把工廠搬到虛擬空間里，有什么用？

對(duì)于車間的管理人員或者工程人員來說，偌大工廠的管理和生產(chǎn)安排變得沒那么困難了。一汽新能源汽車工廠占地面積78萬平方米，什么概念？相當(dāng)于105個(gè)足球場那么大。

好在，數(shù)字孿生虛擬出來的工廠，與真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境1：1對(duì)應(yīng)，人在辦公室，就能看到生產(chǎn)現(xiàn)場一舉一動(dòng)。在數(shù)字孿生的應(yīng)用中，管理人員能夠看到每一個(gè)車間的工作情況，通過搜索定位、“拖拉拽”等簡單交互，就能定位到生產(chǎn)線的每一個(gè)細(xì)節(jié)。

此外，數(shù)字孿生也降低了工人看懂?dāng)?shù)據(jù)的門檻�！八�不需要你有什么CAD的經(jīng)驗(yàn)、也不需要有太多專業(yè)知識(shí)�！� 阿里云工業(yè)大腦數(shù)字孿生產(chǎn)品經(jīng)理伍劍向放大燈介紹，就算擰螺絲的工人也看得懂。

除了實(shí)時(shí)性，“回放”也是數(shù)字孿生的重要功能。生產(chǎn)監(jiān)管因此變得一目了然：借助數(shù)字孿生，工程師們可以快速追溯生產(chǎn)數(shù)據(jù)，甚至細(xì)化到當(dāng)時(shí)螺絲的力矩，更容易分析故障的原因；在車輛交付給消費(fèi)者后， “回放”仍然可以在售后服務(wù)中發(fā)揮作用。

但想讓這一切科幻感的事情在工廠里發(fā)生，并不容易。傳感器、通信模組、數(shù)采軟件、算法等軟硬件，它們是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。

伍劍告訴放大燈團(tuán)隊(duì)，一個(gè)完整的數(shù)字孿生工廠，涉及至少三個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。

首先是數(shù)字孿生的載體平臺(tái)。無論是設(shè)備的運(yùn)行狀況，還是生產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，都需要運(yùn)行的載體。這是整個(gè)數(shù)字孿生中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的一套系統(tǒng)。

其次是三維技術(shù)。孿生世界要與物理世界完成“一一對(duì)應(yīng)”，就意味著工程師要用大量三維技術(shù)還原工廠設(shè)備�！皵�(shù)字孿生”成為工業(yè)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)的�？�，就不奇怪了。（去年，阿里云的工業(yè)大腦數(shù)字孿生剛剛拿了中國設(shè)計(jì)智造大獎(jiǎng)“金獎(jiǎng)”。）

搭建好的三維模型，還要接入工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，才能把它們驅(qū)動(dòng)起來。換句話說，這些三維模型不是用來觀賞的，它要實(shí)實(shí)在在反映、指導(dǎo)生產(chǎn)動(dòng)作。這需要特別精準(zhǔn)、高性能的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)。

如果回到原點(diǎn)，第一個(gè)環(huán)節(jié)就是對(duì)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的改造，排頭兵就是異常復(fù)雜的連接設(shè)備傳感器和PLC可編程邏輯控制器。

隨著工廠自動(dòng)化設(shè)備越來越多，設(shè)備接入點(diǎn)位和十年前相比，可能增加了二、三十倍。這些數(shù)據(jù)包括但不僅限于：

工廠的物流、倉儲(chǔ)、內(nèi)部控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的管理類數(shù)據(jù)；

溫濕度計(jì)、機(jī)械臂等IoT類傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；

在進(jìn)行安全管理、質(zhì)量檢查時(shí)，工廠還會(huì)借助視頻手段，這些視頻又是一類數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)如何采集、監(jiān)控并為生產(chǎn)提供參考，成了所有工廠跨越簡單自動(dòng)化的切入點(diǎn)。

在一汽紅旗新能源工廠，阿里云和機(jī)械九院自主研發(fā)出一套數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集的設(shè)備點(diǎn)位在工廠的五大車間里超過數(shù)百萬個(gè)，數(shù)采頻次最高可達(dá)200毫秒／次。大量的設(shè)備點(diǎn)位高頻次介入，數(shù)采平臺(tái)能不能撐��？這十分考驗(yàn)系統(tǒng)的處理能力。在紅旗新能源工廠項(xiàng)目上線前，阿里云做了一個(gè)月的模擬測試，當(dāng)有60萬設(shè)備點(diǎn)位接入時(shí)，CPU的開銷只占到30％以下。

對(duì)行業(yè)來說，這是個(gè)新記錄。

當(dāng)然，對(duì)車企來說，數(shù)采的手段并不重要，重要的是數(shù)據(jù)拿到手之后，如何用起來。“數(shù)據(jù)采集后，關(guān)鍵在于對(duì)數(shù)據(jù)治理的環(huán)節(jié)，這是核心技術(shù)�！币黄�集團(tuán)工程與生產(chǎn)物流部總裝工藝部總監(jiān)、一汽紅旗新能源工廠項(xiàng)目負(fù)責(zé)人董瑋在先前的采訪中曾經(jīng)表示：“這些核心技術(shù)我們肯定希望掌握在自己的手里，來保證數(shù)據(jù)模型搭建的自主性�！�

數(shù)字工廠中的數(shù)據(jù)流向。

圖丨放大燈團(tuán)隊(duì)據(jù)采訪整理

數(shù)字孿生對(duì)數(shù)據(jù)的完整性提出了事無巨細(xì)的要求，讓車企“自主掌握數(shù)據(jù)”成為一個(gè)基本要求。歸根結(jié)底，一座數(shù)字孿生工廠，就是整個(gè)工廠的所有數(shù)據(jù)的集合。難怪機(jī)械工業(yè)九院副總經(jīng)理李允升這樣說：“我們給一汽紅旗交付的是一個(gè)真正數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工廠�！�

1分鐘生產(chǎn)1臺(tái)車，機(jī)器人絕不罷工

不過數(shù)字孿生，只是智能工廠的一塊拼圖。

阿里云和機(jī)械工業(yè)九院合作的“汽車數(shù)字工廠”，當(dāng)然不只有數(shù)字孿生——實(shí)際上，基于數(shù)據(jù)和智能算法，數(shù)字工廠還在做更多的事。

放大燈團(tuán)隊(duì)據(jù)采訪信息整理

在一汽紅旗新能源工廠里，智能應(yīng)用遍布五大車間。

其中比較容易理解的是用算法對(duì)質(zhì)量做預(yù)測分析。打個(gè)比方，我們該怎樣判斷一顆螺絲有沒有擰好？在傳統(tǒng)的流水線上，這項(xiàng)工作當(dāng)然需要人去做檢查，但在數(shù)字工廠，就需要更自動(dòng)化的策略。

IoT數(shù)據(jù)采集，當(dāng)然能測出擰這顆螺絲用了多大力、擰了多少度數(shù)——但這還不夠，數(shù)據(jù)指標(biāo)不能解決一切問題，因?yàn)槊款w螺絲、每塊鋼板都存在微小的差異。工廠是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，綜合考慮這些復(fù)雜的因素，就需要建立算法模型，對(duì)“擰好螺絲”這件小事作出判斷。

這只是汽車數(shù)字工廠智能算法的一個(gè)縮影。類似的算法，被應(yīng)用到?jīng)_壓、焊接、涂裝、總裝、電池電驅(qū)各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，即時(shí)對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量給出判斷。

另外一類算法，則是對(duì)生產(chǎn)設(shè)備本身的預(yù)測性維護(hù)。

高速生產(chǎn)的流水線中，每一個(gè)環(huán)節(jié)掉鏈子，都會(huì)打亂整個(gè)生產(chǎn)節(jié)奏。

“繁榮工廠”設(shè)計(jì)的生產(chǎn)節(jié)拍是60JPH（jobs per hour），即每小時(shí)完成60個(gè)作業(yè)、每分鐘就有一輛汽車整裝下線。如果一年停工10次，每次停工3小時(shí)，就會(huì)減少1800臺(tái)產(chǎn)量，實(shí)際損失上億。提前發(fā)現(xiàn)問題、集中處置，減少產(chǎn)線停工的發(fā)生，正是這套預(yù)測性維護(hù)算法帶來的直接提升。

它通過IoT數(shù)采的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，和流水線設(shè)備本身的壽命參數(shù)結(jié)合，以判斷設(shè)備是否有部件即將超過使用壽命、需要維修，并由系統(tǒng)在第一時(shí)間向工程師報(bào)告問題。

如何報(bào)告呢？最快最明了的方式，就是在數(shù)字孿生的虛擬工廠里，顯示出一個(gè)巨大的預(yù)警信號(hào)。即便是一線的工人也能馬上理解，有什么可怕的事情正在發(fā)生，必須盡快解決。

人類對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的改造永遠(yuǎn)不會(huì)停止。福特T型車之所以短時(shí)間內(nèi)成為風(fēng)靡全球的爆款車型，要?dú)w功于福特在1913年發(fā)明的工業(yè)流水生產(chǎn)線。這條產(chǎn)線第一次實(shí)現(xiàn)了汽車零部件的標(biāo)準(zhǔn)化，第一次在總裝車間采用了機(jī)械傳送帶，也讓造一輛車的時(shí)間第一次縮短到93分鐘。

為了更高的效率和品質(zhì)，此后的一百年里人們幾乎窮盡了自動(dòng)化的所有可能。下一個(gè)問題便是如何降低自動(dòng)化的費(fèi)效比，如何讓數(shù)據(jù)成為最重要的生產(chǎn)憑據(jù)——數(shù)據(jù)、智能算法、數(shù)字孿生已經(jīng)是繞不開的“產(chǎn)線新勢力”。

下個(gè)時(shí)代的“T型車”，無法簡單地從一堆機(jī)械臂中誕生，智能制造的浪潮已經(jīng)到來。

References：

［1］ 中山大學(xué)今年實(shí)行大類招生、集中培養(yǎng)：計(jì)算機(jī)類可分流到土木

［2］ 數(shù)字孿生：企業(yè)數(shù)字化未來之門

［3］ 阿里云《城市大腦：探索“數(shù)字孿生城市”》白皮書

［4］ 阿里云獲中國設(shè)計(jì)智造金獎(jiǎng)，工業(yè)大腦“數(shù)字孿生”成行業(yè)新寵兒

［5］ 譚建榮院士：用數(shù)字孿生技術(shù)賦能美好生活

［6］ Digital Twins： why virtual replicas of assets create real business value

［7］ 工業(yè)級(jí)數(shù)字孿生稀缺標(biāo)的，賦能“智造”升級(jí)