隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，制造行業(yè)迎來了新的技術(shù)革新機遇。
紡織產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)和重要的民生產(chǎn)業(yè)，同時也是具有明顯國際競爭優(yōu)勢的重要產(chǎn)業(yè)，目前正處在國際經(jīng)濟形勢劇烈變化的時期。國內(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)對復(fù)雜的發(fā)展形勢，在政府的支持以及產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界的助力下，正積極主動地尋找適應(yīng)我國國情的產(chǎn)業(yè)升級、制造模式升級的新路徑。
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（也可稱數(shù)字映射、 數(shù)字鏡像等，Digital Twin）、數(shù)字主線（也稱數(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)變革競爭制高點，我國緊跟科技發(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，以推進智能制造為主攻方向”的戰(zhàn)略方針。
《中國制造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)平臺等，加強信息物理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。
《國務(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》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)測試驗證平臺和綜合驗證試驗床，支持開展兼容適配、互聯(lián)互通和互操作測試驗證”。究竟如何使用這些新興技術(shù)促進紡織行業(yè)快速升級，是行業(yè)面臨的重要問題。
目前我國紡織行業(yè)在紡織裝備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，紡織車間信息化方面取得了顯著的進步，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題。在科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、中國紡織工業(yè)聯(lián)合會等機構(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)合起來為我國紡織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行積極的探索。
本文針對數(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最早由美國國家航空航天局（NASA）提出，其應(yīng)用場景是2006年美國國家科學(xué)基金會組織召開了 國際上首個關(guān)于信息物理系統(tǒng)的研討會，此后CPS得到了美國官方、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。德國的工業(yè)4.0實施建議將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)，并開始展開相關(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，我國何積豐院士認為CPS從廣義上理解，就是一個在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制一個物理實體。
據(jù)此，可以認為CPS的核心是3C，即計算（Compute）、通信 （Communication）和控制（Control）。
數(shù)字孿生概念最早由美國密歇大學(xué)Grieves教授提出，之后美國國防部將這一概念引入飛行器的健康維護中，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)以及傳感器實時數(shù)據(jù)，形成了映射對象的全生命周期過程。這樣，飛行器運行后可以通過數(shù)字孿生模型對其健康狀態(tài)進行預(yù)測，評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到宏觀幾何級全面描述潛在生產(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檢測、實際制造產(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，最早由美國空軍研究實驗室（AFRL）和NASA同時提出。Kraft提出的數(shù)字主線是一種可擴展、可配置的企業(yè)級分析框架。在整個系統(tǒng)的生命周期中，通過提供訪問、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 來通知決策制定者。
國內(nèi)工業(yè)4.0術(shù)語編寫組將數(shù)字主線定義為利用先進建模和仿真工具構(gòu)建的，覆蓋產(chǎn)品全生命周期與全價值鏈，從基礎(chǔ)材料、設(shè)計、工藝、制造以及使用維護全部環(huán)節(jié)，集成并驅(qū)動以統(tǒng)一的模型為核心的產(chǎn)品設(shè)計、制造和保障的數(shù)字化數(shù)據(jù)流。
通過以上關(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)字主線的另一個名稱“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 General Dynamics（通用動力）公司等才將CPS概念應(yīng)用在實際科研生產(chǎn)中，提出了更加便于技術(shù)實現(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)測和控制產(chǎn)品在物理空間中的運行過程和行為，能夠在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的各個階段形成高效協(xié)同，能為全過程質(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（車間）是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和企業(yè)界重點關(guān)注的領(lǐng)域。推進數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠中落地應(yīng)用，將是車間智能運行和精準(zhǔn)管理的有效途徑。國內(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)團隊都在不遺余力地發(fā)展這一技術(shù)?；谝陨蠈?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，對數(shù)字孿生技術(shù)在紡織智能工廠的應(yīng)用進行探討。
紡織領(lǐng)域涉及機械、化工、自動化、環(huán)境和藝術(shù)設(shè)計等多學(xué)科知識，產(chǎn)品包括纖維、紗線、織物、紡織制成品、紡織機械、紡織關(guān)鍵零部件等紡織裝備產(chǎn)品及紡織生產(chǎn)管理、運維等環(huán)節(jié)。領(lǐng)域不同，對象不同，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用側(cè)重點也不同。
針對各類織物，對其在設(shè)計、生產(chǎn)、倉儲物流、使用及回收全生命周期中的狀態(tài)進行仿真預(yù)測是研究重點；針對紡織裝備，構(gòu)建面向設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)防性維護的數(shù)字孿生模型是當(dāng)前迫切需要突破的；針對紡織生產(chǎn)車間運行與管理，需要解決數(shù)據(jù)驅(qū)動下的車間制造過程監(jiān)控、資源管理、計劃調(diào)度、節(jié)能降耗等問題。
針對紡紗智能工廠場景提出基于數(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)用的重要場景。
以紡紗為例，我國的紡紗車間已經(jīng)基本實現(xiàn)自動化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始逐漸推廣，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)推進紡織車間信息化建設(shè)，真正實現(xiàn)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。
針對紡紗智能車間建設(shè)，提出以智能紡紗單元為基礎(chǔ)的智能紡紗車間參考模型（圖 1）。
該模型依據(jù)工藝流程將紡紗智能工廠分為清梳、并粗、細紗和絡(luò)筒 4 個智能生產(chǎn)單元。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將狀態(tài)感知、傳輸、計算與制造過程融合起來，形成“感知－分析－決策－執(zhí)行”的數(shù)據(jù)自由流動閉環(huán)，最終建立以單元為基礎(chǔ)的車間數(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。針對提出了典型紡紗車間中生產(chǎn)裝備的互聯(lián)互通信息模型（圖 2）。
該模型參考國家標(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)合紡紗車間數(shù)據(jù)具體存儲形式，對紡紗裝備互聯(lián)互通信息模型進行規(guī)范，包括對車間數(shù)字化設(shè)備的互聯(lián)互通信息模型進行規(guī)范定義，通過規(guī)范運行定義管理、執(zhí)行管理和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、質(zhì)量運行數(shù)據(jù)、維護運行數(shù)據(jù) 和物流運行數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。
2.3
紡紗工藝流程信息模型
為構(gòu)建智能紡紗車間內(nèi)的信息流動規(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)，使車間全流程生產(chǎn)智能管控得以實現(xiàn)。
本項目在國內(nèi)外通用信息模型應(yīng)用具體實例的基礎(chǔ)上，參考國際技術(shù)規(guī)范IEC/ PAS 63088《智能制造 工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型》，對紡紗流程信息模型進行規(guī)范，包括對紡紗流程中涉及的紡紗車間生產(chǎn)計劃與調(diào)度、紡紗工藝執(zhí)行與管理、紡紗生產(chǎn)過程質(zhì)量管理、紡紗生產(chǎn)流程管理和紡紗車間設(shè)備管理過程中的信息模型進行規(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間的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)紡紗全流程智能化管控的基礎(chǔ)。紡紗工藝流程長，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，將紡紗設(shè)備群分為清梳、 并粗、細紗、絡(luò)筒等 4 個生產(chǎn)單元。每個單元均具有物理層、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)用場景，從以下 3 個方面探討數(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，通過在紡紗智能車間中依據(jù)工藝流程建設(shè)清梳、并粗等 4 個智能單元數(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)。通過單元內(nèi)部資源優(yōu)化，進而實現(xiàn)高效的車間資源優(yōu)化，是建設(shè)紡織智能工廠的基礎(chǔ)。柔性制造單元在機械制造領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛應(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)測性維護
紡織生產(chǎn)設(shè)備需具備長時間連續(xù)穩(wěn)定運行的能力，建設(shè)無人工廠更是紡織行業(yè)的發(fā)展重點。完善的紡紗單元數(shù)字孿生模型必須能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)預(yù)測，通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行設(shè)備的故障診斷，進而提前規(guī)避風(fēng)險，實施預(yù)防性維護，自動制訂停產(chǎn)檢修計劃。
目前，預(yù)防性維護技術(shù)在航空、機床等領(lǐng)域已經(jīng)成為研究熱點，但在紡織領(lǐng)域應(yīng)用還有待深入。基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建智能紡紗裝備的預(yù)防性維護技術(shù)，將是未來紡織智能制造重點突破的領(lǐng)域之一。
3.3
智能紡紗全過程的一體化生產(chǎn)管控
通過各智能生產(chǎn)單元間、生產(chǎn)單元與車間管理系統(tǒng)間以及各單元內(nèi)部的智能紡紗機械之間的互聯(lián)，實現(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，是實現(xiàn)全廠管控一體化的必要條件。
通過建立車間數(shù)據(jù)模型支撐生產(chǎn)過程的自動化處理，通過提取生產(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。
04
※結(jié) 語
數(shù)字孿生技術(shù)作為當(dāng)前智能制造技術(shù)中的熱點，正在給我國傳統(tǒng)制造業(yè)帶來巨大變化。
在紡織領(lǐng)域引入數(shù)字孿生技術(shù)，必將推動我國智能紡織裝備、智能紡織、智能紡織品設(shè)計等領(lǐng)域的變革升級，創(chuàng)造新的市場優(yōu)勢。
目前數(shù)字孿生技術(shù)在紡織裝備預(yù)測性維護、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)一才能夠真正實現(xiàn)互聯(lián)互通，才能夠為數(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)展的歷史時機，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，為保持我國國際競爭優(yōu)勢提供新的動能。
（原標(biāo)題：數(shù)字孿生技術(shù)在紡織智能工廠中的應(yīng)用探索）
