数字孪生技术及其在协同制造中的应用探究.pdf

292024年1月上 第01期 总第421期科技创新驱动China Science&Technology Overview0 引言智能化时代的进步，从某种程度上推动了数字孪生的应用，渗透领域进一步扩大。未来，网络智能化发展，在线设备与虚拟离线的结合是新的研究领域。现阶段，云计算不断萌发出新的生命力，数字孪生技术攻克了各种困难，逐步偏向流程化以及数字化。实践中，利用重复模拟计算，可完成数据自动入库。同时，引进人工智能技术，可辅助数字孪生实现流程优化和自适应，满足场景更新需求，在自发处理的基础上，打造柔性化制造车间和无人化智能工厂。1 数字孪生技术简单地说，数字孪生集成了多种技术，通过虚拟和现实结合，预测产品的生命周期以及在不同节点的状态。现实世界或物理实体应用该技术后可以在虚拟世界看到该物体数字化的映射，模拟、监控物理实体（产品），评估其形成过程以及状态等。数字孪生以数字化为表现形式，通过创建虚拟模型，对现实环境中的行为加以预测和控制。整合制造流程，生成严谨的数字孪生生产系统，保障产品形成的全过程数字化，提升设计、加工以及运维的有效性。数字孪生兴起时间早，使用数字信息作为重要媒介，建立虚拟模型，并且合理利用虚拟空间信息，模拟实体的行为（在真实环境中），全方位实现对物理实体的深层次解读，实施分析和优化。通过虚拟和真实的作用，对运行数据进行分析，得到相对完善的迭代优化方式，确保理想的工作状态，为技术制造活动和生产能力的强化提供新思维。与实体对应的是虚体，两者相辅相成，虚体是由数字孪生技术形成的虚拟模型。设计阶段，需先实施有效的计算机仿真，创建物理实体的模型，要求在脱机时可以保证模型的有效应用。除此之外，在联机时实体的状态也要有所呈现。在数字孪生技术中，重点是实体状态检测，这是后续工作的基础，不容忽视。数字孪生技术致力于准确表达实物图像，创建虚拟实体任务，同时应用期间自动关联信息规律，借助理想化方式，使虚拟实体在虚拟界定中有实体相同的属性1。由此可见，数字孪生技术可渗透到厂房、机器人等构建工作中，创建有效的虚拟工厂。新时期，将数字孪生技术应用于轨道交通属于大胆尝试，轨道交通设备数字孪生可提高轨道交通安全性，减少不安全因素的影响，助力城市经济的发展。2 协同制造随着市场经济的发展，传统的“流水线”生产已脱离了实际，无法保障基本需求。一旦传统流水线模式中的生产要素出现问题，就会让整个流程停滞，甚至造成系统崩溃，产品服务无法提供。而多个生产环节之间，没有完整的信息机制，仅靠上下游传递信息，会导致信息交流受阻，信息在时间上不对称。为解决上述问题，提出了协同制造的理念，以保障生产效率。协同制造系统充分利用网络技术，增加并行工作，减少串行工作，保障生产效率2。协同制造系统主要有四大特点。一是系统复杂，其中涉及元素众多，时空跨度大。二是存在明显的人与机器交互行为，系统运行效率高。三是生产单元间相对封闭，系统交互性特点显著，对相互通信和协作要求高。四是系统运维期间，需要实时采集数据，在基本保障下实时处理数据。3 数字孪生技术在轨道交通协同制造中的应用轨道交通作用显著，是城市间互通互联的主渠道，也是核心命脉所在。作为出行首选方式，轨道交通更是“新基建”的调控对象，因此，轨道交通的重要性不可忽视。为推动轨道交通发展，需积极应用数字孪生技术，保障交通服务能力。数字孪生属于虚拟和仿真技术的集成，是当下仿真技术的巅峰，具有良好应用效果。在虚实交互、计算和创新决策等关键环节具有突出优势，可为设计工作赋能，收稿日期：2023-06-05作者简介：张恩康（1992），男，甘肃兰州人，工程师，研究方向：工业企业总图规划，建筑环境与设备工程。数字孪生技术及其在协同制造中的应用探究张恩康安帅贾子敬秦欢（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）摘要：近年来，在科技的引领下，数字孪生技术得到了发展，并逐渐渗透到多个领域，该技术和轨道交通的融合成为社会关注的焦点。轨道交通数字孪生实用性较强，在平台框架中融合人工智能以及优质的传感器数据等技术，丰富平台功能，将轨道交通数字孪生作为轨道交通指挥平台，提高轨道交通安全性，保障安全指挥决策的可行性。基于此，以轨道交通数字孪生为背景，探讨数字孪生技术及其在协同制造中的应用，以期为今后轨道交通升级转型提供参考。关键词：协同制造；轨道交通；数字孪生技术中图分类号：U279 文献标识码：A 文章编号：1671-2064(2024)01-0029-03302024年1月上 第01期 总第421期科技创新驱动China Science&Technology Overview提高方案设计水平3。数字孪生与轨道交通碰撞可以产生多种新赋能。在交通真实孪生图的指引下，匹配前端感知建设，应用科学技术丰富数据资源。按照统一门户集成以及统一数据管理等有效思路，实现报警情况预测。同时，完成重点、异常、高危人群的筛查，对存疑人员进行精准的碰撞、轨迹分析，并结合实际，实施相关联的平行案例分析和关系扩展，开展多维度的智能分析，提升公共交通能力，保障安全事件的预测水准和危机处理能力。传统的地铁环境控制难度较大，虽然采用了自动化管控系统，但是该系统在获取大量监测数据时倍感压力，更难以直观展示。基于传统设计瓶颈，将理想化的数字孪生技术完整融合其中，与轨道交通安全系统挂钩，增强轨道系统的运转能力。数字孪生技术在轨道交通协同制造中的应用，可以体现在以下方面。3.1 拥有清晰的实物图片数字孪生技术应用后，便可通过 3D 地理信息，形成对应的轨道交通孪生三维透视图，为今后工作提供保障。具体工作中，优化设计城市轨道交通，使其呈现网络化的特点，实现各站 3D 场景的控制，及时发现轨道的安全运维隐患。另外，通过现实的双轨地图，科学处理传统车站线路数据不完整和无法直观表达的问题4。现实应用中，基于 3D 场景的分层，可多元化展示信息，围绕轨道运行情况从全局角度优化整个铁路网，由点及面，查看轨道运行完整信息。实践证明，应用数字孪生技术，可获得监控视频与地铁模型相互嵌入后的场景。3.2 3D 可视化功能先进的 Reality 数字孪生技术，打破了信息传统管理模式，通过 3D 建模技术整合关键信息，完成建筑模型的映射。在该技术指引下，可真实还原地铁站的功能设计、建筑结构、管道系统等，涵盖所有材料和细节。3.3 全生命周期管理现实应用中，真实场景数字孪生优势显著，从规划设计、施工到轨道交通运维阶段的信息整合都有了基本保证，可促成轨道交通全生命周期精细化管理，提高数据的完整性。从现有经验来看，现实世界数字孪生是重要的保障，该技术的引入可夯实分析预测的基础，为后续工作提供依据。轨道交通管理工作中，可应用传感器监测易燃易爆物品，保障通行质量和安全。同时，采集乘客行为图像，完成合理的分析，调整车站冷热舒适度，提高优质出行体验。3.4 沉浸式浏览功能在 3D 地理信息场景中（地铁站）的关键区域，这里特指闸机、检票口等，可应用数字孪生中的虚实结合监控视频，发挥沉浸式浏览功能，实现实时视频回放，并共享视频和地理信息。应用该核心技术后，可统一管理时间和空间信息，将地铁站 3D 地理信息综合呈现，实时捕捉场景中的温度、湿度等关键信息，借助传感器装置，感应现场环境，在 3D 地理信息场景中实施高质量的三维精准融合展示。实操中，将传感数据与报警区高效连接，构建统一空间场景。3.5 保障轨道网络安全城市轨道网络复杂，这是毋庸置疑的。作为多系统、承载量大且规模大型的城域网络，囊括的资产数量多且复杂，容易滋生网络风险。网络安全风险涉及层面广，例如 IT 网络、控制网络、云计算等，提高了维护难度。在运维系统中，网络安全事件无法第一时间应援，不能在最佳时间找准问题并处置问题。结合以往安全管理经验，城市轨道网络安全不能仅凭借单线为主的防护方式，否则将难以全面洞悉全域的网络安全状态。传统的网络安全态势难以形成直观的空间，只是信息堆叠和展示，层次水平较低。而数字孪生技术的提出为传统技术革新提供了契机，在网络安全空间中起到预测、指挥的重大作用。数字世界中，网络攻击是一定存在的，并对数字世界产生影响，而数字世界的改变，也能促成现实世界的变化5，现实世界和数字世界是存在某种耦合联系的（也就是数字孪生)。城市轨道交通要求高，需从全域的角度细化网络安全内容，了解网络安全态势。现实中，海量数据构成的局面非常复杂，无法让管理者清晰认知，形成直观印象，快速处置安全事件的可能性降低。想要改变此种格局，数字孪生是可行路径之一。3.6 数据中心可视化巡检除了上述功能设计外，还可实施数据中心可视化巡检。将机器人与虚拟网络融合，实现两者空间结合，形成极致的安全巡检体系。可不依靠人力排查，加强系统管理运维，实践环节精准定位事发地点，同时科学明确事件的详细信息，自动研判事件，提高事件处理效率。将相关操作交给用户，保障用户的决策权和知情权。通过机器人深入巡检，消除系统中的隐患。发现网络安全事件时，依靠机器人对事件进行分析，借助先进处理经验输出事件结果。与此同时，通过视觉识别技术保障事件处理的效果，节省用户时间和精力，切实保障系统运转期间运营中心的工作效率6-7。另外，成立应急指挥模块。以应急事件为中心，轨道交通站点需在三维仿真模型上借助数字孪生技术叠加显示事件位置，在核心技术保障下自动关联显示事件，明确处置信息关键节点，修正应急预案，充实应急预案内容。应急处置短信列表中应该包括应急人员、车站 PIS 信息、监312024年1月上 第01期 总第421期科技创新驱动China Science&Technology Overview控视频画面以及 ATS 等信息，构建应急指挥沙盘（三维立体），保障应急事件快速反应，确保事件的高效指挥、精准处置。4 数字孪生在轨道交通协同制造中的展望中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要中，对城市轨道交通运载、风险处理提出了新要求。在新技术指引下，要打造新型城市轨道框架，创建交通运维平台。借助数字孪生，构建网线体化平台，实现整体调度指挥。实践环节中，推进调度指挥系统升级完善，由二维向三维转变。在运维管理中，发挥数据分析技术的决策作用，突出人工智能算法的优势，提高轨道交通调度效率。推进调度指挥系统持续优化，直至完成数字化转型。除此之外，加速推进调度指挥进程，实现数据安全一体化管理，实践中加强采集层、平台层等多项数据的管理，保障信息资源利用率。推动基于 BIM 技术的优质三维参数化协同设计，在创新性思路引领下实现数模一体，促进BIM 技术与轨道交通事业融合，挖掘融合应用价值。当前，城市轨道交通系统还有不足，主要是技术互动能力弱，影响了现代化城市轨道交通的发展。轨道交通行业较特殊，整体运行环境复杂，区段之间差别较大，综合管理机制待完善。为提高交通运维能力，保持城市轨道交通的生命力，需利用智慧互联思路，扩大现有机制下城市轨道服务辐射面积，打通各种服务模块，具备一定的兼容扩展能力，焕发轨道交通生机。利用新技术，做到高效、统筹管理，消除危险因素。想要达到预期，一定要发挥数字平台优势，充分借鉴人工智能和数字孪生等先进技术，将 3D 可视化应用到轨道交通运维中，结合大数据、5G技术等，实现轨道交通服务升级，打造智慧交通体系。以“规设建管运”等环节作为突破口，为轨道交通事业赋能，实现轨道交通可持续发展。5 结语在城市轨道交通协同管理与制造中，数字孪生技术发挥引领作用。未来，随着数字孪生技术应用的成熟，该作用会越来越明显，除应用在建造方面外，数字孪生技术也可以拓展到其他领域，例如安全运维、资产闭环管理等。通过数字孪生新领域的拓展，为网络安全增加助力，夯实轨道行业发展基础。参考文献1 胡俊华,魏华兵,富银芳,等.基于数字孪生技术的换流变压器绕组状态三维感知仿真J.自动化与仪表,2022,37(12):1-5,11.2 徐磊,高广军,董威,等.列车转向架数字孪生建模仿真关键技术研究J.铁道科学与工程学报,2023,20(5):1846-1857.3 王书瑶,王娟,郑浩,等.融入认知数字孪生体的智慧学习空间：框架构建与应用延伸J.成人教育,2022,42(12):51-59.4 冯钧,朱跃龙,王云峰,等.面向数字孪生流域的知识平台构建关键技术J.人民长江,2023,54(3):229-235.5 尚海勇,刘利强,齐咏生,等.基于数字孪生技术的风电机组建模研究J.太阳能学报,2023,44(5):391-400.6 李峰,王洪琳.数字孪生技术在轨道交通自动运行系统的应用探究J.江苏科技信息,2021,38(28):31-33.7 邹东,冯剑冰.数字孪生技术在城市轨道交通供电系统中的应用场景分析J.城市轨道交通研究,2021,24(3):158-162,165.Research on Digital Twin Technology and Its Application in Collaborative ManufacturingZHANG Enkang,AN Shuai,JIA Zijing,QIN Huan(CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao Shandong 266111)Abstract:In recent years,led by technology,digital twin technology has been developed and gradually penetrated into multiple fields,the integration of this technology with rail transit has become a focus of social attention.The practicality of rail transit digital twins is strong,by integrating artificial intelligence and high-quality sensor data technologies into the platform framework,the platform functions are enriched,and the rail transit digital twins are used as a rail transit command platform to improve rail transit safety and ensure the feasibility of safety command decision-making.This article will take the digital twin of rail transit as the background,exploring digital twin technology and its application in collaborative manufacturing,to provide reference for the future upgrading and transformation of rail transit.Key words:collaborative manufacturing;rail transit;digital twin technology