數(shù)字孿生技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用研究

劉 巖

（唐鋼國(guó)際工程技術(shù)股份有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

數(shù)字孿生技術(shù)最早提出是用于航空航天領(lǐng)域，美國(guó)NASA 指出“一個(gè)數(shù)字孿生，是一種集成化了的多種物理量、多種空間尺度的運(yùn)載工具或系統(tǒng)的仿真，該仿真使用了當(dāng)前最為有效的物理模型、傳感器數(shù)據(jù)的更新、飛行的歷史等等，來鏡像出其對(duì)應(yīng)的飛行當(dāng)中孿生對(duì)象的生存狀態(tài)”[1]。目前隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)已逐步應(yīng)用于智慧工廠、智慧城市等領(lǐng)域。鋼鐵生產(chǎn)作為典型的流程制造業(yè)，具備工藝復(fù)雜、物料交叉、生產(chǎn)節(jié)奏緊湊等特點(diǎn)。傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)往往通過人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的情況進(jìn)行判斷和決策，在新產(chǎn)品試制和研發(fā)的過程中更多依賴專業(yè)人員對(duì)設(shè)備和工藝的認(rèn)識(shí)進(jìn)行分析和判斷。而數(shù)字孿生技術(shù)關(guān)注于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與虛擬世界的統(tǒng)一，借助虛擬環(huán)境下的物質(zhì)流、能量流和信息流的仿真，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)與預(yù)判，可有效提高生產(chǎn)過程的精細(xì)程度，加速鋼鐵企業(yè)智能制造進(jìn)程。

本文介紹了數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的實(shí)施步驟和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，著重闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)流程中的應(yīng)用特點(diǎn)以及擬解決的問題，并對(duì)在鋼鐵生產(chǎn)流程中的各種具體應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1 數(shù)字孿生與工業(yè)生產(chǎn)

數(shù)字孿生技術(shù)涉及仿真計(jì)算、三維建模、動(dòng)態(tài)感知、信息傳遞與處理等多項(xiàng)技術(shù)。綜合國(guó)內(nèi)外關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)的定義和研究成果，可總結(jié)出數(shù)字孿生技術(shù)是打通物理實(shí)體世界與虛擬實(shí)體世界連接，形成二者之間動(dòng)態(tài)連接的橋梁。針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，通過數(shù)字孿生技術(shù)將工藝生產(chǎn)仿真模型算法與虛擬工廠進(jìn)行結(jié)合，可以通過虛擬世界的仿真計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)、輔助決策、改進(jìn)工藝，有效避免生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的不可預(yù)知因素，提高生產(chǎn)效率[2]。建設(shè)工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字孿生系統(tǒng)分為三個(gè)階段：

第一階段，實(shí)體工廠的靜態(tài)虛擬化。將工廠內(nèi)部的廠房、設(shè)備、管線等設(shè)施通過BIM（Building Information Modeling）技術(shù)進(jìn)行建模。模型不僅包括了靜態(tài)物體的外觀尺寸信息，還賦予了模型設(shè)計(jì)階段的各種設(shè)計(jì)參數(shù)，區(qū)別于以往的三維逆向建模方式，BIM 模型豐富的屬性信息為后續(xù)模型應(yīng)用提供了無限可能。

第二階段，實(shí)體工廠的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。通過現(xiàn)場(chǎng)傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸手段將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況反饋到虛擬工廠，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境狀況與采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，驅(qū)動(dòng)虛擬場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行隨動(dòng)，建立虛實(shí)世界的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

第三階段，生產(chǎn)工藝的仿真與反饋。通過智能算法，將復(fù)雜的生產(chǎn)過程數(shù)字化，通過若干個(gè)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，耦合程度復(fù)雜的因素進(jìn)行建模，形成仿真算法并在虛擬工廠環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，往往可用于新產(chǎn)品的試制、現(xiàn)有產(chǎn)品的升級(jí)改造，以及工藝過程的優(yōu)化。在虛擬平臺(tái)進(jìn)行仿真測(cè)試，一方面可以直觀反饋運(yùn)行結(jié)果，另一方面可以極大程度減少改進(jìn)過程中的生產(chǎn)資源占用和能源消耗。

2 數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)的核心是通過虛擬建模手段，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或生產(chǎn)情況進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)，通過生產(chǎn)過程的計(jì)算模擬預(yù)測(cè)并展示物理場(chǎng)景，以及虛擬現(xiàn)實(shí)的交互，為生產(chǎn)提供決策依據(jù)，改進(jìn)生產(chǎn)方式。因此可知數(shù)字孿生的關(guān)進(jìn)技術(shù)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 數(shù)字化交付技術(shù)

數(shù)字化交付技術(shù)指的是工程建設(shè)過程中，將設(shè)計(jì)成果、采購資料、施工記錄等建設(shè)階段的信息，通過一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行收集和整理，完成工程建設(shè)項(xiàng)目最初階段的數(shù)據(jù)池。隨著BIM 設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，BIM 技術(shù)與數(shù)字化交付技術(shù)的融合，形成了基于可視化平臺(tái)的全專業(yè)、全設(shè)備的交付方式。數(shù)字化交付技術(shù)完成了建設(shè)、采購、施工階段的數(shù)據(jù)收集，完成了工廠BIM 物理模型的創(chuàng)建，搭建了虛擬世界的可視化模型平臺(tái)，為數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了模型與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)

設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況需要傳感器進(jìn)行采集，目前傳感器數(shù)據(jù)的傳輸方式多采用模擬量傳輸方式，通過電壓或電流信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行解析。但針對(duì)一些采集精度高的應(yīng)用場(chǎng)景，這種采集方式的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性并不能滿足需求，尤其是一些改造項(xiàng)目，需要新加檢測(cè)設(shè)備，傳統(tǒng)傳輸方式增加了項(xiàng)目實(shí)施成本。物聯(lián)網(wǎng)與5G 技術(shù)的發(fā)展為數(shù)據(jù)采集和傳輸提供了新的解決方案，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)強(qiáng)調(diào)萬物互聯(lián)，5G 的低延時(shí)、高速率特性加強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蔥3]。在工廠，通過建設(shè)統(tǒng)一的工廠數(shù)據(jù)庫，將各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集和存儲(chǔ)，方便數(shù)字孿生技術(shù)連接和抓取。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，使人沉浸于模仿現(xiàn)實(shí)的虛擬環(huán)境中，通過視覺、聽覺、觸覺感受，增強(qiáng)虛擬世界的效果，同時(shí)允許使用者對(duì)現(xiàn)實(shí)的實(shí)際環(huán)境或物體進(jìn)行操作[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)延伸了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，將虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的互動(dòng)提高到了一個(gè)新的層次[5]。

2.4 分析處理技術(shù)

數(shù)字孿生過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行有序的組織與處理，對(duì)某一生產(chǎn)過程、某一生產(chǎn)現(xiàn)象或某一設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，形成過程仿真計(jì)算。以往的仿真傾向于將實(shí)體抽象化的生產(chǎn)過程仿真計(jì)算，是將單一的復(fù)雜的實(shí)體進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，關(guān)注于關(guān)鍵問題的研究與計(jì)算。而數(shù)字孿生則是對(duì)實(shí)體的復(fù)刻，是對(duì)復(fù)雜過程、多耦合實(shí)體的綜合仿真處理，將不同專業(yè)、不同領(lǐng)域的問題放在統(tǒng)一平臺(tái)、同一模型上進(jìn)行研究。數(shù)字孿生過程中的數(shù)據(jù)處理涉及到不同周期，建模仿真過程也需要多維度、多尺度統(tǒng)一考慮。因此數(shù)據(jù)的分析處理是數(shù)字孿生技術(shù)的核心。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用

3.1 鋼鐵企業(yè)信息化建設(shè)的現(xiàn)狀分析

目前，隨著自動(dòng)化、信息化進(jìn)程的不斷深化，鋼鐵企業(yè)的信息技術(shù)得了長(zhǎng)足發(fā)展，建立了從產(chǎn)線檢測(cè)到公司運(yùn)營(yíng)支持的五級(jí)信息化系統(tǒng)架構(gòu)。一級(jí)為產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)，二級(jí)為產(chǎn)線專家系統(tǒng)，三級(jí)為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理，四級(jí)為企業(yè)資源管理，五級(jí)為公司智慧運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。鋼鐵企業(yè)五級(jí)信息化架構(gòu)覆蓋了從原料進(jìn)廠到產(chǎn)品訂單銷售的全過程，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理程度和智能制造水平。此外，鋼鐵企業(yè)的建設(shè)周期包括設(shè)計(jì)、采購、建設(shè)、生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)直至退役。上面提到的信息化系統(tǒng)覆蓋了生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)全過程。

雖然目前信息化系統(tǒng)相對(duì)完備，但同樣存在著問題。首先，建設(shè)過程中的數(shù)據(jù)收集程度較差，一個(gè)項(xiàng)目基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源均產(chǎn)生于設(shè)計(jì)階段，設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、儀表的檢測(cè)范圍等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)往往停留在圖紙和設(shè)備表上，采購過程中對(duì)供應(yīng)商的管理和隨機(jī)資料等數(shù)據(jù)不能得到妥善管理，安裝調(diào)試過程中產(chǎn)生的記錄也沒有被收集，紙質(zhì)版的設(shè)計(jì)成果并不方便查詢和保存；其次，在項(xiàng)目運(yùn)維階段，缺少了一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集成展示平臺(tái)，雖然已經(jīng)建立了完備的五級(jí)信息化架構(gòu)，但對(duì)于公司領(lǐng)導(dǎo)層來說，沒有一個(gè)貫穿五級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一展示平臺(tái)來承載所有數(shù)據(jù)；最后，在流程行業(yè)特別是鋼鐵企業(yè)需要在生產(chǎn)制造之前對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行模擬仿真生產(chǎn)，以檢驗(yàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)生產(chǎn)結(jié)果，目前雖然很多產(chǎn)線都已經(jīng)具備了相關(guān)仿真能力，但往往只是對(duì)單一產(chǎn)線，或單一環(huán)節(jié)的仿真計(jì)算，難以模擬現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境條件和多耦合體交織影響的真實(shí)條件。

3.2 數(shù)字孿生技術(shù)在鋼鐵行業(yè)擬解決的問題

數(shù)字孿生技術(shù)依托其高還原程度、高計(jì)算能力等特點(diǎn)，著力解決目前鋼鐵企業(yè)信息化建設(shè)存在痛點(diǎn)。

（1）數(shù)字化交付技術(shù)可為數(shù)字孿生提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與模型庫[7]。數(shù)字化交付概念的提出有別于以往以藍(lán)圖和設(shè)備表的紙質(zhì)交付方式。數(shù)字化交付是通過一個(gè)軟件平臺(tái)，將設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、采購數(shù)據(jù)和安裝調(diào)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合，以設(shè)備或管線位號(hào)作為唯一檢索標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)聯(lián)該設(shè)備生命周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。交付物的格式可以是電子版圖紙、PDF 或OFFICE 電子文檔。隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可集成在BIM 模型中，通過模型進(jìn)行直觀的審查和應(yīng)用，因此將BIM 與數(shù)字化交付技術(shù)結(jié)合，可形成更直觀的三維交付方式。數(shù)字孿生技術(shù)的重要依托之一就是現(xiàn)場(chǎng)物理實(shí)體設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)與實(shí)體模型，從全生命周期維度上講，將三維數(shù)字化交付系統(tǒng)應(yīng)用范圍從設(shè)計(jì)、采購、施工擴(kuò)展到生產(chǎn)運(yùn)維階段，便可將鋼鐵企業(yè)全生命周期的模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，為數(shù)字孿生技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）數(shù)字孿生技術(shù)可承載全五級(jí)信息架構(gòu)數(shù)據(jù)。鋼鐵企業(yè)日常生產(chǎn)可產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的組織、采集和處理需要嚴(yán)密的邏輯和有效的承載平臺(tái)。在業(yè)務(wù)管理部門已經(jīng)具備完備的本專業(yè)信息化系統(tǒng)的情況下，數(shù)字孿生技術(shù)的價(jià)值點(diǎn)在于融合不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在同一平臺(tái)進(jìn)行集成展示。如針對(duì)公司領(lǐng)導(dǎo)層，更關(guān)注于企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)的集成、能源環(huán)保等關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋、生產(chǎn)資源的指揮調(diào)度等信息。通過數(shù)字孿生平臺(tái)從各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中抽取數(shù)據(jù)，直觀反應(yīng)在三維立體場(chǎng)景中，提升數(shù)據(jù)的獲取效率；針對(duì)產(chǎn)線級(jí)生產(chǎn)管理，數(shù)字孿生平臺(tái)可將生產(chǎn)過程的仿真結(jié)果通過三維畫面和場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，提升仿真試驗(yàn)性生產(chǎn)的效率和直觀性，同時(shí)對(duì)于日常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，數(shù)字孿生系統(tǒng)抽取設(shè)備管理系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、檢維修關(guān)鍵提示記錄，抽取MES生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)方便用戶直觀獲取生產(chǎn)資源組織；針對(duì)車間級(jí)應(yīng)用，數(shù)字孿生系統(tǒng)可集成數(shù)字化交付成果，依托BIM 設(shè)計(jì)成果與可視化技術(shù)形成可視化資產(chǎn)管理平臺(tái)，方便用于查閱管轄范圍內(nèi)各關(guān)鍵設(shè)備的全生命周期數(shù)據(jù)[8]。三維場(chǎng)景內(nèi)部的生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成使數(shù)據(jù)監(jiān)控的過程更加直觀。數(shù)字孿生平臺(tái)在鋼鐵企業(yè)信息化架構(gòu)中的定位如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生平臺(tái)在鋼鐵企業(yè)信息化架構(gòu)中的定位Fig.1 Positioning of digital twin platform in the information architecture of steel enterprises

3.3 數(shù)字孿生技術(shù)的具體應(yīng)用

生產(chǎn)管控大廳的生產(chǎn)、調(diào)度管理數(shù)據(jù)的集中展示。在鋼鐵企業(yè)調(diào)度指揮大廳內(nèi)，集成了設(shè)備、能環(huán)、生產(chǎn)、調(diào)度、物流等部門的數(shù)據(jù)，在管控平臺(tái)內(nèi)如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和應(yīng)用是數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠解決的一個(gè)重要問題。數(shù)字孿生平臺(tái)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生平臺(tái)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Data structure of digital twin platform

（1）數(shù)字孿生系統(tǒng)的價(jià)值在于對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集、對(duì)生產(chǎn)關(guān)系的仿真。鋼鐵企業(yè)日常生產(chǎn)過程中的仿真生產(chǎn)涉及到方方面面。在原料系統(tǒng)中，對(duì)于散裝料料庫如何高效利用的問題一直是工藝生產(chǎn)研究的重點(diǎn)，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)模擬料條內(nèi)如何布置不同的散裝料，將堆取料機(jī)和皮帶輸送系統(tǒng)進(jìn)行建模，有效指導(dǎo)散裝料貯料作業(yè)。在燒結(jié)系統(tǒng)，通過模擬布料厚度、燒結(jié)溫度、風(fēng)閥開度等燒結(jié)過程，可有效控制燒透點(diǎn)，直觀顯示效果。在煉鋼車間通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建真實(shí)比例的三維場(chǎng)景與設(shè)備，將天車倒運(yùn)過程進(jìn)行模擬，三維場(chǎng)景內(nèi)劃定不同的天車運(yùn)行路徑合理規(guī)劃，提高生產(chǎn)效率降低設(shè)備利用率。

（2）VR 技術(shù)作為數(shù)字孿生技術(shù)的延伸可有效應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)產(chǎn)前培訓(xùn)和考核，使員工在不進(jìn)入實(shí)體環(huán)境的情況下完成對(duì)生產(chǎn)過程的直觀感受和培訓(xùn)，尤其在煉鋼、煉鐵等復(fù)雜危險(xiǎn)的環(huán)境下，實(shí)體培訓(xùn)不僅危險(xiǎn)系數(shù)高，還會(huì)占用正常的生產(chǎn)和檢修時(shí)間。通過數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建的模擬工廠，場(chǎng)景還原度高，還能產(chǎn)生互動(dòng)。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展將物理世界與數(shù)字世界之間建起了橋梁。實(shí)體模型的創(chuàng)建、計(jì)算模型的形成和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集是數(shù)字孿生的核心問題。鋼鐵企業(yè)通過多年的信息化建設(shè)，形成了以五級(jí)架構(gòu)為主體的智能制造體系。物聯(lián)網(wǎng)和5G 傳輸技術(shù)逐步推廣和應(yīng)用為數(shù)字孿生技術(shù)的落地提供了數(shù)據(jù)源；BIM 技術(shù)與數(shù)字化交付技術(shù)在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用為數(shù)字孿生技術(shù)提供了模型與靜態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；產(chǎn)線的專家系統(tǒng)應(yīng)用為數(shù)字孿生技術(shù)提供了計(jì)算模型基礎(chǔ)。

綜上所述，目前數(shù)字孿生技術(shù)與鋼鐵企業(yè)信息化系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)形成密切的關(guān)聯(lián)，如何將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)決策、指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本將成為鋼鐵企業(yè)信息化建設(shè)的新方向。