DMS系列產(chǎn)品幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字孿生應(yīng)用

發(fā)布于：2022-11-08 來源：大禹匯智

1.數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生提供了一種獨(dú)特的方式來反映數(shù)字世界中的物理實(shí)體的形狀、位置、狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)，加上感官數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析、以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，數(shù)字孿生技術(shù)可用于系統(tǒng)實(shí)施過程中的監(jiān)視、診斷、預(yù)測(cè)和優(yōu)化。通過物理世界和虛擬世界的融合，數(shù)字孿生提供了一種實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與物理集成的獨(dú)特方法，這一概念已為越來越多的企業(yè)所采用。通過各種數(shù)字化技術(shù)，將實(shí)體的行為、物理世界的關(guān)系從整體創(chuàng)建高保真的數(shù)字化虛擬模型，這樣的虛擬模型依賴于從物理世界下的真實(shí)世界數(shù)據(jù)配制他們的實(shí)時(shí)參數(shù)、臨界條件，并根據(jù)相應(yīng)的物理實(shí)體狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與物理實(shí)體雙向交互，可以幫助企業(yè)評(píng)估生產(chǎn)進(jìn)行中的狀態(tài)、診斷歷史問題以及預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)，促進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)更加精益化運(yùn)行。

2.數(shù)字孿生解決方案

現(xiàn)代化的生產(chǎn)線建模與仿真運(yùn)行管控，不單單是生產(chǎn)線的可視化顯示、分析與應(yīng)用，更應(yīng)該將分析結(jié)果和實(shí)際需求相結(jié)合，從而完成生產(chǎn)的優(yōu)化分配以及作業(yè)流程與加工工序的優(yōu)化，結(jié)合產(chǎn)品工藝流程、物料資源運(yùn)輸、工廠設(shè)備資源等信息，并對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)中的各個(gè)元素與生產(chǎn)過程統(tǒng)一信息建模，最后對(duì)生產(chǎn)線加工工藝流程等進(jìn)行仿真，通過仿真模擬結(jié)果優(yōu)化生產(chǎn)資源配置，提高生產(chǎn)效率。

面對(duì)生產(chǎn)制造中普遍存在的應(yīng)變能力不足、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、精細(xì)度較差等問題，大禹匯智公司將數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合異步化的信息交互架構(gòu)應(yīng)用到生產(chǎn)制造領(lǐng)域，可有效地解決這類問題。

大禹匯智公司構(gòu)建了由DMS-MindSpace工業(yè)信息化支撐平臺(tái)、DMS-SCADA數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺(tái)和Witness仿真系統(tǒng)組成的生產(chǎn)數(shù)字孿生產(chǎn)品體系。DMS-MindSpace工業(yè)信息化支撐平臺(tái)是大禹匯智技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)智能制造深入研究和探索的重要成果，支持產(chǎn)品從研發(fā)、制造到運(yùn)維的全生命周期化服務(wù)管理，支撐各種產(chǎn)品應(yīng)用數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)、分析挖掘等服務(wù)，支持單機(jī)和分布式平臺(tái)部署，預(yù)置了大量通用性和行業(yè)性模塊，通過不同的模塊的快速組合，可以支撐多領(lǐng)域的應(yīng)用，采用全模型管理，底層封裝數(shù)據(jù)流傳輸，方便用戶只關(guān)注業(yè)務(wù)層面的應(yīng)用；DMS-SCADA數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺(tái)融合IT、OT、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用于試驗(yàn)/制造設(shè)備互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化并實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程的自動(dòng)控制、對(duì)工藝流程進(jìn)行全面、動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)的監(jiān)控，可快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通、數(shù)據(jù)共享；Witness軟件是功能強(qiáng)大的工藝流程模擬仿真軟件系統(tǒng)，提供了強(qiáng)大的建模元素，支持離散事件建模，支持?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)化建模，具有強(qiáng)大的交互性能，具有獨(dú)特的分析模塊與軟件接口。

大禹匯智公司的生產(chǎn)數(shù)字孿生解決方案框架主要包括：物理層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、模型層、應(yīng)用層。物理層反映著真實(shí)工廠車間的設(shè)施、設(shè)備等實(shí)體信息；數(shù)據(jù)層反映著車間設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境狀況、能耗信息等，利用DMS-SCADA平臺(tái)建立數(shù)據(jù)庫，對(duì)設(shè)備和環(huán)境的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的收集，將實(shí)時(shí)的物聯(lián)數(shù)據(jù)與模型層中三維化的車間、設(shè)備模型綁定對(duì)接，為系統(tǒng)的分析、決策提供依據(jù)；服務(wù)層主要為應(yīng)用層中面向客戶服務(wù)的應(yīng)用提供支撐，通過部署基于微服務(wù)架構(gòu)的DMS-MindSpace平臺(tái)，提供各種計(jì)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析等方面的服務(wù)；模型層表征著物理實(shí)體到虛擬體的映射關(guān)系、規(guī)則，利用Witness仿真系統(tǒng)通過虛擬可視化的場(chǎng)景，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)車間中真實(shí)的物理場(chǎng)景；應(yīng)用層主要基于數(shù)字孿生滿足生產(chǎn)業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用需求，如生產(chǎn)布局規(guī)劃、設(shè)備工藝仿真、生產(chǎn)過程仿真、數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、預(yù)防維護(hù)、故障診斷等。

基于整體框架內(nèi)容，特別是在基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)管控方面，大禹匯智公司在探索與實(shí)踐中構(gòu)建了DMS-SCADA平臺(tái)+DMS-MindSpace平臺(tái)+Witness仿真系統(tǒng)的應(yīng)用體系，面向物理車間和虛擬車間通過孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)，進(jìn)而能夠使得車間整個(gè)生產(chǎn)流程與要素進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互和融合，如此一來能夠有效的對(duì)車間制造資源、生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的管控提供支撐。通過DMS-SCADA將設(shè)備層等制造過程運(yùn)行層面下的物理車間實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集管理，以DMS-MindSpace為服務(wù)支撐平臺(tái)，將物理空間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)利用Witness映射到虛擬數(shù)字車間上，在此基礎(chǔ)上結(jié)合孿生數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、歷史模型庫感知等手段，實(shí)現(xiàn)全過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)流通的閉環(huán)，使得車間生產(chǎn)管控更加的智能、透明化，進(jìn)而解決生產(chǎn)制造過程中資源配置不合理、協(xié)同性差等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間制造資源的優(yōu)化配置。

3.數(shù)字孿生應(yīng)用

3.1數(shù)字化車間三維可視化建模

數(shù)字化車間3D可視化建模的目的是為了能夠達(dá)到數(shù)字化管理、結(jié)構(gòu)化地展示生產(chǎn)加工制造階段的各類信息內(nèi)容，依照組織劃分的原則、業(yè)務(wù)協(xié)同的規(guī)則、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的規(guī)則、物料(能源)平衡的原則等一系列共性規(guī)則和約束，將生產(chǎn)加工制造信息內(nèi)容與物理世界連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間透明化數(shù)字化管理。

數(shù)字化三維場(chǎng)景的建模是數(shù)字化孿生系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，主要包括幾何建模（Geometric Modeling）、物理建模（Physical Modeling）、運(yùn)動(dòng)建模（Kinematic Modeling）、對(duì)象行為（Object Behavior）建模等。目前業(yè)內(nèi)產(chǎn)線設(shè)計(jì)/工廠建模工具已經(jīng)成熟，通過三維建模工具，利用豐富的建模元素，可快速參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)車間三維可視化，關(guān)聯(lián)相關(guān)信息，支持點(diǎn)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速掃描建模。

通過三維可視化模型的實(shí)施，形成可與Witness仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互的三維展示場(chǎng)景。如仿真模型中更改了產(chǎn)品生產(chǎn)的工序流程，三維展示場(chǎng)景也相應(yīng)進(jìn)行更新，以仿真模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)三維展示場(chǎng)景的更新。

3.2制造業(yè)離散系統(tǒng)仿真

大禹匯智公司構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)仿真團(tuán)隊(duì)利用Witness軟件，可以在離散或連續(xù)的時(shí)間內(nèi)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，能把生產(chǎn)資源、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、物流、庫存等信息動(dòng)態(tài)地結(jié)合起來，以系統(tǒng)活動(dòng)過程的“復(fù)現(xiàn)”代替以往單純的數(shù)學(xué)抽象描述，表達(dá)形式易于理解，能全面反映制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)活動(dòng)過程和特征，為制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理評(píng)估提供了理想的手段。

? 數(shù)字化工廠層面的規(guī)劃與仿真

基于數(shù)字化車間或工廠的資源布局建立仿真模型開展各類仿真實(shí)驗(yàn)，包括：

（1）零件流的靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)仿真。

（2）數(shù)字化工廠生產(chǎn)與裝配過程平衡仿真分析。

（3）中心倉(cāng)庫復(fù)雜物流配送策略與路徑仿真分析。

（4）人力資源排班與勞動(dòng)強(qiáng)度仿真評(píng)估。

（5）生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真分析。

? 車間層面的規(guī)劃與仿真

進(jìn)行車間設(shè)備、操作區(qū)域的布局，分析物流瓶頸；根據(jù)產(chǎn)品信息、工藝信息和生產(chǎn)計(jì)劃信息，對(duì)車間進(jìn)行仿真調(diào)度：

（1）車間布局仿真，根據(jù)產(chǎn)品的工藝特征、生產(chǎn)場(chǎng)地、制造資源等信息，對(duì)車間的設(shè)備布局進(jìn)行仿真規(guī)劃或修改，計(jì)算并校驗(yàn)設(shè)備的占地面積及空間。

（2）車間調(diào)度仿真，針對(duì)某個(gè)布局方案，根據(jù)車間生產(chǎn)計(jì)劃安排生產(chǎn)的產(chǎn)品品種和數(shù)量，仿真優(yōu)化各個(gè)品種的投入產(chǎn)出順序和庫存標(biāo)準(zhǔn)，以獲得在生產(chǎn)物流時(shí)間、設(shè)備利用率等指標(biāo)的最優(yōu)值。

（3）車間物流仿真，針對(duì)某個(gè)布局方案，根據(jù)產(chǎn)品工藝和生產(chǎn)計(jì)劃，分析在一定批量生產(chǎn)條件下，車間物流搬運(yùn)的成本，包括搬運(yùn)距離、次數(shù)、重量等，找出車間存在的物流瓶頸。

? 生產(chǎn)線層面的規(guī)劃與仿真

（1）生產(chǎn)線布局仿真，對(duì)初步完成的生產(chǎn)線進(jìn)行物流規(guī)劃、生產(chǎn)線平衡、瓶頸、加工成本、設(shè)備利用率與負(fù)荷率、工件的平均通過時(shí)間、工人工作效率等的分析，判斷生產(chǎn)線布局是否合理，是否滿足制造要求，評(píng)估生產(chǎn)線的調(diào)度策略與控制優(yōu)化策略。

（2）生產(chǎn)線物流仿真，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和工藝過程等資料在Witness環(huán)境中建立數(shù)字化的生產(chǎn)線模型，確定物料在生產(chǎn)線內(nèi)各個(gè)設(shè)備間的轉(zhuǎn)移，對(duì)同一生產(chǎn)線內(nèi)各個(gè)工序之間的物流方案進(jìn)行決策，包括生產(chǎn)節(jié)拍、輸送方案、夾具的確定，運(yùn)行仿真判斷物流分流策略和控制規(guī)則是否合理，驗(yàn)證緩沖區(qū)容量和倉(cāng)庫容量是否過大或過小。

（3）生產(chǎn)線調(diào)度仿真，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和工藝路線，以及生產(chǎn)線上各設(shè)備完成的工藝情況，對(duì)各個(gè)產(chǎn)品的投產(chǎn)順序和批量進(jìn)行決策，通過仿真來判斷決策是否合理。

（4）生產(chǎn)線能力仿真，進(jìn)行生產(chǎn)線的平衡仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果（如機(jī)床利用率）判斷生產(chǎn)線上的各種隨機(jī)因素對(duì)平衡性的影響，找出瓶頸工位，調(diào)整參數(shù)重新配置，再次進(jìn)行迭代仿真。

例如，對(duì)某航空型號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)建模和裝配工藝仿真過程中，通過Witness建立參數(shù)化的、自動(dòng)化生成的生產(chǎn)仿真模型，分析與發(fā)現(xiàn)工藝、物流堵塞、節(jié)拍不平衡等問題，通過指標(biāo)分析和仿真優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線規(guī)劃的綜合評(píng)估和優(yōu)化，建立工藝流程優(yōu)化與仿真建模技術(shù)規(guī)范，并在后續(xù)多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

3.3基于實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的工廠仿真驗(yàn)證

大禹匯智公司一直致力于研究數(shù)字孿生在生產(chǎn)執(zhí)行制造的應(yīng)用研究，形成了基于實(shí)際數(shù)據(jù)的工廠仿真驗(yàn)證的技術(shù)方案，將車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)、MES、WMS等系統(tǒng)與DMS-SCADA數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺(tái)相連，基于DMS-MindSpace平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，與虛擬空間中的三維模型相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的三維可視化，結(jié)合Witness系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)景進(jìn)行回放追溯，對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和事件進(jìn)行優(yōu)化校準(zhǔn)，將推演分析結(jié)果數(shù)據(jù)輔助于決策實(shí)施。

主要的實(shí)際價(jià)值應(yīng)用如下：

（1）基于DMS-SCADA采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)以及MES等系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，把眾多數(shù)據(jù)上傳到DMS-MindSpace平臺(tái)規(guī)則化處理以后，傳遞給Witness，在Witness中虛擬化呈現(xiàn)工廠車間實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)，并最終將實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)在三維場(chǎng)景中進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。

（2）通過Witness強(qiáng)大的計(jì)算分析算法，基于輸入的實(shí)時(shí)生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，更加準(zhǔn)確地對(duì)未來的生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，以便基于當(dāng)下的實(shí)際生產(chǎn)情況提前預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行業(yè)務(wù)端的評(píng)估優(yōu)化調(diào)整。

（3）支持對(duì)歷史生產(chǎn)場(chǎng)景的回放，特別是歷史場(chǎng)景中關(guān)鍵環(huán)節(jié)和事件的記錄，通過歷史問題的追溯分析，查找影響制約生產(chǎn)的根本性原因，降低人為現(xiàn)場(chǎng)判斷的失誤率，提高實(shí)際的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

3.4基于物聯(lián)網(wǎng)的三維可視化生產(chǎn)管控

通過DMS-SCADA接收傳感器、PLC等設(shè)備實(shí)時(shí)回傳的信息，基于DMS-MindSpace平臺(tái)實(shí)時(shí)映射到虛擬空間三維模型的工位、傳感器位置以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，并在超過預(yù)設(shè)值后做出預(yù)警提示。通過生產(chǎn)過程數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控車間的生產(chǎn)狀態(tài)，根據(jù)物聯(lián)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的設(shè)備狀態(tài)、能耗、工藝數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析設(shè)備利用率、故障率、車間能耗進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)線效能、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效益等進(jìn)行多維分析、評(píng)估和動(dòng)態(tài)展示。

（1）設(shè)備監(jiān)控。在工廠車間數(shù)字孿生場(chǎng)景中，每臺(tái)虛擬設(shè)備頭頂會(huì)有指示燈，展示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所處狀態(tài)，同時(shí)展示車間當(dāng) 前生產(chǎn)任務(wù)、計(jì)劃產(chǎn)量、實(shí)際產(chǎn)量等信息及生產(chǎn)和設(shè)備的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析。

（2）設(shè)備屬性查詢。在虛擬場(chǎng)景中可以通過點(diǎn)擊多個(gè)對(duì)象查看其屬性，包含人員信息、設(shè)備信息、物料信息等。對(duì)車間內(nèi)主要設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。

（3）報(bào)警提醒。利用DMS-SCADA集中監(jiān)控總覽功能及時(shí)提供物料呼叫、質(zhì)量呼叫、設(shè)備呼叫，具體工位可以實(shí)時(shí)同步三色燈狀態(tài)。通過收集報(bào)警數(shù)據(jù)，并在三維場(chǎng)景中顯示報(bào)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊報(bào)警數(shù)據(jù)可自動(dòng)定位到設(shè)備上，從而快速查詢系統(tǒng)的報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)在報(bào)警系統(tǒng)上顯示醒目的預(yù)警標(biāo)志。

利用DMS-MindSpace集中數(shù)據(jù)可視化機(jī)制，結(jié)合三維場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)三維現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)景視點(diǎn)控制、特定路徑查詢、對(duì)象位置和三維交互查詢、設(shè)備定位。并且，充分挖掘數(shù)據(jù)潛在價(jià)值，輔助運(yùn)營(yíng)決策。分析報(bào)表包括計(jì)劃執(zhí)行情況、訂單生產(chǎn)進(jìn)度、在制品統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)信息、設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息、生產(chǎn)異常信息等，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及管理需要進(jìn)行及時(shí)優(yōu)化和更新。

4.方案應(yīng)用價(jià)值

大禹匯智公司提供的基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)系統(tǒng)解決方案，在生產(chǎn)制造領(lǐng)域未來的發(fā)展中，通過對(duì)物理世界與數(shù)字世界的連接，隨著數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用，會(huì)賦予制造業(yè)更多的變革和發(fā)展。從車間產(chǎn)線部署投產(chǎn)之前的預(yù)期行為到生產(chǎn)過程的數(shù)字孿生可視化，將車間的生產(chǎn)狀態(tài)通過數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)反映在監(jiān)控端,并支持通過數(shù)據(jù)分析對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行分析和處理，更好地實(shí)現(xiàn)了制造車間現(xiàn)場(chǎng)全流程全要素的自感知，提升了生產(chǎn)質(zhì)量、效率和資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)水平，賦能企業(yè)提質(zhì)增效。