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工廠有了數(shù)字“雙胞胎” 城市打造“云端之城”

“摸不著”的數(shù)字孿生 帶來“看得見”的效益

在海爾上合冰箱互聯(lián)一工廠,卡奧斯部署的數(shù)字孿生可視化大屏可實時反應(yīng)工廠產(chǎn)線生產(chǎn)運營狀況。

受訪者供圖

圖為西安城墻數(shù)字方艙綜合管理平臺上滾動呈現(xiàn)的城墻實時情況。

受訪者供圖

4月30日,在天津市濱海新區(qū)國家動漫園里的大型動作捕捉棚內(nèi),身著特定裝備的動捕演員(左)和同事在查看電腦生成的虛擬角色動作。

新華社記者 趙子碩攝

8月21日,在廣東省深圳市國貿(mào)大廈空調(diào)機(jī)房,物業(yè)工作人員在新裝的智能物聯(lián)網(wǎng)控制柜前進(jìn)行運行抄表。

新華社記者 毛思倩攝

在工廠園區(qū),“虛擬工廠”向線下工程師反映工廠各個設(shè)備的情況,幫助工廠運維者“胸有成竹”地高效管理好實體工廠;在古城西安,數(shù)字方艙化身“科技守護(hù)者”,一系列數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用讓城墻保護(hù)有了一雙雙“智慧眼”;在“未來之城”雄安,物理城市與數(shù)字城市同步規(guī)劃、同步建設(shè),匯聚城市數(shù)據(jù)、統(tǒng)籌管理運營的信息“中樞”加快打造……這些生動場景的實現(xiàn),都離不開數(shù)字孿生技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù),是指通過建立三維數(shù)字化模型,打通物理世界和數(shù)字世界,實現(xiàn)虛實融合的復(fù)合技術(shù)。推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、提升城市治理效能、助力文化遺產(chǎn)保護(hù),從制造到消費,從生產(chǎn)到服務(wù),從生活到生態(tài),一個個數(shù)字孿生應(yīng)用場景正在各行各業(yè)構(gòu)建,“摸不著”的數(shù)字孿生,正在帶來“看得見”的經(jīng)濟(jì)效益。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,隨著技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用場景的持續(xù)探索拓寬,數(shù)字孿生技術(shù)將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。

“虛擬工廠”和實體工廠同步運轉(zhuǎn)

近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中得到越來越多的應(yīng)用,通過建立設(shè)備、工廠、產(chǎn)品的數(shù)字模型,企業(yè)能夠在虛擬環(huán)境中對其進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)、性能優(yōu)化和生產(chǎn)流程的實時調(diào)整,工廠精益生產(chǎn)、產(chǎn)線優(yōu)化能力進(jìn)一步提升。

去年12月10日,在山東省青島市膠州市九龍街道上合示范區(qū),隨著首臺超薄零嵌大冰箱的下線,海爾上合冰箱互聯(lián)一工廠正式宣布投入生產(chǎn),這家工廠占地面積465畝,年產(chǎn)能200萬臺,是由海爾旗下卡奧斯孿生制造一體化平臺打造的數(shù)字孿生工廠。

“卡奧斯孿生制造一體化平臺將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到家電制造、打造‘虛擬工廠’中,通過工業(yè)屬性的AI、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智能引擎,打通工廠設(shè)備資產(chǎn)和信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)脈絡(luò),深入挖掘數(shù)據(jù)價值,運用孿生技術(shù)打造高保真、實時同步的虛擬實體,構(gòu)建了虛擬技術(shù)全方面應(yīng)用的數(shù)字孿生工廠。”卡奧斯數(shù)字孿生團(tuán)隊家電項目負(fù)責(zé)人張玥向本報介紹。

通過數(shù)字孿生技術(shù),這座工廠自規(guī)劃到生產(chǎn)的每個階段都清晰可見,也就是說,有兩座工廠在同步晝夜不停地“運轉(zhuǎn)”,一座是線下的實體生產(chǎn)線,另一座是“云端”的“虛擬工廠”。

在工廠規(guī)劃階段,先造出一座“虛擬工廠”。通過孿生制造一體化平臺,把人、機(jī)、料、法、環(huán)全生產(chǎn)要素悉數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型,連每一顆螺絲釘都精確無誤地映射至數(shù)字世界,從而構(gòu)建出一個與實體工廠1:1還原的數(shù)字孿生工廠。在“虛擬工廠”中,精準(zhǔn)模擬生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié),提供動態(tài)的生產(chǎn)過程視圖,支持“假設(shè)模擬驗證”,提前識別生產(chǎn)瓶頸和訂單組合效果,降低試錯成本,實現(xiàn)高效生產(chǎn)。

張玥說:“我們可以在‘虛擬工廠’中對每一個工廠方案先進(jìn)行驗證,包括每一條產(chǎn)線如何改動、如何調(diào)整,先在虛擬環(huán)境中充分驗證、試錯后,再選擇一個投資最低、產(chǎn)出最高的方案進(jìn)行‘落地’。經(jīng)過這些‘云端’實驗后,一旦數(shù)據(jù)能提供支撐,一個實體工廠建設(shè)方案就可以‘落地’,這樣,項目從開工就可以省去大量的驗證環(huán)節(jié)。”

在生產(chǎn)運營階段,通過一體化平臺,訂單數(shù)據(jù)實現(xiàn)了實時匯集,而這一切的關(guān)鍵,正是智能排程系統(tǒng)的運作。在數(shù)字孿生工廠中,借助先進(jìn)的仿真預(yù)演技術(shù)模擬生產(chǎn),利用智能排程算法,對生產(chǎn)計劃進(jìn)行實時的動態(tài)調(diào)整,從而精確地分析和預(yù)測生產(chǎn)能力。這種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策方式,可以幫助企業(yè)精準(zhǔn)把握生產(chǎn)進(jìn)度、資源消耗以及質(zhì)量狀況。同時,通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析,企業(yè)還可以找出資源使用的瓶頸和浪費點,發(fā)現(xiàn)潛在的問題,持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)過程。

在實際生產(chǎn)中,經(jīng)過仿真驗證的生產(chǎn)計劃可以無縫流轉(zhuǎn)到真實工廠,工人們手持的智能設(shè)備和工位上的工位屏能同步展示詳細(xì)的生產(chǎn)任務(wù)信息,并且將生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時反饋給數(shù)字孿生工廠,從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程全生命周期的全面監(jiān)控追溯和管理。

“云端”的數(shù)字孿生技術(shù),正逐漸顯示出“看得見”的經(jīng)濟(jì)價值。

“憑借孿生制造一體化平臺的能力,工廠在建設(shè)階段時,通過布局規(guī)劃,發(fā)現(xiàn)管道等20多處干涉項,優(yōu)化建設(shè)成本,節(jié)約250萬元;在產(chǎn)線能力驗證和產(chǎn)能爬坡驗證階段,發(fā)現(xiàn)某工序的節(jié)拍慢,可能會堵塞生產(chǎn),影響產(chǎn)能,經(jīng)優(yōu)化后產(chǎn)能爬坡時間縮短20%。”張玥說,孿生制造一體化平臺的出現(xiàn),如同制造業(yè)的“超級大腦”,將虛擬生產(chǎn)與物理制造融合,使制造全生命周期的各個環(huán)節(jié)緊密相連,編織成一張無縫的網(wǎng),充分釋放了生產(chǎn)潛能。

業(yè)內(nèi)專家指出,數(shù)字孿生技術(shù)為行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐,能夠有效解決行業(yè)痛點,助力企業(yè)降本增效、提質(zhì)升級。工業(yè)和信息化部數(shù)據(jù)顯示,中國已連續(xù)三年實施智能制造試點示范行動,培育了421家國家級示范工廠、萬余家省級數(shù)字化車間和智能工廠,人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)在中國90%以上的示范工廠得到應(yīng)用。

讓城市運行更“聰明”

哪條道路車流量比較大?地下管廊里有沒有異常?小區(qū)里的垃圾箱有沒有滿?在雄安新區(qū),被稱為“雄安之眼”的城市計算中心,對城市的運行情況了如指掌。城市計算中心是雄安城市管理的智慧中樞,其電子屏上清晰地顯示著地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)、道路交通信息乃至整個雄安新區(qū)的城市運行數(shù)據(jù)。

雄安新區(qū)設(shè)立7年來,除了現(xiàn)實中正在建設(shè)的地上城市和地下城市外,還有一座云上的數(shù)字城市同生共長。如今,雄安城市計算中心、綜合數(shù)據(jù)平臺、雄安城市信息模型平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺和視頻一張網(wǎng)平臺“一中心四平臺”建設(shè)初具規(guī)模,初步構(gòu)建起“云上一座城”。

在雄安新區(qū)的智慧城市建設(shè)中,數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮著重要作用。“雄安每一棟建筑、每一片綠地在現(xiàn)實中的建設(shè)過程,都伴隨著其在數(shù)字世界中的精準(zhǔn)映射。”雄安云網(wǎng)科技有限公司首席技術(shù)官袁曉東說,“通過模擬與預(yù)測優(yōu)化城市規(guī)劃,實時監(jiān)控基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài),提升公共安全與交通管理效率,監(jiān)測環(huán)境并優(yōu)化能源使用,同時促進(jìn)社會服務(wù)優(yōu)化和居民參與,助力雄安新區(qū)打造高效、綠色、智能的現(xiàn)代化城市。”

十幾個路口,一路綠燈,司機(jī)們在雄安新區(qū)的良好體驗,與智能交通的建設(shè)分不開。

2020年,5G車路協(xié)同示范應(yīng)用項目成功申報國家發(fā)改委和工信部2020年新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程。自2020年12月開始,陸續(xù)在昝崗、雄東、容西和啟動區(qū)四個片區(qū)計約288公里道路開展數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

據(jù)介紹,數(shù)字道路基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù),實現(xiàn)對道路交通情況實時監(jiān)測,將交通資源按需分配,采用動態(tài)調(diào)度和交通控制技術(shù)進(jìn)行流量調(diào)度,從而降低擁堵、提高通行效率。5G車路協(xié)同技術(shù)以“車—路—云”協(xié)同為基礎(chǔ),構(gòu)建集感知、通信、計算能力為一體的智能基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境,提升城市交通管理和服務(wù)水平,為城市的可持續(xù)發(fā)展注入新活力。

雄安居民的生活也因數(shù)字孿生城市的建設(shè)而變得更加便捷,從教育、醫(yī)療到社區(qū)服務(wù),個性化、智能化的社會服務(wù)將成為常態(tài)。雄安一卡通實現(xiàn)在政務(wù)、人社、醫(yī)療、交通、文化、旅游、補(bǔ)貼發(fā)放等場景對接,打造“一卡通城、跨城互通”的服務(wù)網(wǎng)絡(luò);多表集抄系統(tǒng)為新區(qū)12萬余戶近41萬塊水氣熱表具提供抄表、繳費服務(wù),打造“水、氣、熱、電、訊、停車”一站式繳費,為居民提供便捷繳費服務(wù);停車管理系統(tǒng)旨在打造統(tǒng)一的城市停車入口,全力推進(jìn)交通數(shù)字化、停車智慧化,以數(shù)字城市力量便民利民。

“未來,雄安新區(qū)將更加依賴數(shù)字孿生城市這個虛擬的‘雙胞胎’來進(jìn)行城市的精細(xì)化管理和前瞻性規(guī)劃。”數(shù)字城市公司基礎(chǔ)設(shè)施智能化事業(yè)部數(shù)字道路項目負(fù)責(zé)人多亞軍介紹,“交通系統(tǒng)將實現(xiàn)全面智能化,車輛、行人、公共交通工具在數(shù)字孿生平臺的調(diào)度下高效流動,構(gòu)建‘車路云一體化’的智能聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)新型基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)共享環(huán)境,提供實時感知、瞬時響應(yīng)的道路全要素感知數(shù)據(jù)。”

在城市水務(wù)領(lǐng)域,數(shù)字孿生技術(shù)同樣有著創(chuàng)新應(yīng)用,通過數(shù)字技術(shù)賦能,共筑城市安瀾。

步入山東省青島市水務(wù)管理局的調(diào)度指揮中心,智慧水務(wù)的中樞——“青島智慧水務(wù)管理平臺”盡收眼底。平臺上,供排水、水旱災(zāi)害防御等十大專題信息得以“一圖統(tǒng)覽”,河道水利的三維建模和數(shù)字孿生水網(wǎng)在線可視化,清晰呈現(xiàn)。“青島水務(wù)管理正邁向數(shù)字化、智能化的高效時代。”青島市水務(wù)管理局辦公室信息化相關(guān)負(fù)責(zé)人牛勇說。

據(jù)介紹,這一平臺是由海爾集團(tuán)旗下數(shù)字城市品牌海納云打造。針對水利水務(wù)業(yè)務(wù)復(fù)雜,信息難以全局統(tǒng)覽等情況,海納云融合數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù),助力青島市構(gòu)建集水工程調(diào)度、水資源管理、供排水管理、水行政監(jiān)管等功能于一體的水務(wù)業(yè)務(wù)網(wǎng),建設(shè)“智慧水務(wù)一張圖”,實現(xiàn)數(shù)字信息全面獲取、水務(wù)要素全面集成、管理行為全面智能。通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用,平臺在全面匯聚水庫水文數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,集成虛擬現(xiàn)實、水利專業(yè)模型、三維數(shù)字模型等信息技術(shù),為水務(wù)管理提供了一種全面、立體、實時、直觀的監(jiān)測和管理手段,有效提升了水務(wù)管理的數(shù)字化、智能化水平。

據(jù)了解,自今年5月份投入試運行以來,該平臺實現(xiàn)對23座水庫、51個積水點、214處河道監(jiān)測點水情進(jìn)行實時監(jiān)測預(yù)警,提升水旱災(zāi)害應(yīng)急處理工作效率;并對現(xiàn)有473座小型水庫、180余座水閘(橡膠壩)、約1330公里堤防工程及新建水利工程統(tǒng)一監(jiān)管,及時監(jiān)測各類水利設(shè)施運行動態(tài)。

新技術(shù)為古城墻做“CT”

一座座古建筑被精確掃描,生成高精度的數(shù)字模型;歷史的風(fēng)韻與先進(jìn)科技交相輝映,在數(shù)字世界煥發(fā)生機(jī)。近年來,數(shù)字孿生技術(shù)逐步走進(jìn)文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域,創(chuàng)新使文物與建筑在數(shù)字空間得到新生,也為文化遺產(chǎn)的保護(hù)利用開拓了新視野。

當(dāng)千年城垣邂逅數(shù)字科技,會是怎樣的情景?作為陜西西安的文化名片,西安城墻在數(shù)字化的幫助下,煥發(fā)多彩生機(jī)。

客流量浮動、監(jiān)測點位數(shù)據(jù)變化、AI風(fēng)險預(yù)警……在西安城墻管委會信息中心,一個個詳細(xì)的實時數(shù)據(jù)每天都在大屏幕上滾動呈現(xiàn)。輕擊鼠標(biāo),虛實結(jié)合的數(shù)字“城墻”便出現(xiàn)在人們眼前,從外部的磚瓦彩繪到內(nèi)部的建筑結(jié)構(gòu),透過“數(shù)字方艙”超大屏端頁面,西安城墻的各種信息映入眼簾。這座“虛擬城墻”便是西安城墻數(shù)字方艙綜合管理平臺的一部分。近年來,西安城墻運用數(shù)字孿生、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、地球物理等前沿技術(shù),與高校、科研院所和骨干企業(yè)共建,打造了一套集文物保護(hù)、文旅運營、應(yīng)急管理、防汛指揮等功能于一體的“文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)利用綜合解決方案”,實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)突破及文保文旅數(shù)據(jù)的融合共享。

“我們現(xiàn)有監(jiān)測點位8000余處,做到了墻體、古建筑、周邊水體、地鐵、游人行為等監(jiān)測全覆蓋。”西安城墻管委會工作人員尚楚喬介紹,“傾角儀、梁式測斜儀、測縫計、沉降監(jiān)測點、水平位移監(jiān)測點等監(jiān)測設(shè)備及點位遍布城墻,對城墻墻體及附屬建構(gòu)筑物的安全狀況進(jìn)行監(jiān)測。”

高質(zhì)量、高精度的模型數(shù)據(jù)讓西安城墻在數(shù)字世界“毫發(fā)畢現(xiàn)”。“我們對13.74公里的城墻整體、34棟重點建筑、18個城墻門洞及登城馬道構(gòu)建了厘米級三維數(shù)據(jù)模型,對1000平方米的彩繪進(jìn)行了毫米級建模。”西安城墻數(shù)字產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心總監(jiān)趙彬表示,西安城墻數(shù)字孿生底座的搭建,為城墻歷史的永續(xù)保存、數(shù)字資產(chǎn)的衍生利用及數(shù)據(jù)可視化使用打好了基礎(chǔ)。

2023年,西安城墻管委會與蘭州大學(xué)聯(lián)動,運用宇宙射線繆子成像設(shè)備給城墻58號馬面做了一次“CT”體檢,這種無損探測的方式將城墻內(nèi)部空洞的位置、形狀、大小清晰地呈現(xiàn)出來,為“對癥下藥”開展保護(hù)治理提供了重要支撐,也為大型文物古跡考古與保護(hù)提供了新思路。“這是一項重大技術(shù)突破創(chuàng)新。”趙彬表示,“對城墻全域的‘CT’掃描,使得城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)在數(shù)字模型中清晰可見,便于我們實時掌握和分析城墻文物本體內(nèi)外數(shù)據(jù),做到文物保護(hù)心中有數(shù)。”

防汛也是城墻智慧化管理的一大亮點。通過視頻圖像采集,使用AI積水自動告警系統(tǒng)準(zhǔn)確識別特定區(qū)域積水情況,實現(xiàn)人工智能積水識別。據(jù)介紹,以前,每逢降雨都要投入近百人進(jìn)行全段巡邏和研判,以確保能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)隱患,清除積水。通過人工智能積水識別后,不但能夠降低人力投入,還可在第一時間發(fā)現(xiàn)隱患點的準(zhǔn)確位置,大大提高了工作效率。

“目前打造的這套系統(tǒng),一方面是為了推進(jìn)西安城墻保護(hù)管理數(shù)字化的進(jìn)程,實現(xiàn)西安城墻在文物保護(hù)、文旅運營、防汛以及應(yīng)急處置等方面的高質(zhì)量管理;另一方面,也是希望在西安城墻的場景下,探索數(shù)字科技與文化遺產(chǎn)保護(hù)傳承的融合,實現(xiàn)對不可移動文物的科學(xué)化、精細(xì)化、系統(tǒng)化保護(hù)和管理。”趙彬說。

如今,依托豐富的文化資源遺產(chǎn)及數(shù)字孿生相關(guān)科技領(lǐng)域的創(chuàng)新成功,西安城墻景區(qū)正在教育、科研領(lǐng)域推動文化遺產(chǎn)保護(hù)的資源共享。截至目前,西安城墻數(shù)字方艙綜合管理平臺已申報了20余個課題、大賽項目;與高校、科技型企業(yè)共建了“文保數(shù)據(jù)治理創(chuàng)新實驗室”“文化遺產(chǎn)數(shù)字場景應(yīng)用創(chuàng)新實驗室”“文化遺產(chǎn)數(shù)字語橋創(chuàng)新實驗室”等項目,在產(chǎn)學(xué)研用的深度融合與協(xié)同創(chuàng)新中探索文化遺產(chǎn)的保護(hù)利用新路徑。

[責(zé)任編輯:王爽]