數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的“十灃方案”

方旭

十灃科技致力于高端研發(fā)設(shè)計類工業(yè)軟件、數(shù)字孿生、數(shù)字能源系統(tǒng)與仿真云服務(wù)平臺自主研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。通過以高端工業(yè)軟件為核心的定制研發(fā)和技術(shù)服務(wù)、行業(yè)核心定制研發(fā)和技術(shù)服務(wù)，為企業(yè)提供核心產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計研發(fā)、工廠數(shù)字化和智能化改造等方面的一攬子解決方案

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展和科技的進步，我國制造業(yè)正積極投身數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級中。特別是在以數(shù)字孿生技術(shù)為代表的新一代信息技術(shù)引領(lǐng)帶動下，制造企業(yè)不僅能夠提高生產(chǎn)效率、降低成本，還能提高產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

數(shù)字孿生技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一項技術(shù)，可以將現(xiàn)實世界中的對象或系統(tǒng)用數(shù)據(jù)形式進行建模，形成其“數(shù)字孿生”，并在虛擬世界中進行實驗、仿真、優(yōu)化等操作的技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，可以應(yīng)用于制造業(yè)、建筑業(yè)、物流業(yè)等各個領(lǐng)域，為實現(xiàn)智能制造、智慧城市等目標提供了有力支持。浙江十灃科技有限公司（下稱“十灃科技”）就是一家應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，為制造企業(yè)提供核心產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計研發(fā)、工廠數(shù)字化和智能化改造的“高手”。

數(shù)字孿生VS虛擬產(chǎn)線調(diào)試

傳統(tǒng)的工廠產(chǎn)線調(diào)試需要大量時間和成本，同時調(diào)試結(jié)果并不一定能夠達到預(yù)期目標。針對這個問題，十灃科技提供了“仿真＋數(shù)字孿生”技術(shù)在工廠虛擬產(chǎn)線調(diào)試方面的應(yīng)用，通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以將實際設(shè)備與數(shù)字模型相結(jié)合，實現(xiàn)對設(shè)備的可視化管理和智能監(jiān)控，提高管理效率；通過虛擬場景構(gòu)建和虛擬設(shè)備建模，實現(xiàn)了對整個生產(chǎn)線的全面仿真，提高了調(diào)試效率；通過虛擬控制系統(tǒng)建模和虛擬調(diào)試仿真，實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)的全面測試和優(yōu)化。在數(shù)字技術(shù)的幫助下，傳統(tǒng)的工廠生產(chǎn)線調(diào)試成本大幅降低，調(diào)試效率也得到了提高。

“在實踐中，我們也遇到了一些難點，如如何實現(xiàn)數(shù)字孿生模型與實際設(shè)備的結(jié)合、如何提高數(shù)字模型的精度等。但我們通過不斷的優(yōu)化和改進，克服了這些問題。”十灃科技項目負責(zé)人表示，運用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛擬產(chǎn)業(yè)的調(diào)試項目并不是一帆風(fēng)順。因為需要使用的技術(shù)水平較高，應(yīng)用范圍廣泛，為此十灃科技針對該項目，進行了數(shù)字孿生模型建立、虛擬場景構(gòu)建、虛擬設(shè)備建模、虛擬控制系統(tǒng)建模及虛擬調(diào)試仿真等多個場景和環(huán)節(jié)的打造。

數(shù)字孿生VS刀具管理

目前，除了在虛擬產(chǎn)線的調(diào)試項目中的應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)還在機械加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，比如在刀具管理中，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以較大地提高工廠的工作效率，降低成本。

制造型企業(yè)中，機床刀具的損耗較大、剩余使用壽命難以預(yù)測，進而使得由刀具問題導(dǎo)致的生產(chǎn)效率下降問題難以解決，需要針對刀具采取更先進的管理手段，以提升其利用率與安全性。十灃科技通過采集主軸電流（負載）信號、位置信號、速度信號等30多個維度數(shù)據(jù)信號，結(jié)合大數(shù)據(jù)流式處理、自然語言處理等自學(xué)習(xí)處理算法和行業(yè)多年經(jīng)驗數(shù)據(jù)沉淀，構(gòu)建的一套完整的刀具壽命預(yù)測和狀態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了基于刀具狀態(tài)監(jiān)測和壽命預(yù)測的異常停機控制模塊，降低了因刀具磨損導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量損失及異常撞機事故發(fā)生的概率；提供基于刀具狀態(tài)監(jiān)測和壽命預(yù)測的異常停機控制模塊，避免因刀具異常導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量損失和異常撞機事故。

“應(yīng)用系統(tǒng)后，可以減少約73%的由刀具問題引發(fā)的故障停機時間，提升約31.6%的設(shè)備利用率，大幅提高加工時間的占比與利用率。”該項目負責(zé)人表示，十灃科技利用數(shù)字孿生等技術(shù)，實時監(jiān)測刀具狀態(tài)，刀具不可靠時，及時對刀具磨損進行補償或更換刀具；提高加工產(chǎn)品精度和表面質(zhì)量，降低次品和廢品率；減少設(shè)備停機時間，提高其利用率和生產(chǎn)率；降低機床事故發(fā)生率，保證機床加工系統(tǒng)的安全性。

數(shù)字孿生VS物流節(jié)拍

在物流業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)可以將貨物的物流過程進行虛擬化，提前發(fā)現(xiàn)問題，避免物流中出現(xiàn)問題，提高物流效率。十灃科技通過對工廠的實際狀況進行分析，運用數(shù)字孿生技術(shù)對生產(chǎn)工序間的物流系統(tǒng)進行仿真建模，對生產(chǎn)工序間物流進行仿真模擬，并針對性地提出合理的優(yōu)化方案。基于工廠的設(shè)計圖，采用模塊化的建模方法構(gòu)建車間物流場景。然后結(jié)合仿真技術(shù)對物流路徑進行仿真，并對物流系統(tǒng)過程進行平衡計算。

通過在不同任務(wù)和資源之間平衡工作負載，十灃科技的解決方案將物流線總作業(yè)時間從原來的1265s降低至695s，物流線平衡率從42.17%上漲至60.96%，物流線平衡損失率由57.83%下降至39.04%，設(shè)備利用率由70.36%提升至81.29%，較大程度上解決了原方案中出現(xiàn)的物流不平衡與物流瓶頸的問題，減少了物料流轉(zhuǎn)瓶頸、縮短物流周期并提高了運輸設(shè)備的利用率。

數(shù)字孿生VS仿真測試

除了賦能傳統(tǒng)制造業(yè)，十灃科技亦能為高新技術(shù)企業(yè)實現(xiàn)賦能。杭州申昊科技股份有限公司（下稱“申昊科技”）是一家致力于設(shè)備檢測及故障診斷的高新技術(shù)企業(yè)，為工業(yè)設(shè)備安全運行及智能化運維提供綜合解決方案。申昊科技開發(fā)了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能機器人及智能監(jiān)測控制設(shè)備產(chǎn)品，可用于電力電網(wǎng)、軌道交通、油氣化工等行業(yè)，為客戶無人或少人值守和智能化管理提供有效的檢測、監(jiān)測手段。

為解決智能機器人產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中出現(xiàn)的一系列問題，十灃科技為其構(gòu)建了面向機器人設(shè)計與仿真驗證的工業(yè)數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)和面向數(shù)字變電站與數(shù)字換流站的數(shù)字孿生系列產(chǎn)品。其中，工業(yè)數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)是十灃科技為申昊科技打造的一體化機器人設(shè)計平臺，工程師可通過該系統(tǒng)進行智能機器人產(chǎn)品的完整開發(fā)，功能模塊包括機器人受電磁場干擾設(shè)計、流體力學(xué)設(shè)計、動力學(xué)設(shè)計、外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、機器人視覺設(shè)計、機器人操控性設(shè)計、電子電路設(shè)計、超聲檢測功能設(shè)計、機器人控制程序設(shè)計，以及機器人光學(xué)、照明以及激光系統(tǒng)設(shè)計等。

工程師通過該系統(tǒng)可進行智能機器人包括外觀、結(jié)構(gòu)、電路、操控程序、機器人視覺、運行軌跡、數(shù)據(jù)分析、圖像處理和信息處理等方面的研發(fā)。該系統(tǒng)通過對真實作業(yè)場景進行三維建模，并利用第三方軟件接口進行算法和調(diào)優(yōu)，自動生成代碼；通過定位導(dǎo)航系統(tǒng)中的編輯器，短時間內(nèi)構(gòu)建多樣化的場景，包括室內(nèi)和室外場景，以及路況、天氣、動態(tài)障礙物等環(huán)境變化；通過快速構(gòu)建不同場景可供開發(fā)人員隨時進行算法調(diào)試，有利于快速部署及驗證算法的可靠性和穩(wěn)定性，加快算法迭代速度，提高開發(fā)效率。

未來，基于數(shù)字孿生技術(shù)的廣泛應(yīng)用范圍，十灃科技將會在更多的領(lǐng)域推廣、應(yīng)用這項技術(shù)，提高效率，為工業(yè)智能化發(fā)展做出更大的貢獻。

（作者單位：浙江十灃科技有限公司）