探討玻璃絕緣子生產車間數(shù)字孿生建模和信息處理的基礎研究

隨著“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”的相繼提出， 傳統(tǒng)制造業(yè)已經無法滿足新時代的制造需求，新一輪科技革命已經到來。在“工業(yè)4.0”的發(fā)展過程中，數(shù)字孿生技術得到了廣泛的應用。

數(shù)字孿生技術是一種在信息世界中通過數(shù)字表達來描述物理世界中的對象模型的技術。數(shù)字孿生在工業(yè)生產中的應用，涉及對產品性質和生產行為等特征進行融合，共同構建模型，最終實現(xiàn)生產指導、實時監(jiān)控、預測維護、遠程操作維護、產品再設計等功能。

此外，數(shù)字孿生可以利用機器學習技術在制造加工中實現(xiàn)操作過程的自學習，以及對未知風險和問題進行監(jiān)測和預測，從而有效提高制造設備的智能化水平。玻璃絕緣子生產車間全局如圖1 所示。

圖1 玻璃絕緣子生產車間全局圖

當前，工廠的生產加工設備大部分都處于被動管理與控制階段，在此階段，生產加工設備產生的大部分數(shù)據(jù)都是由手工記錄或輸入到離線的設備上。然而，通過人工收集和處理數(shù)據(jù)存在信息滯后的問題，無法實時反映生產過程的具體情況，易出現(xiàn)企業(yè)管理過程中數(shù)據(jù)時效性差的問題。

在工業(yè)生產過程中，生產車間易出現(xiàn)不穩(wěn)定的運行狀態(tài)問題，從而導致生產質量呈現(xiàn)復雜性、不確定性和動態(tài)變化等特點。若無法有效處理上述問題，產品的質量將會受到很大的影響，進而增加生產成本。針對上述問題，部分工廠對生產加工設備采用實時管理的模式進行管理，即通過物聯(lián)網將企業(yè)的生產加工設備進行無線連接。

該方法通過及時流動生產過程中產生的數(shù)據(jù)，有效解決了生產過程中數(shù)據(jù)流動性差的問題。但是，該方法依舊需要人工對生產數(shù)據(jù)進行管理，而在信息管理工作上，工作者們可能會有各自的主觀判斷，這也是生產過程中的一類干擾因素。當前，可以通過數(shù)字孿生和深度學習的結合，構建生產設備的數(shù)字孿生模型，解決物理信息與虛擬信息的集成問題。生產設備智能化發(fā)展階段如圖2 所示。

圖2生產設備智能化發(fā)展階段

數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產車間運行機制

玻璃絕緣子制造工廠的核心產品是玻璃絕緣子。將數(shù)字孿生技術應用于玻璃絕緣子的生產可以突破當前的生產效率瓶頸。將玻璃絕緣子生產車間各種設備和工藝的特點從物理空間映射到虛擬空間，構建數(shù)字孿生玻璃絕緣子車間。首先，基于數(shù)字孿生模型，預測產品良率、優(yōu)化生產參數(shù)和生產計劃等，進而發(fā)現(xiàn)問題；其次，實時跟蹤生產情況，實現(xiàn)信息高速交互；最后，跟蹤產品質量，記錄生產數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生是生產產品各種屬性和行為模式的數(shù)字映射，主要可以分為五個維度：物理實體（PE）、虛擬實體（VE）、業(yè)務（Ss）、孿生數(shù)據(jù)（DD）和連接（CN）， 這五個維度之間的有效連接，保證了系統(tǒng)能合理、穩(wěn)定地運行。 基于數(shù)字孿生的玻璃絕緣子車間主要由五個部分組成：物理玻璃絕緣子生產車間、數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產車間、信息服務平臺、孿生數(shù)據(jù)和連接交互。

（1）物理玻璃絕緣子生產車間

物理玻璃絕緣子車間的生產流程：原料進廠→配料→熔制→成型→鋼化→冷熱沖擊→檢驗→裝配→養(yǎng)護→成品→抽樣試驗→合格品出廠。生產車間必須具備多源異構數(shù)據(jù)的讀取能力，如掃描標簽數(shù)據(jù)并記錄，感知生產環(huán)境溫度、濕度等。基于NB-IOT技術，在線將傳感器數(shù)據(jù)上傳到車間信息服務平臺。

（2）數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產車間

數(shù)字孿生玻璃絕緣子車間可以在數(shù)字環(huán)境內構建數(shù)字孿生車間，即對車間設備、生產過程和車間環(huán)境等進行數(shù)字化映射，實現(xiàn)生產車間的數(shù)字孿生，進而為玻璃絕緣子車間生產的模擬和優(yōu)化提供平臺。但數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產車間的設計大小應該適中，否則容易導致系統(tǒng)運行速度下降和任務下發(fā)效率降低等問題。

數(shù)字孿生對玻璃絕緣子生產的意義：①對玻璃絕緣子的生產過程進行模擬，實現(xiàn)產品質量、所需成本和可能出現(xiàn)的問題的預測；②對生產情況在線監(jiān)控，實現(xiàn)生產數(shù)據(jù)的實時記錄；③基于歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)字孿生模型等。

（3）車間信息服務系統(tǒng)

車間信息服務系統(tǒng)的工作主要包括下發(fā)生產方案， 優(yōu)化物理玻璃絕緣子車間生產信息，記錄生產數(shù)據(jù)等。

車間信息服務系統(tǒng)工作流程：①物理玻璃絕緣子車間將任務下發(fā)至信息服務系統(tǒng)；②信息服務系統(tǒng)針對下發(fā)任務給出相應的生產計劃；③將計劃發(fā)往數(shù)字玻璃絕緣子車間進行仿真和優(yōu)化；④根據(jù)優(yōu)化結果生成最終可行的計劃；⑤對傳感器收集的數(shù)據(jù)分析處理，調整生產資源分配和生產計劃。

（4）孿生數(shù)據(jù)

物理與數(shù)字玻璃絕緣子生產車間是彼此獨立的，孿生數(shù)據(jù)將他們彼此聯(lián)系起來。孿生數(shù)據(jù)主要包括物理玻璃絕緣子生產車間生產數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產車間運行產生的數(shù)據(jù)，以及信息系統(tǒng)運轉所產生的數(shù)據(jù)。

（5）連接交互

連接交互模塊實現(xiàn)了數(shù)字孿生相關的各個組成部分的交互，如圖3 所示。其中包括物理玻璃絕緣子車間與孿生數(shù)據(jù)、物理玻璃絕緣子車間與數(shù)字玻璃絕緣子車間、物理玻璃絕緣子車間與信息服務平臺、數(shù)字玻璃絕緣子車間與孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字玻璃絕緣子車間與信息服務平臺、信息服務平臺與孿生數(shù)據(jù)等6 種模塊之間的交互組合。玻璃絕緣子生產車間數(shù)字孿生的組成如圖3 所示。

圖3玻璃絕緣子生產車間數(shù)字孿生的組成

1）物理玻璃絕緣子車間與孿生數(shù)據(jù)的交互。通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、嵌入式系統(tǒng)等設備對物理玻璃絕緣子車間數(shù)據(jù)實時采集，并基于通信協(xié)議規(guī)范傳輸至孿生數(shù)據(jù)。通過通信協(xié)議規(guī)范將處理后得到的孿生數(shù)據(jù)反饋給物理玻璃絕緣子車間，優(yōu)化物理玻璃絕緣子車間的生產效率。

2）物理玻璃絕緣子車間與數(shù)字玻璃絕緣子車間的交互。將在物理玻璃絕緣子車間采集的實時數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字玻璃絕緣子車間，用于更新各類模型。將數(shù)字玻璃絕緣子車間采集的仿真數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)等轉化為指令下達至物理玻璃絕緣子車間執(zhí)行，實現(xiàn)物理玻璃絕緣子車間的實時控制。

3）物理玻璃絕緣子車間與信息服務平臺的交互。物理玻璃絕緣子車間在線將數(shù)據(jù)上傳至信息服務平臺，實現(xiàn)對信息服務平臺的更新。信息服務平臺將生產過程中得到的操作方案、分析結果和生產現(xiàn)狀等信息以網頁的形式呈現(xiàn)給用戶，對物理玻璃絕緣子車間進行調控。

4）數(shù)字玻璃絕緣子車間與孿生數(shù)據(jù)的交互。將數(shù)字玻璃絕緣子車間產生的相關數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，作為孿生數(shù)據(jù)的一部分。同時，為驅動數(shù)字孿生模型，在線讀取數(shù)據(jù)庫中具有關聯(lián)、融合和生命周期性質的孿生數(shù)據(jù)。

5）數(shù)字玻璃絕緣子車間與信息服務平臺的交互。通過軟件接口實現(xiàn)數(shù)字玻璃絕緣子車間與信息服務平臺的雙向通信，完成消息同步和數(shù)據(jù)收發(fā)等操作。

6）信息服務平臺與孿生數(shù)據(jù)的交互。將信息服務平臺的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，也作為孿生數(shù)據(jù)的一部分。同時，讀取孿生數(shù)據(jù)中各類信息、數(shù)據(jù)以支持信息服務平臺的運行。

數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產車間模型架構

基于玻璃絕緣子生產車間的運行機制，提出了數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產車間的四層架構模型，如圖4 所示。

圖4數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產車間四層架構

1）物理層，該層由玻璃絕緣子生產設備、各種數(shù)據(jù)傳感儀器和人組成，包括物理實體和數(shù)字實體的各項操作。該層通過對現(xiàn)有資源進行優(yōu)化配置，根據(jù)生產任務時間節(jié)點完成實際的生產操作。該層結構中最重要的技術是分布式協(xié)同控制與異構多源多模態(tài)數(shù)據(jù)封裝。在設計過程中，為方便數(shù)據(jù)的日后分析與使用，應將各設備的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一協(xié)調。

2）數(shù)字層，該層實現(xiàn)了對物理層數(shù)據(jù)的關聯(lián)、分析和映射。同時，可以在線觀察數(shù)字車間的生產情況，并存儲和融合孿生數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量較大，為使各個模塊數(shù)據(jù)的邏輯表述更清晰，梳理了各個數(shù)據(jù)模塊之間的聯(lián)系?；谇懊媸崂?，可以避免數(shù)據(jù)的重復計算、排序等，有利于現(xiàn)場工程師在調試過程中用最短的時間找到需要的數(shù)據(jù)。生產監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析如圖5 所示 。

圖5玻璃絕緣子生產監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析示意圖

3）模型層，該層實現(xiàn)了物理玻璃絕緣子生產車間的映射，得到了數(shù)字化的玻璃絕緣子生產車間。模型層需要大量的數(shù)據(jù)對其驅動，所以需要高性能的CPU 支持。因此，在搭建數(shù)字孿生模型時，需要均衡設備與數(shù)據(jù)的關系和優(yōu)化內存的使用效率。

4）應用層，該層實現(xiàn)了玻璃絕緣子生產車間的智能排班與生產調度以及玻璃絕緣子質量的分析管理。同時，生產窯爐對電能等一系列的資源開銷較大，增加了生產成本。在該層對生產人員進行訓練，統(tǒng)一生產標準，可以達到降低能耗的目的。

結束語

數(shù)字孿生在玻璃絕緣子生產車間的應用，能幫助企業(yè)實現(xiàn)工業(yè)4.0。本文主要探討了玻璃絕緣子生產車間數(shù)字孿生建模和信息處理的基礎研究。數(shù)字孿生不僅是對傳統(tǒng)仿真的進一步強化，它還有許多擴展研究，如遠程操作和預測生產等。此外，數(shù)字孿生降低了試錯成本并縮短了試錯時間，在促進玻璃絕緣子產品再設計等方面發(fā)揮了很好的作用，其還有很多功能有待于未來的探索。

審核編輯：劉清