎn)包括兩個(gè)方面：首先，全部元素建模定義、全部數(shù)據(jù)采集分析、全部決策仿真利用數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)管理評(píng)估;其次，能量化并減少系統(tǒng)中的各種不確定性，實(shí)現(xiàn)需求的自動(dòng)跟蹤、系統(tǒng)的快速迭代、系統(tǒng)過程的穩(wěn)定控制和維護(hù)的實(shí)時(shí)管理。

1.2 數(shù)字孿生

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

數(shù)字孿生是對(duì)安全生產(chǎn)預(yù)防系統(tǒng)生命周期的高級(jí)仿真，由數(shù)字主線技術(shù)作為中間映射環(huán)節(jié)，具有規(guī)模性、互操作性、抽象性、保真性和可擴(kuò)展性等特征。首先，數(shù)字孿生技術(shù)在外形和時(shí)態(tài)上復(fù)現(xiàn)了安全生產(chǎn)預(yù)防系統(tǒng)生命周期，使企業(yè)的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)與虛擬的數(shù)字孿生系統(tǒng)相互映射、實(shí)時(shí)交互。其次，數(shù)字孿生能反映現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)的細(xì)微之處，減少細(xì)節(jié)的丟失。最后，數(shù)字孿生還不斷積累和擴(kuò)展相關(guān)知識(shí)，具備自我診斷和修復(fù)的能力。

因此，數(shù)字孿生是模型、數(shù)據(jù)、映射集，而數(shù)字主線是方法、線索、映射，數(shù)字主線為數(shù)字孿生提供訪問、整合和轉(zhuǎn)換能力，并解決系統(tǒng)的安全生產(chǎn)預(yù)防系統(tǒng)生命周期業(yè)務(wù)過程的數(shù)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(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)生命周期

生命周期應(yīng)用很廣泛，其基本含義可以通俗地理解為“從搖籃到墳?zāi)埂保–radle-to-Grave）的全過程，即從企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的策劃設(shè)計(jì)階段到生產(chǎn)系統(tǒng)的拆除報(bào)廢階段。生命周期是本義的延伸和發(fā)展，是各種客觀事物的階段性變化及其規(guī)律。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以提前在虛擬仿真環(huán)境中解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中可能出現(xiàn)的問題，形成現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)的虛擬備份，并在此虛擬系統(tǒng)中采用多種算法對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1 系統(tǒng)生命周期的定義。從生產(chǎn)過程中涉及安全管理的“人、機(jī)、環(huán)、管”復(fù)雜業(yè)務(wù)系統(tǒng)生命周期中，重點(diǎn)從生產(chǎn)組織管理、設(shè)備運(yùn)行管理、人事教育管理三個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)生命周期，給出生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期規(guī)劃（需求）、研發(fā)、確認(rèn)、發(fā)布、實(shí)施、考核、修正、再生情況的定義。

2.1.2 系統(tǒng)生命周期的內(nèi)容。在企業(yè)特有的生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期基礎(chǔ)上構(gòu)建系統(tǒng)生命周期業(yè)務(wù)架構(gòu)（如圖1所示），完成系統(tǒng)生命周期業(yè)務(wù)過程及其支撐系統(tǒng)生命周期的離散狀況，轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)生命周期全過程及其支撐系統(tǒng)生命周期的無縫集成的系統(tǒng)生命周期，其業(yè)務(wù)架構(gòu)分為三個(gè)層次。

第一，在企業(yè)管理層，主要是對(duì)企業(yè)的作業(yè)環(huán)境、生產(chǎn)目標(biāo)、運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行初步調(diào)查，根據(jù)企業(yè)目標(biāo)和發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)建設(shè)新生產(chǎn)系統(tǒng)的安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期需求做出分析和預(yù)測(cè)，制定頂層的安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期需求計(jì)劃書。根據(jù)系統(tǒng)的性能需求，策劃并提出備選方案，并組織相關(guān)技術(shù)人員對(duì)備選方案進(jìn)行可行性分析，提出可行性分析報(bào)告。可行性報(bào)告審議通過后，組織編制安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期構(gòu)建計(jì)劃書。然后，再委托專業(yè)安全服務(wù)機(jī)構(gòu)對(duì)現(xiàn)行安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，具體描述其業(yè)務(wù)流程，指出現(xiàn)行系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和缺陷，優(yōu)化新系統(tǒng)的安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期基本目標(biāo)和功能要求。最后由專業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)完成邏輯模型的技術(shù)方案，即設(shè)計(jì)新系統(tǒng)生命周期的物理模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行說明書，并最終由企業(yè)最高管理者確認(rèn)后發(fā)布實(shí)施并組織考核與修正。

第二，在生產(chǎn)管理層，依據(jù)系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)運(yùn)行保障管理，形成符合研發(fā)要求的、真實(shí)可靠的安全預(yù)防系統(tǒng)。該層級(jí)的主要任務(wù)是做好系統(tǒng)生命周期的導(dǎo)入工作，主要內(nèi)容包括系統(tǒng)程序的編寫和調(diào)試，數(shù)據(jù)變送，人員培訓(xùn)，設(shè)備購置、安裝和調(diào)試，安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期的調(diào)試與轉(zhuǎn)換等。該階段的特點(diǎn)是多個(gè)不同環(huán)節(jié)互相聯(lián)系、互相制約的各種工作任務(wù)同時(shí)開展，需要精心組織安排專業(yè)人員協(xié)同工作。安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期實(shí)施是按實(shí)施計(jì)劃分階段完成的，每個(gè)階段應(yīng)出具實(shí)施進(jìn)度報(bào)告，以便對(duì)系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行監(jiān)控。最后系統(tǒng)完成測(cè)試后務(wù)必要提交系統(tǒng)測(cè)試分析報(bào)告。

第三，在控制執(zhí)行層，主要任務(wù)是依據(jù)系統(tǒng)生命周期運(yùn)行的過程感知、過程監(jiān)測(cè)和過程控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)信息采集和互聯(lián)互通，完成支持系統(tǒng)生命周期中物理層各項(xiàng)業(yè)務(wù)及其過程的系統(tǒng)生命周期運(yùn)行工作。

2.2 系統(tǒng)生命周期總體架構(gòu)構(gòu)建

該系統(tǒng)生命周期在整個(gè)企業(yè)管理過程中并不是一個(gè)獨(dú)立存在的系統(tǒng)生命周期，其具有獨(dú)立性、交叉性及綜合性的特征，是一個(gè)具有目標(biāo)特征、管理特征、實(shí)踐特征的綜合性系統(tǒng)。因此，在設(shè)置時(shí)，應(yīng)充分考慮整體性、多系統(tǒng)生命周期并存的特征。

系統(tǒng)生命周期總體架構(gòu)主要包括企業(yè)管理層、生產(chǎn)管理層和控制執(zhí)行層等三個(gè)業(yè)務(wù)層，以及這三層所包含的主體要素、主要功能、核心業(yè)務(wù)，還有各業(yè)務(wù)層要素和功能之間的相互關(guān)系（如圖2所示）。

企業(yè)管理層涉及系統(tǒng)生命周期的需求與研發(fā)、確認(rèn)與發(fā)布、實(shí)施與考核及修正與再生等管理;生產(chǎn)管理層涉及系統(tǒng)生命周期仿真、系統(tǒng)生命周期運(yùn)行保障管理;控制執(zhí)行層涉及系統(tǒng)生命周期運(yùn)行的過程感知、過程監(jiān)測(cè)和過程控制。

3 系統(tǒng)生命周期架構(gòu)應(yīng)用思路

3.1 基于數(shù)字主線的數(shù)字孿生

在虛擬環(huán)境中運(yùn)行安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期，使系統(tǒng)生命周期的數(shù)字空間模型和物理空間模型同步運(yùn)行，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步交互，并能及時(shí)對(duì)彼此的動(dòng)態(tài)變化做出響應(yīng)，是構(gòu)建安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期的重要工作。安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期的核心是采用數(shù)字孿生和數(shù)字主線技術(shù)對(duì)系統(tǒng)生命周期業(yè)務(wù)過程進(jìn)行無縫集成、改進(jìn)優(yōu)化。基于生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)組織管理、設(shè)備運(yùn)行管理、人員技能管理的虛擬數(shù)字模型來定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)生產(chǎn)過程，并采用科學(xué)的分析工具及高效的算法，在安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期的每一步做出最佳決策，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)生命周期的信息化、智能化和集約化管理。

3.2 系統(tǒng)生命周期應(yīng)用思路

基于企業(yè)特征排查安全生產(chǎn)存在的固有風(fēng)險(xiǎn)隱患，建立固有風(fēng)險(xiǎn)預(yù)知數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)字主線完成對(duì)系統(tǒng)生命周期的確認(rèn)，對(duì)其存在的固有安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與動(dòng)態(tài)評(píng)估，制訂固有風(fēng)險(xiǎn)安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期業(yè)務(wù)需求計(jì)劃，通過在企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中引入能明確展現(xiàn)安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期運(yùn)行狀態(tài)及過程中的數(shù)字孿生和數(shù)字主線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行前對(duì)安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期進(jìn)行數(shù)字建模，形成與生產(chǎn)業(yè)務(wù)過程精準(zhǔn)映射的數(shù)字模型[2]，并對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行仿真，通過過程感知、過程檢測(cè)、過程控制完成需求修正、再生系統(tǒng)生命周期的循環(huán)和執(zhí)行，為安全生產(chǎn)隱患治理、大數(shù)據(jù)分析提供優(yōu)化依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程安全預(yù)知、預(yù)警、處置、恢復(fù)的信息化、智能化和精準(zhǔn)化。

4 結(jié)論

本文在生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期構(gòu)架基礎(chǔ)上，基于數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術(shù)，強(qiáng)化數(shù)字化建模與虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期業(yè)務(wù)架構(gòu)中每個(gè)層次中業(yè)務(wù)內(nèi)容、固有風(fēng)險(xiǎn)建模、仿真分析與驗(yàn)證確認(rèn)，構(gòu)建起橫向覆蓋生產(chǎn)組織管理、設(shè)備運(yùn)行管理、人員操作技能管理的分析、轉(zhuǎn)化、預(yù)警、調(diào)節(jié)、再生等安全預(yù)防系統(tǒng)生命周期業(yè)務(wù)全過程，集成企業(yè)管理層、生產(chǎn)管理層、控制執(zhí)行層的系統(tǒng)生命周期業(yè)務(wù)，提升企業(yè)生產(chǎn)過程安全預(yù)防實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以及實(shí)時(shí)矯正企業(yè)安全生產(chǎn)行為、完成行為記憶，可推動(dòng)安全生產(chǎn)雙重預(yù)防機(jī)制工作的智能化建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢學(xué)森.論系統(tǒng)工程[M].新世紀(jì)版.上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

[2]張和明.制造企業(yè)的產(chǎn)品生命周期管理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.