近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，制造行業(yè)迎來(lái)了新的技術(shù)革新機(jī)遇。
紡織產(chǎn)業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)和重要的民生產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是具有明顯國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要產(chǎn)業(yè)，目前正處在國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)劇烈變化的時(shí)期。國(guó)內(nèi)紡紗、化纖、針織、印染、制衣等各領(lǐng)域的生產(chǎn)企業(yè)為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的發(fā)展形勢(shì)，在政府的支持以及產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界的助力下，正積極主動(dòng)地尋找適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的產(chǎn)業(yè)升級(jí)、制造模式升級(jí)的新路徑。
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展與普及，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、信息物理系統(tǒng)（CyberPhysical Systems，CPS）、數(shù)字孿生（也可稱(chēng)數(shù)字映射、 數(shù)字鏡像等，Digital Twin）、數(shù)字主線（也稱(chēng)數(shù)字線程、數(shù)字紐帶等，Digital Thread）等技術(shù)不斷出現(xiàn)并快速融入工業(yè)生產(chǎn)中。
為搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，我國(guó)緊跟科技發(fā)展，提出“以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向”的戰(zhàn)略方針。
《中國(guó)制造2025》中明確提出，“基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革”，要圍繞控制系統(tǒng)、工業(yè)軟件、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)云服務(wù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)等，加強(qiáng)信息物理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。
《國(guó)務(wù)院關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中也明確提出，“構(gòu)建信息物理系統(tǒng)參考模型和綜合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，建設(shè)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)和綜合驗(yàn)證試驗(yàn)床，支持開(kāi)展兼容適配、互聯(lián)互通和互操作測(cè)試驗(yàn)證”。究竟如何使用這些新興技術(shù)促進(jìn)紡織行業(yè)快速升級(jí)，是行業(yè)面臨的重要問(wèn)題。
目前我國(guó)紡織行業(yè)在紡織裝備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，紡織車(chē)間信息化方面取得了顯著的進(jìn)步，但在智能工廠發(fā)展方面仍面臨模式創(chuàng)新不足、技術(shù)能力尚未形成、融合新生態(tài)發(fā)展不足、核心技術(shù)/軟件支撐能力薄弱等問(wèn)題。在科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)等機(jī)構(gòu)的支持下，智能制造、紡織相關(guān)的學(xué)術(shù)界和企業(yè)界正聯(lián)合起來(lái)為我國(guó)紡織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行積極的探索。
基于筆者所在團(tuán)隊(duì)前期對(duì)數(shù)字孿生、CPS等技術(shù)的研究以及在紡織智能制造領(lǐng)域的探索經(jīng)驗(yàn)，本文針對(duì)數(shù)字孿生、CPS等技術(shù)的發(fā)展加以綜述，并提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的紡紗智能工廠參考模型、紡紗關(guān)鍵設(shè)備信息模型、紡紗工藝信息模型及智能紡紗單元架構(gòu)。為建立適用于我國(guó)紡織領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)，提升紡織智能生產(chǎn)與精益管理提供思路。
01
數(shù)字孿生概念與系統(tǒng)組成
CPS最早由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出，其應(yīng)用場(chǎng)景是2006年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)組織召開(kāi)了 國(guó)際上首個(gè)關(guān)于信息物理系統(tǒng)的研討會(huì)，此后CPS得到了美國(guó)官方、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。德國(guó)的工業(yè)4.0實(shí)施建議將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)，并開(kāi)始展開(kāi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。
關(guān)于CPS的定義有多個(gè)，我國(guó)何積豐院士認(rèn)為CPS從廣義上理解，就是一個(gè)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過(guò)計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來(lái)增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)或者控制一個(gè)物理實(shí)體。
據(jù)此，可以認(rèn)為CPS的核心是3C，即計(jì)算（Compute）、通信 （Communication）和控制（Control）。
數(shù)字孿生概念最早由美國(guó)密歇大學(xué)Grieves教授提出，之后美國(guó)國(guó)防部將這一概念引入飛行器的健康維護(hù)中，其基于飛行器的物理模型構(gòu)建了完整的飛行器虛擬映射模型，利用歷史數(shù)據(jù)以及傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，形成了映射對(duì)象的全生命周期過(guò)程。這樣，飛行器運(yùn)行后可以通過(guò)數(shù)字孿生模型對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)估其能否滿足下一次的飛行任務(wù)。
Grieves等給出了面向復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生定義：數(shù)字孿生是一套從微觀原子級(jí)到宏觀幾何級(jí)全面描述潛在生產(chǎn)或?qū)嶋H制造產(chǎn)品的虛擬信息結(jié)構(gòu)。理論上任何可以通過(guò)檢測(cè)、實(shí)際制造產(chǎn)品所獲得的信息，都可以從它的數(shù)字孿生模型獲得。
數(shù)字主線是在數(shù)字孿生誕生后，由于技術(shù)需要誕生的，最早由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和NASA同時(shí)提出。Kraft提出的數(shù)字主線是一種可擴(kuò)展、可配置的企業(yè)級(jí)分析框架。在整個(gè)系統(tǒng)的生命周期中，通過(guò)提供訪問(wèn)、整合以及將不同/分散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可操作信息的能力 來(lái)通知決策制定者。
國(guó)內(nèi)工業(yè)4.0術(shù)語(yǔ)編寫(xiě)組將數(shù)字主線定義為利用先進(jìn)建模和仿真工具構(gòu)建的，覆蓋產(chǎn)品全生命周期與全價(jià)值鏈，從基礎(chǔ)材料、設(shè)計(jì)、工藝、制造以及使用維護(hù)全部環(huán)節(jié)，集成并驅(qū)動(dòng)以統(tǒng)一的模型為核心的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和保障的數(shù)字化數(shù)據(jù)流。
通過(guò)以上關(guān)于CPS、數(shù)字孿生與數(shù)字主線的介紹，可以看出三者既相互聯(lián)系，又有所不同。
提到數(shù)字孿生模型，讀者可能很容易聯(lián)想到有限元仿真模型。有限元仿真技術(shù)為構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型有很大幫助，但再完美的有限元模型也不能代替數(shù)字孿生。
數(shù)字孿生技術(shù)側(cè)重在映射對(duì)象的模型構(gòu)建及其數(shù)據(jù)描述，而數(shù)字主線側(cè)重的是不同數(shù)據(jù)集間的傳輸方法與技術(shù)，例如數(shù)據(jù)融合方法、通用數(shù)據(jù)接口技術(shù)等。正如數(shù)字主線的另一個(gè)名稱(chēng)“數(shù)字紐帶”的字面意思，數(shù)字主線是構(gòu)成數(shù)字孿生的模型間的數(shù)字紐帶。
CPS的概念較為學(xué)術(shù)化，很難直接在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)，它是在科學(xué)范疇內(nèi)定義了物理系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)間的關(guān)系。正因如此，NASA、美國(guó) General Dynamics（通用動(dòng)力）公司等才將CPS概念應(yīng)用在實(shí)際科研生產(chǎn)中，提出了更加便于技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字孿生和數(shù)字主線概念。
總之，數(shù)字孿生能夠映射（模擬）、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)和控制產(chǎn)品在物理空間中的運(yùn)行過(guò)程和行為，能夠在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的各個(gè)階段形成高效協(xié)同，能為全過(guò)程質(zhì)量追溯和產(chǎn)品全生命周期優(yōu)化奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而構(gòu)成真正數(shù)字化的產(chǎn)品全生命周期閉環(huán)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。
02
基于數(shù)字孿生技術(shù)的紡紗智能工廠參考模型
基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能工廠（車(chē)間）是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和企業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠中落地應(yīng)用，將是車(chē)間智能運(yùn)行和精準(zhǔn)管理的有效途徑。國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、東華大學(xué)等的相關(guān)團(tuán)隊(duì)都在不遺余力地發(fā)展這一技術(shù)。基于以上對(duì)數(shù)字孿生相關(guān)概念的解釋和討論，本節(jié)以紡紗工廠為例，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在紡織智能工廠的應(yīng)用進(jìn)行探討。
紡織領(lǐng)域涉及機(jī)械、化工、自動(dòng)化、環(huán)境和藝術(shù)設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)，產(chǎn)品包括纖維、紗線、織物、紡織制成品、紡織機(jī)械、紡織關(guān)鍵零部件等紡織裝備產(chǎn)品及紡織生產(chǎn)管理、運(yùn)維等環(huán)節(jié)。領(lǐng)域不同，對(duì)象不同，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)也不同。
針對(duì)各類(lèi)織物，對(duì)其在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)物流、使用及回收全生命周期中的狀態(tài)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)是研究重點(diǎn)；針對(duì)紡織裝備，構(gòu)建面向設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)防性維護(hù)的數(shù)字孿生模型是當(dāng)前迫切需要突破的；針對(duì)紡織生產(chǎn)車(chē)間運(yùn)行與管理，需要解決數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的車(chē)間制造過(guò)程監(jiān)控、資源管理、計(jì)劃調(diào)度、節(jié)能降耗等問(wèn)題。
針對(duì)紡紗智能工廠場(chǎng)景提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的紡紗智能工廠模型及相應(yīng)的信息模型，可供紡紗以外的其他紡織領(lǐng)域借鑒。
2.1
紡紗智能工廠參考模型
智能工廠是當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的重要場(chǎng)景。
以紡紗為例，我國(guó)的紡紗車(chē)間已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)始逐漸推廣，智能化的紡織裝備也陸續(xù)投入使用。相應(yīng)地，國(guó)內(nèi)的智能紡紗設(shè)備的互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)建立，通用物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)基本完備。在此背景下，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)推進(jìn)紡織車(chē)間信息化建設(shè)，真正實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。
筆者研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)紡紗智能車(chē)間建設(shè)，提出以智能紡紗單元為基礎(chǔ)的智能紡紗車(chē)間參考模型。
該模型依據(jù)工藝流程將紡紗智能工廠分為清梳、并粗、細(xì)紗和絡(luò)筒 4 個(gè)智能生產(chǎn)單元。通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將狀態(tài)感知、傳輸、計(jì)算與制造過(guò)程融合起來(lái)，形成“感知－分析－決策－執(zhí)行”的數(shù)據(jù)自由流動(dòng)閉環(huán)，最終建立以單元為基礎(chǔ)的車(chē)間數(shù)字孿生模型。
2.2
紡紗生產(chǎn)裝備互聯(lián)互通信息模型
智能紡紗單元數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)是智能生產(chǎn)設(shè)備間的互聯(lián)互通。筆者提出了典型紡紗車(chē)間中生產(chǎn)裝備的互聯(lián)互通信息模型。
該模型參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ Z 28821《關(guān)系數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)技術(shù)要求》和GB/Z 32630《非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)技術(shù)要求》，結(jié)合紡紗車(chē)間數(shù)據(jù)具體存儲(chǔ)形式，對(duì)紡紗裝備互聯(lián)互通信息模型進(jìn)行規(guī)范，包括對(duì)車(chē)間數(shù)字化設(shè)備的互聯(lián)互通信息模型進(jìn)行規(guī)范定義，通過(guò)規(guī)范運(yùn)行定義管理、執(zhí)行管理和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、質(zhì)量運(yùn)行數(shù)據(jù)、維護(hù)運(yùn)行數(shù)據(jù) 和物流運(yùn)行數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。
2.3
紡紗工藝流程信息模型
為構(gòu)建智能紡紗車(chē)間內(nèi)的信息流動(dòng)規(guī)范，除了要規(guī)范設(shè)備互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)規(guī)范工藝信息標(biāo)準(zhǔn)，使車(chē)間全流程生產(chǎn)智能管控得以實(shí)現(xiàn)。
本項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外通用信息模型應(yīng)用具體實(shí)例的基礎(chǔ)上，參考國(guó)際技術(shù)規(guī)范IEC/ PAS 63088《智能制造 工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型》，對(duì)紡紗流程信息模型進(jìn)行規(guī)范，包括對(duì)紡紗流程中涉及的紡紗車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度、紡紗工藝執(zhí)行與管理、紡紗生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量管理、紡紗生產(chǎn)流程管理和紡紗車(chē)間設(shè)備管理過(guò)程中的信息模型進(jìn)行規(guī)范。
2.4
智能紡紗單元架構(gòu)
智能紡紗單元是紡紗智能車(chē)間的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)紡紗全流程智能化管控的基礎(chǔ)。紡紗工藝流程長(zhǎng)，從抓棉、清棉、梳棉至絡(luò)筒、打包有十幾道工序，涉及幾十種紡紗設(shè)備。根據(jù)紡紗工藝特點(diǎn)，將紡紗設(shè)備群分為清梳、 并粗、細(xì)紗、絡(luò)筒等 4 個(gè)生產(chǎn)單元。每個(gè)單元均具有物理層、通信層、信息層及控制層。以清梳單元為例，紡紗智能單元可按圖 4 所示架構(gòu)建設(shè)。
03
展 望
盡管數(shù)字孿生技術(shù)在紡織智能制造領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，但在推廣應(yīng)用過(guò)程中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。智能裝備、智能傳感及智能工廠等技術(shù)在不同的紡織領(lǐng)域中的發(fā)展水平各有不同，這造成數(shù)字孿生技術(shù)尚無(wú)法完全在紡織全產(chǎn)業(yè)鏈中充分普及。本文結(jié)合紡紗智能工廠應(yīng)用場(chǎng)景，從以下 3 個(gè)方面探討數(shù)字孿生技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用前景并加以展望。
3.1
基于數(shù)字孿生的柔性制造單元技術(shù)
基于前文的闡述，通過(guò)在紡紗智能車(chē)間中依據(jù)工藝流程建設(shè)清梳、并粗等 4 個(gè)智能單元數(shù)字孿生模型，構(gòu)成含有“感知－分析－決策－執(zhí)行”的數(shù)據(jù)自由流動(dòng)閉環(huán)，可為制造工藝與流程信息化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和控制基礎(chǔ)。通過(guò)單元內(nèi)部資源優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效的車(chē)間資源優(yōu)化，是建設(shè)紡織智能工廠的基礎(chǔ)。柔性制造單元在機(jī)械制造領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。以單元為單位構(gòu)建新型智能工廠是紡織柔性化制造的一條出路。數(shù)字孿生技術(shù)是智能單元的基礎(chǔ)技術(shù)，研究紡紗、化纖、染整等不同領(lǐng)域的智能單元技術(shù)，是紡織智能工廠發(fā)展的重中之重。
3.2
智能紡紗裝備預(yù)測(cè)性維護(hù)
紡織生產(chǎn)設(shè)備需具備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，建設(shè)無(wú)人工廠更是紡織行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。完善的紡紗單元數(shù)字孿生模型必須能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備的故障診斷，進(jìn)而提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)施預(yù)防性維護(hù)，自動(dòng)制訂停產(chǎn)檢修計(jì)劃。
目前，預(yù)防性維護(hù)技術(shù)在航空、機(jī)床等領(lǐng)域已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，但在紡織領(lǐng)域應(yīng)用還有待深入?；跀?shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建智能紡紗裝備的預(yù)防性維護(hù)技術(shù)，將是未來(lái)紡織智能制造重點(diǎn)突破的領(lǐng)域之一。
3.3
智能紡紗全過(guò)程的一體化生產(chǎn)管控
通過(guò)各智能生產(chǎn)單元間、生產(chǎn)單元與車(chē)間管理系統(tǒng)間以及各單元內(nèi)部的智能紡紗機(jī)械之間的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)各層次信息的共享和數(shù)據(jù)傳輸以及物流和信息流的統(tǒng)一，是實(shí)現(xiàn)全廠管控一體化的必要條件。
通過(guò)建立車(chē)間數(shù)據(jù)模型支撐生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化處理，通過(guò)提取生產(chǎn)單元的生產(chǎn)狀況并采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為指導(dǎo)生產(chǎn)和優(yōu)化工藝提供智能決策是當(dāng)前紡織智能制造需要突破的重點(diǎn)。
04
結(jié) 語(yǔ)
數(shù)字孿生技術(shù)作為當(dāng)前智能制造技術(shù)中的熱點(diǎn)，正在給我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)巨大變化。
在紡織領(lǐng)域引入數(shù)字孿生技術(shù)，必將推動(dòng)我國(guó)智能紡織裝備、智能紡織、智能紡織品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的變革升級(jí)，創(chuàng)造新的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。
目前數(shù)字孿生技術(shù)在紡織裝備預(yù)測(cè)性維護(hù)、紡織生產(chǎn)智能管控、紡織智能工廠等方面均有較好的應(yīng)用前景。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與制造業(yè)的深入融合，數(shù)字孿生將更容易實(shí)現(xiàn)。紡織智能制造標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定是當(dāng)前紡織智能制造的重中之重，只有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一才能夠真正實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，才能夠?yàn)閿?shù)字孿生技術(shù)鋪路搭橋。紡織行業(yè)當(dāng)抓住這一技術(shù)發(fā)展的歷史時(shí)機(jī)，加快新技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合，在紡織智能制造標(biāo)準(zhǔn)上下足功夫，為保持我國(guó)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)提供新的動(dòng)能。
> 展商新聞 > 2019-07-22
