★卡奧斯物聯(lián)科技股份有限公司魯效平，盛國軍

★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

我國電機行業(yè)正處于一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，隨著(zhù)全球對高效節能產(chǎn)品的需求日益增長(cháng)，電機制造業(yè)開(kāi)始向高效、智能化方向轉型^[1,2]。為了適應這一趨勢，企業(yè)積極探索數字化轉型，通過(guò)引入自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、信息化管理系統以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，提升設計、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(zhù)諸多的挑戰，如高度定制化的系統集成、全流程數據管理、工業(yè)智能算法開(kāi)發(fā)等問(wèn)題。

數字孿生技術(shù)作為制造業(yè)數字化轉型的重要手段，通過(guò)建立物理系統的虛擬模型，并與現實(shí)中的物理系統進(jìn)行實(shí)時(shí)數據同步，從而實(shí)現對實(shí)際系統的精確仿真、監控和優(yōu)化^[3,4]。在電機行業(yè)，數字孿生技術(shù)的應用潛力巨大，可為電機制造企業(yè)提供更加智能化、精準化的生產(chǎn)管理和運營(yíng)優(yōu)化方案。

2　卡奧斯工業(yè)數字孿生軟件介紹

基于自身制造業(yè)經(jīng)驗和數字化轉型實(shí)踐，海爾卡奧斯打造了工業(yè)數字孿生軟件。該軟件通過(guò)數字化的手段構建了一個(gè)與物理世界同樣的虛擬體，數字孿生基于真實(shí)數據，并深度融合人工智能，從而實(shí)現對物理實(shí)體的了解、分析、預測、優(yōu)化、控制決策。該軟件以工業(yè)設備的數字孿生為切入點(diǎn)，通過(guò)仿真模擬和深度學(xué)習增強理解，優(yōu)化控制，打造虛實(shí)協(xié)同的工廠(chǎng)，并進(jìn)一步以虛擬指導現實(shí)，幫助企業(yè)和用戶(hù)提高對產(chǎn)品質(zhì)量的管控，優(yōu)化供應鏈網(wǎng)絡(luò )、規程及庫存^[5]，為企業(yè)提供由離散數字孿生到組合數字孿生，最后形成組織數字孿生的整體解決方案。

卡奧斯工業(yè)數字孿生軟件涵蓋設備物聯(lián)、數據主線(xiàn)、數字孿生、工業(yè)智能四大核心模塊，具備數據采集、治理及智能化應用的全流程能力，可以實(shí)現設備間、系統間的物聯(lián)、數聯(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、全要素數據可視化）、可管（數據治理、設備管理與追蹤、生產(chǎn)流程管控）、可預測（生產(chǎn)計劃排程優(yōu)化、設備預測性維護）。如圖1所示。

圖1 卡奧斯工業(yè)數字孿生軟件體系架構

設備物聯(lián)模塊提供設備接入、資產(chǎn)管理、規則引擎、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)境中全設備的接入以及數據采集，幫助傳統工業(yè)設備入網(wǎng)上云，實(shí)現了工業(yè)環(huán)境中海量數據的接入以及關(guān)鍵數據的實(shí)時(shí)傳輸，有效解決了物理模型與數字模型的真實(shí)性與動(dòng)態(tài)一致性問(wèn)題。

數據主線(xiàn)支持多源異構的結構化和非結構化數據。它通過(guò)可拖拽的模塊化的組件搭建數據ETL處理流程，同時(shí)內置了低代碼的數據處理引擎靈活處理企業(yè)各類(lèi)數據，實(shí)現對設備、生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量、能耗等多方數據的統一治理分析，大幅提高了數據采集及清洗的效率、準確性和便捷性。同時(shí)，它降低了大數據處理分析技術(shù)門(mén)檻，用戶(hù)只需簡(jiǎn)單操作組件面板的配置項，即可實(shí)現復雜的調度任務(wù)處理，為企業(yè)決策提供了分析依據。

數字孿生場(chǎng)景編輯器可以快速搭建高逼真虛擬場(chǎng)景，設備模型庫了提供大量的工業(yè)設備在線(xiàn)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)數據驅動(dòng)的孿生工廠(chǎng)。它借助虛擬幾何三角面、動(dòng)態(tài)全局實(shí)時(shí)光照系統提供毫米級仿真精度以及影視級渲染效果，并通過(guò)拖拽式的可視化報表系統與場(chǎng)景中的模型進(jìn)行實(shí)時(shí)精準交互。

工業(yè)智能決策引擎可以提供圖形化的數據管理、模型訓練、模型管理等功能，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)人員的工作復雜度，實(shí)現了快速調優(yōu)模型和生產(chǎn)發(fā)布。它內置了智能車(chē)間調度、故障預測等多個(gè)成熟算法，可以快速構建APS等生產(chǎn)管理系統，通過(guò)對產(chǎn)線(xiàn)設備及生產(chǎn)流程的仿真和對生產(chǎn)計劃的模擬，實(shí)現了對生產(chǎn)過(guò)程與結果的預測，推動(dòng)了生產(chǎn)排程和工藝的優(yōu)化調整，預測了可能發(fā)生的業(yè)務(wù)中斷及其影響，解決了供應鏈體系問(wèn)題，改善了運營(yíng)態(tài)勢，實(shí)現了制造流程中的需求平衡、資源平衡以整體生產(chǎn)環(huán)節的最優(yōu)化。

3　典型應用案例

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

（1）數據基礎弱：電機生產(chǎn)制造場(chǎng)景復雜，存在海量多源異構的工業(yè)數據，多樣性、復雜性的工業(yè)數據，容易造成工業(yè)場(chǎng)景信息孤島化。工廠(chǎng)在生產(chǎn)中產(chǎn)生大量信息，并分散在各個(gè)系統中，當前企業(yè)的數據利用價(jià)值較低，數據浪費現象嚴重，數據在電機生產(chǎn)中沒(méi)有發(fā)揮出應有價(jià)值。

（2）設備監測不到位：工廠(chǎng)各種生產(chǎn)設備時(shí)刻保持在運行狀態(tài)，無(wú)法及時(shí)有效監測各用電設備電壓、電流、功率、功率因數、三相不平衡率、環(huán)境狀態(tài)等參數，對用能數據或設備狀態(tài)做不到預判斷，往往是設備停止運行時(shí)才被發(fā)現，安全隱患較大，影響設備壽命。

（3）產(chǎn)能不協(xié)調：作為傳統生產(chǎn)制造企業(yè)，生產(chǎn)制造端無(wú)相關(guān)設備連接，制造信息不透明，無(wú)法監控整個(gè)工廠(chǎng)生產(chǎn)的整體進(jìn)度與設備情況，對于設備資產(chǎn)的管控不透明，生產(chǎn)數據等信息不互通，生產(chǎn)制造層面數字化智能化水平低，產(chǎn)能不協(xié)調。

圖2 電機工廠(chǎng)數字孿生智能生產(chǎn)系統架構圖

針對上述問(wèn)題，基于卡奧斯工業(yè)數字孿生軟件，該企業(yè)打造了電機工廠(chǎng)數字孿生智能生產(chǎn)系統（如圖2所示）：

（1）利用設備物聯(lián)模塊采集生產(chǎn)設備的溫度、壓力、速度、產(chǎn)量計數等運行數據，結合3D可視化數字孿生模型，實(shí)時(shí)監控設備運行狀態(tài)，對設備進(jìn)行精益化管理，提供設備臺賬、設備點(diǎn)檢、設備保養、設備維修、備件管理、在線(xiàn)遠程維修等功能，實(shí)現設備使用方和設備制造方的高效溝通，實(shí)時(shí)調度人員和資源解決問(wèn)題，減少設備的停機時(shí)長(cháng)。

（2）利用數據主線(xiàn)對數據進(jìn)行集成管理和分析，建立故障預警、診斷、設備生命周期等工業(yè)機理模型，融合知識圖譜發(fā)現設備潛在問(wèn)題，提高預測性維護的精度和效率；建立水、電、氣等對企業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵能源介質(zhì)的能耗數據時(shí)序存儲庫和能耗數據分析模型，可視化實(shí)時(shí)展示能耗情況，同時(shí)根據排產(chǎn)情況，給出最佳工廠(chǎng)用能方案。

（3）利用孿生建模系統對生產(chǎn)設備進(jìn)行精細建模（如圖3所示），融合設備的幾何模型、數據模型與仿真的機理模型，實(shí)現產(chǎn)線(xiàn)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，統計實(shí)際生產(chǎn)節拍與生產(chǎn)計劃差異，給出最佳排產(chǎn)方案。

圖3 電機工廠(chǎng)生產(chǎn)設備的數字孿生模型

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

4　總結與展望

數字孿生技術(shù)在電機行業(yè)的應用展現了巨大的潛力和價(jià)值，它通過(guò)實(shí)現物理實(shí)體的虛擬映射，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)管理和運維等多個(gè)環(huán)節提升了效率和質(zhì)量，推動(dòng)了電機制造業(yè)向智能化、綠色化、服務(wù)化方向發(fā)展?？▕W斯工業(yè)數字孿生軟件，可以幫助電機企業(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，并可增強市場(chǎng)響應能力。我們未來(lái)的研究和發(fā)展將集中在深化技術(shù)集成和提升數據管理能力方面，以開(kāi)發(fā)更加智能化的決策支持系統，助力更多行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

★基金項目：泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才工程專(zhuān)項經(jīng)費資助項目（tscx202306029）；國家自然科學(xué)基金青年基金項目（62303272）；山東省自然科學(xué)基金青年基金項目（ZR2022QF038）；山東省博士后創(chuàng )新項目（SDCX-ZG-202203036）；青島市博士后創(chuàng )新項目（QDBSH20240102160）。

作者簡(jiǎn)介：

魯效平（1981-），男，山東泰安人，教授級高工，現就職于卡奧斯物聯(lián)科技股份有限公司，研究方向為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造關(guān)鍵技術(shù)等。

盛國軍（1970-），男，浙江紹興人，工程師，現就職于卡奧斯物聯(lián)科技股份有限公司，研究方向為工業(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，現就職于卡奧斯工業(yè)智能研究院（青島）有限公司，研究方向為智能傳感器、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大規模個(gè)性化定制理論及關(guān)鍵技術(shù)等。

參考文獻：

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊