在全球制造业竞争异常激烈的今天，德国为了应对美国和日本制造业的挑战，2013年的汉诺威工业博览会上正式推出提出了“工业4.0”的国家战略。中国虽然已成为全球第一制造大国，但还不是强国，为了迎接挑战，2015年5月，国务院正式印发《中国制造2025》，提出了“中国制造2025”的制造强国战略（夏妍娜，赵胜，2016）。
2021年12月28日，工信部等八部门正式发布了《“十四五”智能制造发展规划》，从系统创新、推广应用、自主供给、基础支撑等方面对我国智能制造发展做出了更加全面的布局。规划中提出，到2025年，70%的规模以上制造业企业基本实现数字化网络化，建成500个以上引领行业发展的智能制造示范工厂；到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化网络化，重点行业骨干企业基本实现智能化。
数字孪生的技术发展与工程应用起源于制造业，在工业产品中的概念设计、详细设计、加工制造、运维服务和报废回收等全生命周期都发挥着作用（李浩，王昊琪，刘根，等，2021）。对于制造业来说，传统生产车间的各要素主要依赖工人管理，各种数据信息主要依靠人工记录、统计、查询、使用和分析，从而导致数据质量差、使用率低、无法实时跟踪实际生产状态等问题。为了解决这个问题，部分工作采用数字化、系统化管理，大部分数据采集实现了智能化，但是远远达不到实际车间与虚拟车间之间的实时交互和共融（陈川，陈岳飞，曾麟，等，2020）。
针对这个问题，陶飞等人提出了数字孪生车间（陶飞，张萌，程江峰，等，2017），通过整合物理真实空间与虚拟空间各流程、各业务的有效数据，在车间孪生模型和孪生数据的双重驱动下，不断更新和完善物理车间的生产要素管理、生产计划、生产流程等生产相关的活动，从而在满足成本、质量、自身产生效率等限制条件下，达到一种车间生产运营的最佳生产模式。
在孪生数据的驱动下，可以实现工厂的全生产要素在物理工厂、虚拟工厂、工厂服务系统间的迭代运行，最终使物理工厂不断得到进化，直到工厂生产和管控达到最优的一种工厂运行新模式（林晓清，2019）。数字孪生工厂组成要素包括物理实体工厂、数字虚拟工厂，以及在二者之间双向传递的生产过程数据，如生产设备数据、测量仪器数据、生产人员数据、生产物流数据等，过程数据实现了物理工厂和数字工厂之间的关联映射和匹配（卢阳光，2020）。
图4.32 数字孪生工厂的组成要素
案例：创奇智慧工厂车间孪生驾驶舱
1) 案例背景
浙江创奇电气有限公司是一家以低压电器产业为核心的现代化企业，全球Top10终端电器产品制造商，国内低压电器行业出口的领军企业之一。公司近些年先后获得了“乐清市数字化车间、智能化工厂试点示范企业”、“两化融合管理体系评定证书”、“温州市两化融合试点示范企业”、“浙江制造精品”等荣誉。
随着客户对交期和产品品质要求的不断提高，对生产效率的要求也越来越高，特别是装配业务，仍充斥着大量的人工装配工序，而该工序对人员的技能要求又比较高，面临着成本越来越高招工越来越难的境地，是低压电器行业传统的生产瓶颈。迫切需要通过智能化和数字化的自动装配产线，实现装配自动化和智能化，提高生产效率和产品质量，从而减少对人工人的需求，最终实现智能化精益生产管理和运营。创奇大力推进智能制造改革，希望借助数字化手段将其生产调度、业务数据以孪生可视化的形态进行呈现，共同打造智慧工厂典范。
2) 解决方案
智能工厂由网络空间的虚拟数字工厂和物理系统中的物理工厂构成。其中，实体工厂部署了大量的车间、生产线、加工设备等，为生产制造全过程给予硬件基础设施建设和生产制造资源，也是具体生产制造全过程的最终载体；虚拟数字工厂是根据这些生产制造资源和生产制造全过程的数字化模型。创奇根据产品生产制造过程分析，实施建立了小型断路器智能化产线，通过智能化产线实现了前工序自动化装配线、后端检测工序自动线、全自动包装线以及机器人码垛工站组成的产品制造全过程不落地的自动化产线结构。本次智慧工厂车间孪生驾驶舱项目围绕电器生产产线的总体设计、工艺流程及布局过程中建立数字化三维模型，并进行模拟仿真，实现规划、生产、运营全流程数字化管理。
图4.33 创奇数字孪生智慧工厂应用架构图
智慧工厂项目建设中存在如下难点：
一是建设目标高。结合生产现场，采用虚拟环境对工艺规划、物流路径、工艺参数进行仿真验证，通过虚拟制造与物理生产的循环迭代，指导技术决策，优化工艺，缩短研制周期，实现快速制造。
二部门间联动不紧密。工业信息化一般聚焦在工厂的一个或几个特定环节，尚未形成完整的产业生态。本次项目仍需持续推进网络体系建设，加强核心技术标准研制，支持各部门之间的对接
三是数据展示不直观。基本的图表在某些特定的场景下不适用，信息动态变化快成为新的趋势。本次项目中，需要考虑更加合适的展现形式。
本次项目中主要针对以下场景进行应用建设：
一是车间总览
默认为车间总览场景，根据CAD图纸对物理车间进行还原建模，实现物理产线到三维产线的数字化，场景内对各产线设备及AGV小车进行数据对接，满足在具有多模态、高通量、强关联特征的工业大数据环境中支撑工业应用。
基于EasyV低代码数字孪生可视化平台开展离线和在线工艺仿真分析。离线仿真主要通过模拟物理车间、产线的制造工艺过程，通过工艺规划过程逻辑和工艺操作时间、物流频次规模、工位布局等，模拟验证工艺的可行性，分析工艺布局物流调度等科学性和可优化性。
在线工艺仿真主要通过与物理车间实时交互开展，结合具体的工艺执行场景，通过低时延物理实体状态的实时感知，在数字空间中实现生产工艺状态的实时表达，并基于已有生产工艺逻辑模型和工艺知识规则进行校验，实现工艺问题的提前和实时发现。
图4.34 创奇数字孪生车间总览
二是智慧产线
智慧产线的物流建模与仿真:应用计算机辅助技术和虚拟仿真技术，对智能生产线、智能包装线的运行情况进行仿真分析，根据仿真结果对生产系统、包装系统进行优化调整，形成智能工厂系统优化场景。
此外，通过基于数字孪生的电子地图实现车间物流运输路径的拥堵预警；通过装配工艺逆向建模，确保装配精度，规避装配过程问题。
图4.35 创奇数字孪生车间生产线
3) 建设成果
本项目主要取得了以下成果：
一是数字孪生车间。对车间产线、生产设备等进行三维建模，实现物理产线到三维产线的数字化、监控可视化的转变。
二是生产监控一体化。实时采集设备运行的状态，统一汇总到可视化平台；通过动画仿真模块中模型状态的实时更新，使模拟数据同真实设备状态保持一致，实现车间设备真实运行情况的实时同步监控。
三是数据价值可视化。在大屏展示的基础上，增加车间设备的三维可视化效果，实时掌握车间设备的动态，对现场的生产状态以及企业资产一目了然。
以上内容摘自易知微和数字孪生世界企业联盟出品《数字孪生世界白皮书(2022)》
