工业数字孪生平台解决方案（45页 PPT）

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工业数字孪生平台解决方案 -- 数字孪生技术为工业高效赋能 01 总体架构 02 解决方案 03 实施保障 目 录 总体架构 1 总体架构 孪生与数字底座工具链 工具链：孪生工厂遵循 DevOps 进行微服务开发， 调用 AI 求解器进行运筹计算， 同时调用统一门户进行用户、组织等管理。 孪生与数字底座中台 ▌ 业务中台：所有公共和共享业务场景汇集到中台包括设备中心、订单中心、计划中心等，并将业务数据给数据中台进行治理，同时孪 生仿真结果反馈业务系统的优化建议。 ▌ 数据中台： 汇聚入湖的业务数据范围包括 AS 、立库、物流、质量、 MOM 、 能耗、 IOT 历史数据等，并进行数据的治理工作。治理 完成的数据支持订阅和 API 网关的统一调用， 形成业务数据模型供孪生工厂使用。 孪生与数字底座模型 利用数据模型建立各模型的关联关系网， 通过统一模型的统一编码识别到虚拟设备， 将物模型 / 业务模型贯通到虚拟设备 中，形成数据驱动虚拟设备的仿真可视。将算法模型 / 成本模型引入到虚拟设备， 用作孪生的仿真分析及优化。 数据模型关系图谱 孪生与数字底座 IOT ▌ 数据采集：软网关采集完数据后会将实时数据统一推送到 IOT 平台。 IOT 平台会进行数据物模型构建，把实时性要求高的数据 通过数字底座 IOT kafka 推送 /mqtt 订阅到孪生工厂进行调用 ， 同时数据中台进行存储供孪生工厂进行历史回溯分析。 ▌ 反向控制：针对部分设备的控制，孪生应用先通过 IOT 传输控制信号到 kepware 网关进行试点处理。试点验证后所有上下行都 通过物联网平台 - 软网关链路。 入 入 历史 孪生 实时 孪生 实时 孪生 历史 孪生 历史 孪生 数字孪生支撑工具 - 三维驱动引擎 三维驱动引擎，内置了 WebGL/WebGPU 引擎，在 Web 平台上提供高性能、跨平台的三维图形渲染，可以用于虚拟现实 （ VR ）、增强现实（ AR ）的场景，满足厂区层级以下三维可视化展示。支持对实时运行和运动数据进行高效过滤，通过 分组、设 定规则、解析等对数据进行处理， 以满足数据驱动虚拟孪生场景。 数字孪生支撑工具 - 仿真优化引擎 √ 目标： 节能降本，提质增效 √ 指标：成本、效率、能耗、质量 根据 DT 实施的 6 个阶段， 在前三个阶段完成的基础上对性能指标进行系统优化与提升，包括： 效率、成本在全局系统上的优化 提升；能耗、质量在局部车间内的优化提升。 工艺算法模型 能耗算法模型 三维模型 IT\OT 模型 Stage1. 历史多元算法融合 Stage2. 孪生平台算法验证 Stage3. 孪生平台算法分析 Stage4. 孪生平台算法优化 AS 算法模型 立库算法模型 质量算法模型 DT 实施六大阶段 基础建设 共生 (L5) 优化与提升 (L0) 最终目标 优化建议 全局优化与提升 基础建设 场景 5 以虚 优实 (L4) 立库车间 M O M 执 行 层 冲压车间 焊接车间 涂装车间 电池装配车间 总装车间 缓存流转区 数字孪生平台 pisx 基础建设 场景 1 基础建设 场景 2 局部优化 与提升 基础建设 场景 3 基础建设 场景 4 局部优化 与提升 以虚 控实 (L2) 以虚 预实 (L3) 以虚 映实 (L1) 以虚 仿实 虚 实 规划方案 ISA-95+ 泛设备 关键活动 厂区数字化映射 （ Digital Twin ） 综合分析及优化 增强现实 XR API/Connecto r 构建业务模型 API/Connector 构建业务模型 Iconix/Historian 建立数据标准 KEPWARE 数据采集 3D 物体建模 数字底座 +DT 融合 打通三个方向集成： . 纵向：实现 IT/OT 融合 . 横向：打通全生命周期、全价 值 链信息孤岛 . 数物融合：实现数字 / 物理融 合 . 核心：构建数字孪生工厂 数字孪生平台 业务场景 立库孪生体 计划孪生体 物流孪生体 AR 设备运维 绩效分析 3D 可视化 能耗管理 3D 漫游巡检 管网可视化 物理 世界 厂区、产线、设备 L4 L3 L1/L0 L2 pisx 数字化工厂基础体系 业务层 （ ERP 、 PLM 、 SCM ） 设备层 （自动化产线、传感器） 生产执行层 （ MOM 、 WMS 、 APS ） 数据采集层 （ SCADA 、 CNC 、过程数据库） 数字化中台 企业数字化中台 SAP ERP PMS MES QMS PDM WMS EnergyMS EquipentMS CAPP OA IOT 产品数据 物料数据 工艺数据 项目数据 计划数据 生产数据 质量数据 异常数据 模具数据 物流数据 人员绩效 能耗数据 人员数据 设备数据 托盘数据 库位数据 企业数字化 车间数字化 质量数字化 设备数字化 数字化中台 需求 及时性 损失现状 损失率 生产进度 瞬间停止 告警信息 KPI 指标 可视性 动态展示 异常告警 变化趋势 报表 年、季度、月、 周、日数据统计 下载 一级界面（车间） 二级界面（产线） 三级界面（报表） 告警弹窗 各指标模块的报表（图形 + 表） 左侧列表：各指标 筛选条件： 日期 线别 …… 定制的周报、月报 核心指标展示 零级界面（企业） 告警弹窗 示意图 WMS 仓库管理系统 QMS 质量管理系统 PLM 产品生命周期管理系统 MOM 制造运营管理 ...... APS 先进计划和调度 数字底座平台 数字孪生系统 解决方案 2 第一阶段 虚拟孪生构建 解决方案 算法库接口预留 IT 业务模拟数据 分析 & 可视化 虚拟场景构建 1:1 建立三维模型库 公共标准统一 数据底座搭建 孪生支撑引擎搭建 OT 模拟数据录入 计算机硬件设 备准备 生产安全监控 3D 漫游巡检 3D 可视化 AR 设备运维 绩效分析 管网可视 化 L4 pisx pisx 物 理 世 界 厂区 / 产线 / 设备 L1/ L0 设备 & 传感器 ( 模拟数据） 立库孪生体 计划孪生体 描述 数字孪生平台“ +” L2 生计划系统 (APS) 过程控制 (SCADA) L3 生产执行系统 (MOM/WMS) 业务系统 (ERP/SCM) 物流孪生体 业务定制化 - 虚拟场景构建 基于三维扫描及 CAD 图纸搭建一个数字孪生模型，用于模拟真实的车体分配中心 / 计划运营 / 物流等场景。该模型应包括 车间布局信息、产线设备信息、库位信息、车体信息（车型、颜色、结构等） 等。数字孪生模型完整地模拟多个场景的业务流程和 操作，未后续接入真实数据进行算法验证 / 优化打下基础。 3D 可视化 工厂全要素建模 自由组装、重复利用 ■ 设备的数字孪生 基于工艺结构和工作原理 , 高精度还原设备在物 理环境中的运行状态 , 实现设备运行的程序化、 自动化、智能化 ■ 产线的数字孪生 基于生产流程 , 产线排布实现不同工艺的生产车 间的数字孪生 , 支持排产验证、运维优化等全局 管控。 ■ 厂区的数字孪生 通过 GIS 、 BIM 、 CAD 数据实现园区的数字孪 生 建设 , 支持片区规划等应用功能。 设备级数字孪生 厂区级数字孪生 pisx 相对独立、相互交互、任意组合、高度解、 产线级数字孪生 1 2 3 3D 可视化 - 三维建模 厂区建模 设备建模 pisx pisx 产线建模 1 2 3 真实还原工厂基地 ■ 通过无人机航测、激光扫描、 CAD 图纸精准还原园区、厂房工作区信息 确保实现场景还原效果 , 对机械臂大 小、长度、高度、连接轴 1:1 还原 制 作 ■ 做到与真实一样 , 使其接入数据后 与 物理世界机械臂工作原理相同 3D 可视化 - 三维渲染 园区数据模式 pisx 车间数据模式 车间写实模式 园区写实模式 虚实结合将数字孪生概念充分凸显 制作工厂数字孪生的生产线需表现 极具真实的染风格，在写实模式与数据 模式中采用了两种渲染方式： ■ 写实模式下真实还原工厂，增加 沉浸 写实感，园区周围去除羽化的渲染效 果，进行简模与单一颜色的渲染方式 处理，在凸显主场景同时保持写实感。 ■ 数据模式下区园区信息压暗并进行 风 格处理，凸显场景信息， 避免场景饱 和度过高影响数据信息展示。 3D 可视化 - 动效 pisx 动效与交互 ■ 动效 通过旋转、抬起、按下等手法来模拟 零件物体拆卸更换效果， 更加具象化 的模拟工厂工作流程，同时配有当前 流程工作进度提示。 ■ 交互 通过交互方式结合业务信息，按钮流 程与工厂工作流程相通， 到达工作 区 域后按钮选中，如有同步进行的 工作 内容，按钮也随之一起选中并 显示工作进度。 物理层 > 硬件采购及部署 > 传感设备部署调试， > 形成设备属性清单 > 网关部署调试 > IOT 物模型应用建立 第二阶段 全要素同步孪生构建 解决方案 冲压车间 焊接车间 涂装车间 总装车 间 引入异常因素 综合运营数据 分析 & 可视化 计划及工艺分析 全流程 IT 数据接入 自动化 / 分析 操作指令分析 多算法融合验 证 接入 OT 实时数据 计算机硬件设 备接入 立库孪生体 计划孪生体 物流孪生体 生产安全监控 3D 漫游巡检 能耗管理 AR 设备运维 绩效分析 管网可视化 L4 pisx pisx L1/ L0 设备 & 传感器 （ PLC/ 实时数据） 物 理 世 界 厂区 / 产线 / 设备 描述 + 诊 断 数字孪生平台 “ + ” L2 设备执行 (MOM) 过程控制 (SCADA) L3 生产运行系统 (MES/WMS) 业务系统 (ERP/SCM) 数字孪生工厂 利用物联 + 业务数据驱动仿真环境运动， 实时反应设备 / 产线 / 车间状态构建三维数字孪生工厂生产场景（冲压车间 / 焊接车间 / 涂 装车间 / 总装车间 / 铸造 - 机加车间 / 电池车间等），并基于三维场景实现实景视点操作、对象监控定位、三维交互浏览、 AR 设备运维、 管 线路展示、生产计划验证、异常分析、生产调优等功能。 （物理世界 ) 产品、服务或过程 数据 过 程 应 用 数 字 孪 生 应 用 基 础 设 施 输出 : 一 优化 , 预测 , 仿真 , 监控 , 分析 , 虚拟 / 增强现实 …… pisx 输入数 据 : 一 激励 一 信息 数 字 孪 生 （ 虚 拟 世 界 ( 同 步 ) 数 据 模 型 真实数据驱动 数据驱动 ■ 在数据模式下机械臂等工作物体， 数 据表达时基于模型真实状态下表达， 不脱离真实的形态进行有效的数据信 息传达。 ■ 在数据模式下园区通过炸楼或透视 表 现内部结构，从而进行数据展示，由 于数据信息过多需弱化整体场景，凸 显表达内容避免场景混乱。 车体分配中心 数字孪生模型提供实时的交互和可视化功能，以便用户在需要时能够查看和管理车体分配中心的情况。用户可以通过数字孪生模型查看 实时的车体位置和状态，或者管理分配计划。数字孪生模型能够支持用户自定义查询和分析，以满足不同用户的需求。结合数据处理和计算 分析的操作指令，人员可通过孪生界面下发设备运行指令，并通过虚拟还原和监控画面 实时监控设备运行状态。 • 任务属性（紧 急程度、时间 限制、优先级 等） • 货物属性（种 类 / 尺寸等） • 设备属性（处 理能力、寿命、 故障率等） pisx • 指令下发（升 降机、穿梭车、 滑撬转运等） • 运输路径 （距 离、时间 等） 车体分配中心 - 算法模型设计 规则量化 数学表达 2. 车体分配中心进、出车规则 设计原则 1. 均衡性：尽量将不同车型品种、 不同配置车型均衡分配到各道次； 2. 优先级： 为各车型设置确定的 优先选择道次，确保分配中心有 空闲时的有序进入； 3. 相近性： 后面一辆车跟随前面 最后一辆与之同型号的车型进入 同道次。 开始 是 结束 否 有 有无空位道次 无 停止 / 停线 入车规则流程图 车体分配中心的核心功能是平衡工艺工艺车间生产节拍差异，作为缓冲区维持上下游车间衔接，以及保持总装车间产线平衡。 因此，为实现上述功能，该场景的约束规则主要涉及两个方面， 即进、出车规则设计和库容量规划，最后通过规则量化、数学表达以及智 能优化算法求解，输出综合指标评估结果。 1. 库容量规划 产线平衡排序规则 车间出入口 能力参数 机运设备运 动参数 立库储存策略 白车身缓 存容量 油漆车身缓 存容量 停机缓存 容量 映射关系表达 智能优化算法 车库综合指标 pisx 铺线数量 剩余库存 安全库存 最大库容量 场景 1 ：以 线平衡为 目标 场景 2 ：以 准时准序 生产为目 标 p 按照优先道次顺序 选择空位道次进入 读取车辆配置 信 息 是否某道次最后 一台是相同车型 跟随最新进入 车辆进入道次 相同车型后 是否有空位 是 否 物流配送优化 基于数字孪生仿真模型，可以对物流设备的调度系统进行优化和更新。根据模型输出的数据， 可以优化调度策略， 提高任务完 成效率；也可以进行设备维护和升级，降低故障率和提高设备可靠性。优化和更新的过程可以通过不断地迭代数 字孪生模型来进行， 在模拟结果与实际情况的反馈中逐步完善和优化调度系统。 物流配送优化 - 算法模型设计 输入 立库坐标系 物流设备运行参数 约束 出 / 入库任务信息 规则映射与量化 优化算法 输出 AGV 作业计划表 规划 以立体仓库的物流配送时间效率最小化为目标，考虑堆垛机和 AGV 等物流设备的协同作业， 结合立库的空间特点设计对应 的出入库策略、设备运行规则和多 AGV 运行避让规则等。具体以物流设备的运行数据、计划任务数据、 AGV 调度数据作为输入，设计 智能优化算法，输出 AGV 小车在车间运行的最佳搬运路线，最大程度的减少物流等待时间。 物流设备运 行逻辑分析 路径冲突 设备运行规 则 作业模式 堆 垛 机 与 AGV 集成调 度模型 优化理论 物流配送作 业优化算法 进化算法 遗传算法 pisx 堆垛机作业计划表 优先级规则 启发式算法 作业任务分配表 物流配送优化 - 算法运行示例 根据产线设计规模、与预先设定的生产及关键运行参数等内容对立库出入库物流过程进行推演，在整个推演过程中实时评估 生产效率、设备状态以及运转过程是否异常等，从而对设计方案进行进一步的改善再验证， 评估最佳的设计方案。动态规划增量 立库产 线的规模大小，为未来新增立库产线或规划提供决策级策略支撑。 加入星球获取更多更全的数智化解决方案 设备运营监测 实现所有独立设备与架式设备的三维建模， 可以快速搜索、定位目标设备， 便捷查询设备信息、设备安装应用信息、设备归属信息、设备运维信息以及 相关故障手册，运维人员无需频繁进出便可清晰掌握生产产区的资产状况。 设备应用状态 设备归属信息 设备信息 设备运行状态 实时采集对应设备运行参数，设备运行参数推送至平台， 将物理对象与 虚拟对象进行映射，实现仿真软件中模型状态实时更新数据同真实设备 运动一致， 真正监控到智能工厂的真实运行情况。 设备数据监控 设备生产记录 运行曲线 历史数据 运行参数推送 物理 / 虚拟对象映射 设备运行仿真 运行参数控制 ...... pisx 设备故障报警 报警信息采集 报警设备定位 报警标签 设备告警管理 实时联动 ...... ...... 设备属性查询 设备影子 能耗管理 - 多维分析 多维度能耗分析 ■ 能耗总览：支持统计整厂当日 用电、用水、 氮气、压缩气的总用量， 同 时对水电气一周 的趋势进行汇总分析， 可进行数据导出。 ■ 区域 /BU 能耗：支持按照年 月周日和自定 义实际维度的方式进行查询。 围绕电的用电 类型、楼栋用电、时刻用电， 统计总用电类型占比 / 同比等的关键指标。 支持数据导出。帮助管理人员快速查看园区 整体用能情况， 辅助能耗调度决策。 ■ 能流分析：在一张能流图上能够快速呈 现不同楼栋的不同用电类型的对比。 ■ 表状态：对园区不同楼栋各个水电气表 进行汇总监测，辅助运维人员快速发现异常 仪 表并进行校正。 能耗管理 - 群控节能 智控节能，创造可测量的价值 通过物联网、 云计算、边缘计算技术 ， AI 人工智能算法实现科学决策与算法实时更新，“多参数 + 多约束条件控制算法”多