5G+数字孪生在数字化工厂中的应用
2023-08-09 来源：通信与信息技术
1 引言
2 建设现状
目前，基于数字孪生技术的数字孪生工厂，多数以wifi作为设备无线接入的连接方式。但是，wifi的不足之处，如连接数低、易掉线、切换连接速度慢、安全性差、延时高等问题，极大地限制了数字孪生工厂的实用性，使得大多数项目建设并未达到预期效果，甚至变成一个纯展示平台，无法达到原有的优化生产经营的目的；同时，大部分企业对数字化转型意识不强，对实施效果没有直观了解。
5G专网是融合5G切片技术和边缘计算技术，满足企业业务、连接、计算、安全等需求的、可管可控可感知的专用云网服务，具有高可靠、低成本、大开发、提供主动智能服务的特点，是未来企业的新型信息技术基础设施。由于用网场景的特殊性，工业企业对网络的覆盖范围与质量、时延性、数据安全性等性能指标要求较高，因此需要针对生产现场搭建灵活、便捷、安全、可靠、稳定、智慧化的专用网络，为数字孪生工厂建设进行深层次赋能。
以5G为代表的前沿技术拥有较大的技术使能潜力，将5G、物联网、人工智能、边缘计算等技术与企业深度融合，利用5G技术的高带宽、低时延、大连接的技术特性和切片技术、边缘计算技术促进数字孪生建设，根据不同应用场景的网络需求将5G工厂专网的应用场景分为：高带宽场景、大连接场景、低时延场景和网络分级管控场景。
数字孪生工厂是实体工厂的数字化映射，是多物理、多维度、超写实、动态概率的集成仿真模型，可用来模拟、监控、诊断、预测、控制工厂实体项目精度、时间进度和费用预算，同时数字模型通过与工厂物理实体之间的数据和信息交互，不断提高自身的完整性和精确度，最终完成对工厂物理实体的完全和精确描述。
对于企业来说，建立一个全面展示车间产线状态的数字孪生工厂，进而搭建经营数据分析平台，并在此基础上实现统一的协调管控。实现自上而下及从下到上的全面数据贯通，摒弃传统的孤岛式信息化应用模式，在数据分析平台的基础上，结合数字化工厂管理的特点实现智能产能质量数据统计、市场数据统计、设备运行效率、能耗统计分析决策及智能维修保全，使数据得以最大化利用，建立全面感知、预测预警、科学决策的平台，从而提高公司数字化的整体效率。数字孪生工厂可实现企业车间产线的全面信息化，智能化，提升各个生产车间的管理和运营效率。
数字孪生工厂管理平台可实时在线监测、定位追溯、报警联动、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对分散式的车间、产线、设备资产进行高效的管、控、营一体化。平台架构如图2所示。
(1)系统数据集成
数字孪生工厂，需集成产线设备及辅助设施的状态数据、报警数据、能耗数据、环境数据、操作数据等。需要系统展示的生产订单、生产批次、质量统计等信息从现有MES系统中获取；需要展示的公司经营管理信息从ERP系统中获取；需要展示的产品终端、客户分析、客户服务等信息从现有企业管理系统中获取。
数字孪生工厂管理平台支持多种数据库访问接口，可方便地针对MES系统、ERP系统进行数据交互；如ODBC、OLEDB、Oracle、SAP、SQLServer等；利用软件内置的数据集功能快速地从数据库中进行数据检索、聚合、过滤、计算、更新、反馈等操作。
(2)GIS地理信息应用
数字孪生工厂管理平台可展示工厂/设备的分布图，使用地图全矢量无极缩放，可以精确展示全国各地工厂/设备的分布情况；同时系统可进行多级展示，每一级展示不同的数据信息，如设备分布数量、报警情况、运行情况等。通过GIS的信息化集成，实现地理环境模拟，地形仿真与生产监控相结合地从全局到整体，整体到局部等多层级，多维度的GIS信息化集成。同时系统可以实现基于GIS地理位置的信息服务，在系统上展示、定位该工厂/设备实时信息、历史数据、报警等信息，进行“一键式”数据追踪；针对故障数据进行快速的路径分析，提供数据随动锁定、逻辑数据自动抽取功能，协助管理人员快速洞悉故障根源。
(3)设备点巡检管理
数字孪生工厂管理平台通过手机扫描二维码标签的非接触方式获取当前设备编码，按照预先制订的技术标准，定人、定点、定周期、定方法，指导点检人员完成点巡检任务。点检人员利用移动终端完成指定任务并录入和提交点检结果。
移动终端可以向管理中心汇报任务完成情况和个人请求，所有信息都存入管理中心的服务器端系统，与设备管理系统无缝集成。
数字孪生工厂管理平台将企业的所有建筑、车间产线和设备进行1:1仿真建模，系统通过在三维虚拟车间中漫游实现对实体工厂整体环境、设备布局和加工状态等信息的全面展示。可设置既定的漫游参观路线，通过设置相机视角和视角变换等功能，使三维虚拟车间软件按照设定的路线自动漫游，参观虚拟工厂中的核心内容。
同时在设备可以实时显示设备实际运行状态(红色故障、绿色运行、黄色空闲、灰色关机),漫游到面对设备特定角度后，显示设备的运行参数(温度、压强、流速等)。对于厂房的所有空调系统、照明系统、供电系统、门禁设施、视频监控(安防监控、生产监控)的开关闭状态在三维虚拟车间中以不同颜色来显示(红色故障、绿色运行、灰色关机),当以一定视角靠近设施时，弹出小窗口，显示实时采集数据，并具有查看历史采集数据的入口，进入后可以按时间段查看历史数据分析。
4总结
(1)经营管理实时化
实时呈现生产经营过程的相关信息，如设备运行指标、生产完成指标、工厂能耗指标等，随时针对数据的变化快速做出相关规划调整，比如设备运行调整、生产计划调整等，保证公司运营达到随需而变。
(2)生产过程透明化
生产过程不再成为一个“黑盒子”,利用系统采集的数据量化设备运行的状态、生产的工作进度、能耗的严重等级、人员的工作效率，通过系统的多维度展示，使得企业管理人员乃至客户能够轻松了解工厂的实际状况。
(3)车间管理明细化
工厂车间内针对每个设备的操作、参数的调整、报警的处理都需要具备明细的记录，做到工厂事务流程一体化，方便进行员工的绩效考核、事故追责方案的调整。
(4)工厂运营智能化
通过针对报警、产能、故障、效率等相关参数历史数据和关联性的分析，实现相关数据与往年数据的对比分析，协助企业管理人员方便感知数据变化规律及其连带影响参数，为生产工艺、设备维护、能耗优化寻求改进策略和方法。
原文刊载于《通信与信息技术》2023年第4期 作者：张善翔 胡力宏 周巍 吴寒 邓成
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