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★卡奧斯物聯(lián)科技股份有限公司魯效平，盛國(guó)軍

★卡奧斯工業(yè)智能研究院（青島）有限公司楊振發(fā)，陳錄城，王朋靜

1　引言

我國(guó)電機(jī)行業(yè)正處于一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，隨著全球?qū)Ω咝Ч?jié)能產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)，電機(jī)制造業(yè)開(kāi)始向高效、智能化方向轉(zhuǎn)型^[1,2]。為了適應(yīng)這一趨勢(shì)，企業(yè)積極探索數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通過(guò)引入自動(dòng)化生產(chǎn)線、信息化管理系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，提升設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的優(yōu)化和資源的合理配置。但同時(shí)其也面臨著諸多的挑戰(zhàn)，如高度定制化的系統(tǒng)集成、全流程數(shù)據(jù)管理、工業(yè)智能算法開(kāi)發(fā)等問(wèn)題。

數(shù)字孿生技術(shù)作為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要手段，通過(guò)建立物理系統(tǒng)的虛擬模型，并與現(xiàn)實(shí)中的物理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的精確仿真、監(jiān)控和優(yōu)化^[3,4]。在電機(jī)行業(yè)，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用潛力巨大，可為電機(jī)制造企業(yè)提供更加智能化、精準(zhǔn)化的生產(chǎn)管理和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化方案。

2　卡奧斯工業(yè)數(shù)字孿生軟件介紹

基于自身制造業(yè)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)踐，海爾卡奧斯打造了工業(yè)數(shù)字孿生軟件。該軟件通過(guò)數(shù)字化的手段構(gòu)建了一個(gè)與物理世界同樣的虛擬體，數(shù)字孿生基于真實(shí)數(shù)據(jù)，并深度融合人工智能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的了解、分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、控制決策。該軟件以工業(yè)設(shè)備的數(shù)字孿生為切入點(diǎn)，通過(guò)仿真模擬和深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)理解，優(yōu)化控制，打造虛實(shí)協(xié)同的工廠，并進(jìn)一步以虛擬指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)，幫助企業(yè)和用戶提高對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的管控，優(yōu)化供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)、規(guī)程及庫(kù)存^[5]，為企業(yè)提供由離散數(shù)字孿生到組合數(shù)字孿生，最后形成組織數(shù)字孿生的整體解決方案。

卡奧斯工業(yè)數(shù)字孿生軟件涵蓋設(shè)備物聯(lián)、數(shù)據(jù)主線、數(shù)字孿生、工業(yè)智能四大核心模塊，具備數(shù)據(jù)采集、治理及智能化應(yīng)用的全流程能力，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間、系統(tǒng)間的物聯(lián)、數(shù)聯(lián)、智聯(lián)，從而幫助企業(yè)可視（全場(chǎng)景三維/實(shí)景可視化、全要素?cái)?shù)據(jù)可視化）、可管（數(shù)據(jù)治理、設(shè)備管理與追蹤、生產(chǎn)流程管控）、可預(yù)測(cè)（生產(chǎn)計(jì)劃排程優(yōu)化、設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)）。如圖1所示。

圖1 卡奧斯工業(yè)數(shù)字孿生軟件體系架構(gòu)

設(shè)備物聯(lián)模塊提供設(shè)備接入、資產(chǎn)管理、規(guī)則引擎、可視化等服務(wù)。它通過(guò)MQTT、HTTP和CoAP等協(xié)議的加密傳輸，完成工業(yè)環(huán)境中全設(shè)備的接入以及數(shù)據(jù)采集，幫助傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備入網(wǎng)上云，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)環(huán)境中海量數(shù)據(jù)的接入以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，有效解決了物理模型與數(shù)字模型的真實(shí)性與動(dòng)態(tài)一致性問(wèn)題。

數(shù)據(jù)主線支持多源異構(gòu)的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。它通過(guò)可拖拽的模塊化的組件搭建數(shù)據(jù)ETL處理流程，同時(shí)內(nèi)置了低代碼的數(shù)據(jù)處理引擎靈活處理企業(yè)各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備、生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量、能耗等多方數(shù)據(jù)的統(tǒng)一治理分析，大幅提高了數(shù)據(jù)采集及清洗的效率、準(zhǔn)確性和便捷性。同時(shí)，它降低了大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)門檻，用戶只需簡(jiǎn)單操作組件面板的配置項(xiàng)，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)度任務(wù)處理，為企業(yè)決策提供了分析依據(jù)。

數(shù)字孿生場(chǎng)景編輯器可以快速搭建高逼真虛擬場(chǎng)景，設(shè)備模型庫(kù)了提供大量的工業(yè)設(shè)備在線模型，通過(guò)所見(jiàn)即所得的場(chǎng)景編輯器十幾分鐘即可創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的孿生工廠。它借助虛擬幾何三角面、動(dòng)態(tài)全局實(shí)時(shí)光照系統(tǒng)提供毫米級(jí)仿真精度以及影視級(jí)渲染效果，并通過(guò)拖拽式的可視化報(bào)表系統(tǒng)與場(chǎng)景中的模型進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)交互。

工業(yè)智能決策引擎可以提供圖形化的數(shù)據(jù)管理、模型訓(xùn)練、模型管理等功能，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)人員的工作復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了快速調(diào)優(yōu)模型和生產(chǎn)發(fā)布。它內(nèi)置了智能車間調(diào)度、故障預(yù)測(cè)等多個(gè)成熟算法，可以快速構(gòu)建APS等生產(chǎn)管理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)線設(shè)備及生產(chǎn)流程的仿真和對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程與結(jié)果的預(yù)測(cè)，推動(dòng)了生產(chǎn)排程和工藝的優(yōu)化調(diào)整，預(yù)測(cè)了可能發(fā)生的業(yè)務(wù)中斷及其影響，解決了供應(yīng)鏈體系問(wèn)題，改善了運(yùn)營(yíng)態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了制造流程中的需求平衡、資源平衡以整體生產(chǎn)環(huán)節(jié)的最優(yōu)化。

3　典型應(yīng)用案例

以電機(jī)行業(yè)某龍頭企業(yè)為例，該企業(yè)在穩(wěn)步發(fā)展的同時(shí)，面臨著整體的智能化水平難以滿足其日益旺盛的發(fā)展需求的痛點(diǎn)。通過(guò)實(shí)地溝通調(diào)研，該電機(jī)企業(yè)主要存在以下問(wèn)題與挑戰(zhàn)：

（1）數(shù)據(jù)基礎(chǔ)弱：電機(jī)生產(chǎn)制造場(chǎng)景復(fù)雜，存在海量多源異構(gòu)的工業(yè)數(shù)據(jù)，多樣性、復(fù)雜性的工業(yè)數(shù)據(jù)，容易造成工業(yè)場(chǎng)景信息孤島化。工廠在生產(chǎn)中產(chǎn)生大量信息，并分散在各個(gè)系統(tǒng)中，當(dāng)前企業(yè)的數(shù)據(jù)利用價(jià)值較低，數(shù)據(jù)浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，數(shù)據(jù)在電機(jī)生產(chǎn)中沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有價(jià)值。

（2）設(shè)備監(jiān)測(cè)不到位：工廠各種生產(chǎn)設(shè)備時(shí)刻保持在運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法及時(shí)有效監(jiān)測(cè)各用電設(shè)備電壓、電流、功率、功率因數(shù)、三相不平衡率、環(huán)境狀態(tài)等參數(shù)，對(duì)用能數(shù)據(jù)或設(shè)備狀態(tài)做不到預(yù)判斷，往往是設(shè)備停止運(yùn)行時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，安全隱患較大，影響設(shè)備壽命。

（3）產(chǎn)能不協(xié)調(diào)：作為傳統(tǒng)生產(chǎn)制造企業(yè)，生產(chǎn)制造端無(wú)相關(guān)設(shè)備連接，制造信息不透明，無(wú)法監(jiān)控整個(gè)工廠生產(chǎn)的整體進(jìn)度與設(shè)備情況，對(duì)于設(shè)備資產(chǎn)的管控不透明，生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息不互通，生產(chǎn)制造層面數(shù)字化智能化水平低，產(chǎn)能不協(xié)調(diào)。

圖2 電機(jī)工廠數(shù)字孿生智能生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)圖

針對(duì)上述問(wèn)題，基于卡奧斯工業(yè)數(shù)字孿生軟件，該企業(yè)打造了電機(jī)工廠數(shù)字孿生智能生產(chǎn)系統(tǒng)（如圖2所示）：

（1）利用設(shè)備物聯(lián)模塊采集生產(chǎn)設(shè)備的溫度、壓力、速度、產(chǎn)量計(jì)數(shù)等運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合3D可視化數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行精益化管理，提供設(shè)備臺(tái)賬、設(shè)備點(diǎn)檢、設(shè)備保養(yǎng)、設(shè)備維修、備件管理、在線遠(yuǎn)程維修等功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備使用方和設(shè)備制造方的高效溝通，實(shí)時(shí)調(diào)度人員和資源解決問(wèn)題，減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)長(zhǎng)。

（2）利用數(shù)據(jù)主線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理和分析，建立故障預(yù)警、診斷、設(shè)備生命周期等工業(yè)機(jī)理模型，融合知識(shí)圖譜發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在問(wèn)題，提高預(yù)測(cè)性維護(hù)的精度和效率；建立水、電、氣等對(duì)企業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵能源介質(zhì)的能耗數(shù)據(jù)時(shí)序存儲(chǔ)庫(kù)和能耗數(shù)據(jù)分析模型，可視化實(shí)時(shí)展示能耗情況，同時(shí)根據(jù)排產(chǎn)情況，給出最佳工廠用能方案。

（3）利用孿生建模系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行精細(xì)建模（如圖3所示），融合設(shè)備的幾何模型、數(shù)據(jù)模型與仿真的機(jī)理模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線中上千個(gè)點(diǎn)位的孿生建模與互操作，通過(guò)產(chǎn)能仿真和智能算法優(yōu)化，統(tǒng)計(jì)實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍與生產(chǎn)計(jì)劃差異，給出最佳排產(chǎn)方案。

圖3 電機(jī)工廠生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字孿生模型

通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，企業(yè)整體效益大大提升，設(shè)備故障處理時(shí)間降低了28%，設(shè)備綜合效率提升了16%。

4　總結(jié)與展望

數(shù)字孿生技術(shù)在電機(jī)行業(yè)的應(yīng)用展現(xiàn)了巨大的潛力和價(jià)值，它通過(guò)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的虛擬映射，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)管理和運(yùn)維等多個(gè)環(huán)節(jié)提升了效率和質(zhì)量，推動(dòng)了電機(jī)制造業(yè)向智能化、綠色化、服務(wù)化方向發(fā)展。卡奧斯工業(yè)數(shù)字孿生軟件，可以幫助電機(jī)企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高資源配置效率、縮短研發(fā)周期、降低成本，并可增強(qiáng)市場(chǎng)響應(yīng)能力。我們未來(lái)的研究和發(fā)展將集中在深化技術(shù)集成和提升數(shù)據(jù)管理能力方面，以開(kāi)發(fā)更加智能化的決策支持系統(tǒng)，助力更多行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

★基金項(xiàng)目：泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（tscx202306029）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（62303272）；山東省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（ZR2022QF038）；山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目（SDCX-ZG-202203036）；青島市博士后創(chuàng)新項(xiàng)目（QDBSH20240102160）。

作者簡(jiǎn)介：

魯效平（1981-），男，山東泰安人，教授級(jí)高工，現(xiàn)就職于卡奧斯物聯(lián)科技股份有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造關(guān)鍵技術(shù)等。

盛國(guó)軍（1970-），男，浙江紹興人，工程師，現(xiàn)就職于卡奧斯物聯(lián)科技股份有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造關(guān)鍵技術(shù)等。

楊振發(fā)（1993-），男，山東臨沂人，現(xiàn)就職于卡奧斯工業(yè)智能研究院（青島）有限公司，研究方向?yàn)橹悄軅鞲衅鳌⒐I(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模個(gè)性化定制理論及關(guān)鍵技術(shù)等。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊