数字孪生技术应用的“十沣方案”

方旭

十沣科技致力于高端研发设计类工业软件、数字孪生、数字能源系统与仿真云服务平台自主研发及产业化。通过以高端工业软件为核心的定制研发和技术服务、行业核心定制研发和技术服务，为企业提供核心产品数字化设计研发、工厂数字化和智能化改造等方面的一揽子解决方案

随着全球经济的快速发展和科技的进步，我国制造业正积极投身数字化、智能化转型升级中。特别是在以数字孪生技术为代表的新一代信息技术引领带动下，制造企业不仅能够提高生产效率、降低成本，还能提高产品质量、实现绿色生产。

数字孪生技术是近年来快速发展的一项技术，可以将现实世界中的对象或系统用数据形式进行建模，形成其“数字孪生”，并在虚拟世界中进行实验、仿真、优化等操作的技术。数字孪生技术的应用范围非常广泛，可以应用于制造业、建筑业、物流业等各个领域，为实现智能制造、智慧城市等目标提供了有力支持。浙江十沣科技有限公司（下称“十沣科技”）就是一家应用数字孪生技术，为制造企业提供核心产品数字化设计研发、工厂数字化和智能化改造的“高手”。

数字孪生VS虚拟产线调试

传统的工厂产线调试需要大量时间和成本，同时调试结果并不一定能够达到预期目标。针对这个问题，十沣科技提供了“仿真＋数字孪生”技术在工厂虚拟产线调试方面的应用，通过数字孪生技术，可以将实际设备与数字模型相结合，实现对设备的可视化管理和智能监控，提高管理效率；通过虚拟场景构建和虚拟设备建模，实现了对整个生产线的全面仿真，提高了调试效率；通过虚拟控制系统建模和虚拟调试仿真，实现了对控制系统的全面测试和优化。在数字技术的帮助下，传统的工厂生产线调试成本大幅降低，调试效率也得到了提高。

“在实践中，我们也遇到了一些难点，如如何实现数字孪生模型与实际设备的结合、如何提高数字模型的精度等。但我们通过不断的优化和改进，克服了这些问题。”十沣科技项目负责人表示，运用数字孪生技术实现虚拟产业的调试项目并不是一帆风顺。因为需要使用的技术水平较高，应用范围广泛，为此十沣科技针对该项目，进行了数字孪生模型建立、虚拟场景构建、虚拟设备建模、虚拟控制系统建模及虚拟调试仿真等多个场景和环节的打造。

数字孪生VS刀具管理

目前，除了在虚拟产线的调试项目中的应用，数字孪生技术还在机械加工等领域得到广泛应用，比如在刀具管理中，应用数字孪生技术可以较大地提高工厂的工作效率，降低成本。

制造型企业中，机床刀具的损耗较大、剩余使用寿命难以预测，进而使得由刀具问题导致的生产效率下降问题难以解决，需要针对刀具采取更先进的管理手段，以提升其利用率与安全性。十沣科技通过采集主轴电流（负载）信号、位置信号、速度信号等30多个维度数据信号，结合大数据流式处理、自然语言处理等自学习处理算法和行业多年经验数据沉淀，构建的一套完整的刀具寿命预测和状态监控管理系统。该系统实现了基于刀具状态监测和寿命预测的异常停机控制模块，降低了因刀具磨损导致的产品质量损失及异常撞机事故发生的概率；提供基于刀具状态监测和寿命预测的异常停机控制模块，避免因刀具异常导致的产品质量损失和异常撞机事故。

“应用系统后，可以减少约73%的由刀具问题引发的故障停机时间，提升约31.6%的设备利用率，大幅提高加工时间的占比与利用率。”该项目负责人表示，十沣科技利用数字孪生等技术，实时监测刀具状态，刀具不可靠时，及时对刀具磨损进行补偿或更换刀具；提高加工产品精度和表面质量，降低次品和废品率；减少设备停机时间，提高其利用率和生产率；降低机床事故发生率，保证机床加工系统的安全性。

数字孪生VS物流节拍

在物流业中，数字孪生技术可以将货物的物流过程进行虚拟化，提前发现问题，避免物流中出现问题，提高物流效率。十沣科技通过对工厂的实际状况进行分析，运用数字孪生技术对生产工序间的物流系统进行仿真建模，对生产工序间物流进行仿真模拟，并针对性地提出合理的优化方案。基于工厂的设计图，采用模块化的建模方法构建车间物流场景。然后结合仿真技术对物流路径进行仿真，并对物流系统过程进行平衡计算。

通过在不同任务和资源之间平衡工作负载，十沣科技的解决方案将物流线总作业时间从原来的1265s降低至695s，物流线平衡率从42.17%上涨至60.96%，物流线平衡损失率由57.83%下降至39.04%，设备利用率由70.36%提升至81.29%，较大程度上解决了原方案中出现的物流不平衡与物流瓶颈的问题，减少了物料流转瓶颈、缩短物流周期并提高了运输设备的利用率。

数字孪生VS仿真测试

除了赋能传统制造业，十沣科技亦能为高新技术企业实现赋能。杭州申昊科技股份有限公司（下称“申昊科技”）是一家致力于设备检测及故障诊断的高新技术企业，为工业设备安全运行及智能化运维提供综合解决方案。申昊科技开发了一系列具有自主知识产权的智能机器人及智能监测控制设备产品，可用于电力电网、轨道交通、油气化工等行业，为客户无人或少人值守和智能化管理提供有效的检测、监测手段。

为解决智能机器人产品研发设计中出现的一系列问题，十沣科技为其构建了面向机器人设计与仿真验证的工业数字孪生仿真系统和面向数字变电站与数字换流站的数字孪生系列产品。其中，工业数字孪生仿真系统是十沣科技为申昊科技打造的一体化机器人设计平台，工程师可通过该系统进行智能机器人产品的完整开发，功能模块包括机器人受电磁场干扰设计、流体力学设计、动力学设计、外观结构设计、机器人视觉设计、机器人操控性设计、电子电路设计、超声检测功能设计、机器人控制程序设计，以及机器人光学、照明以及激光系统设计等。

工程师通过该系统可进行智能机器人包括外观、结构、电路、操控程序、机器人视觉、运行轨迹、数据分析、图像处理和信息处理等方面的研发。该系统通过对真实作业场景进行三维建模，并利用第三方软件接口进行算法和调优，自动生成代码；通过定位导航系统中的编辑器，短时间内构建多样化的场景，包括室内和室外场景，以及路况、天气、动态障碍物等环境变化；通过快速构建不同场景可供开发人员随时进行算法调试，有利于快速部署及验证算法的可靠性和稳定性，加快算法迭代速度，提高开发效率。

未来，基于数字孪生技术的广泛应用范围，十沣科技将会在更多的领域推广、应用这项技术，提高效率，为工业智能化发展做出更大的贡献。

（作者单位：浙江十沣科技有限公司）