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甘超:数字孪生系统助推汽车智能制造

  2019年10月22日-10月24日,“2019中国汽车零部件行业年会暨高峰论坛”在山东省青岛莱西市召开,会议主题为“协同 创新 突破—共建中国汽车产业链新生态”。其中,在10月24日的“智能制造,推动行业迈入智能时代”主题论坛上,中南智能长泰机器人有限公司副总经理 甘超 发表精彩演讲。以下内容为演讲实录:

中南智能长泰机器人有限公司副总经理 甘超

  甘超:各位专家,女士们、先生们,大家上午好。
  今天我汇报的这个主题是基于互联网的数字孪生系统怎么助推汽车智能制造。在开始之前我也想表达一下昨天开会印象比较深的词,汽车第一个从高速发展向高质量发展的转变,第二个数据的重要性,第三个就是如何通过新的技术来改变企业面临的现状。
  在开始我的主题报告之前我想跟大家解释几个词,一个是智能制造,还有一个是数字孪生系统。数字孪生系统大家有的比较熟悉,有的还是比较陌生的。
  智能制造主要的特性,大家都知道感应、传感、决策优化到反馈和自我学习这么一个过程,最终所达到的就是提高产品的质量、效率还有服务水平。数字孪生系统它恰好就是一种很好的智能制造的解决手段。那数字孪生系统是什么?它就是可以用数字化的方式构建物理实体的虚拟模型,借助数据模拟物体在实际运行过程中的整个过程,来通过虚实交互反馈、数据融合等多学科,最终达到的目的也是要提高整个智能制造水平的实时性、高效性和智能化的服务,最终的归结点还是在于服务。我想通过三个方面来讲一下我们是如何运用数字孪生系统助推整个智能制造这个行业,包括汽车也好、铸造也好,还有不同领域的非离散型的制造型企业。
  通过三个方面,第一个,我想跟大家一起分享一下我们是如何构建数字孪生环境的,它怎么起到助推智能制造,打造这种智能制造手段的重要路径。第二个就是构建内容,也跟大家一起分享一下,我们在搭建整个数字孪生系统,它的框架是什么,通过什么样的一种方式最终达到我们说的服务于整个智能制造。第三个,也是我们在数字孪生技术这个比较先进的技术之上一些研究成果。
  第一方面,构建环境。我们知道第一个构建环境肯定离不开整个产业政策的支持,从国家发展的机器人规划到智能制造2025,一直到智能制造的整个行业规范制定,它都离不开我们国家政策的一些相关出台,它推动了整个数字孪生技术,也就是我们现在最火的智能制造,离不开国家政策的引导。这种政策的引导刚对一个企业来说支撑力度很大。数字化的转型也将成为一个企业内在的驱动力。我们传统的制作也它是设计完以后把整个的物理实体制造出来我才能验证它的可靠性,成本和质量都是巨大的。我们需要改变什么?我们需要加强的是加速整个企业在开发环境的纵向和横向的发展模式,要打通的是我们整个在产品的全生命周期的质量提升,实现产品自主的创新和可持续发展。最终就是要把不同企业所积累的工业领域的知识沉淀下来。最好的方式就是我不但沉淀下来,我还要对我开发的产品和以后开发的产品有一个可视化的储存。这些东西都逼着我们要数字化转型,要把数字化,也就是基于工业互联网的数字孪生技术更好地覆盖在整个智能制造的领域当中去。
  我想跟大家谈的构建环境的第二点,就是我们现在的发展现状。我们知道这套技术比较先进,起源和发展最早也在德国,但是引进到中国来我们还需要做大量的工作。智能制造有几个过程,第一个是自动化这个过程,也就是我们通常说的机器换人,等到自动化阶段的时候我们强调的是人和机器很好的协作。到了智能制造这个阶段它强调的是一种协同的发展模式,它以客户为中心进行上下游的全产业链的整合。
  数字孪生的这套技术它有三个比较难的点,这上面有三点,第一个就是高保真度,我们对数模进行高保真度,想在实体发挥很好的作用必须要1比1,99.9%的相似度需要大量的数据处理,而且你要想最终达到服务于整个行业要有大量的数据库。我们知道整个数据的收集,要想在全生命周期中采集到有用的数据这个很难的,我们都是做制造行业的。我们知道设备在采集整个生产过程中的关键数据时需要大量的传感技术,我们做的最常用的打磨技术,它里面在高振动,环境也不好的情况下如何保证可靠的信号传输?我想这个采集就是一个难点。作为实时监控,不但你要有信息化的反馈软件,要做出整个过程的反馈功能,我要决策和优化,而且最重要的是你的数据要能实时。实时、高效、服务,怎么实时?我们现在在考虑这个问题的时候,我们说传统的工业互联网,我们现在是工业领域的各种传输方式是具有延时性的,所以我们后面也会跟大家介绍一下,我们在跟整个华为跟中国移动一起联手在做一件事情,就是想把5G的大带宽、低延时的技术用在上面。上面两点想引出的就是这三个难点需要构建你有海量的应外环境,有海量的数模,你要有基础的工业实验平台,你还要有开发软件的平台。
  我们是怎么搭建的?这个是我们公司在这个领域的一些应用案例,在工信部发布的十大类120项的整个应用场景里面,我们有110个应用场景,覆盖了全产业链的应用环境,更多地体现在了我们对工业领域的一些认知和布局,有汽车的、制造的、立体的、信息化、纺织、军工、航天。
  像我们搭建整个数字孪生的环境,你必须要有一些很广泛的资源平台,它更多地体现在什么地方?更多地体现在下一张,就是产学研。我们现在也在跟整个高校一起在合作,湖南大学、中科大等等一起在我们准备讲的数字孪生的框架上做基层研发。基础研发主要包括两点,一种是我们数据处理,还有一种就是我们在实时技术上怎么能保证它的实时性,这块是和华为和中国移动一起在合作。底下这张是我们遍及的客户,客户的资源也是非常重要的,因为我在最后一张案例里面会跟大家有一个视频,这个视频就是我们给奔驰提供内饰零部件的,搭建了这样一个系统。这个系统暂时性地还没有对外开放,因为在我们整个互联网平台上是可以查到的,但是一直没有对外开放。因为数据的保密性和安全性也是我们搭建整个环境考虑的重要因素,因为一个企业要考虑的,我不单要实现整个可持续再生的孪生数据应用,提高我企业高效的效率,还有提高我们的产品质量,更重要的对数据要进行安全可控的保证。
  我们在湖南搭建了一个工业4.0的创新中心,我们有大概500多套软件,从沉淀的设计一直到制造、加工、质量管理体系到产品的成型和整个产品在过程中的运行情况,我们搭建了一个很好的软件共建平台。这些软件它只是在里面的一个工具,是我们实现数字孪生技术的重要工具。还有一块就是我们在整个物联网数据的采集和分析上,我们在自主地开发和应用,也就是我们说的数据化的信息系统。
  这个是我们数字孪生技术实验室里面的一个工业站,他想表达和体现的是我们对孪生对象双向数据的同步与交换。我们通过这一套工作站的实验,一开始都是从各个实验室实验平台和工作站上做我们想干的事情,这套工作站也就是解决了我们数据实时同步的手段。其中有一块,我们采用5G的输送方式,和我们传统的网络在这个实验室里也可以看得出来,其实差别还是挺大的,没有这种大带宽、低延时的技术很难做到实时观测它。第二个就是我们的双向数据同步验证,这套东西验证了我们在整个数字孪生技术当中的多元异构的理论基础。它现在已经可以支持大概三十多种以上的公共协议和规范,就是不同数据的处理。我们知道每家企业要给他提供服务,包括我自己都有很多收费软件,我要把它放在同一种格式下,具有同一种数据采集模式,我对海量的数据就必须要进行一个比较充分的分析,我们采用什么样的网络实时监控可以达到我在虚拟和实际联通道路上的手段。
  这个是我们已经搭建成为的,也就是在整个我们的创新中心大屏上,服务器上搭建成功的协同平台,也就是我们现在看到的协同工业规划和软件开发的平台。这套软件开发的平台把我们现在所做的110种应用场景、上千个项目,现在已经不同程度的收纳、积累,在我们现在的平台里面了。之后我们卖出去的汽车生产线也好,还是铸造的打磨系统也好,都在我们的中央控制室里可以看到我们装备的运行情况。更重要的是,它的目的除了监控以外要指导企业可以提升我自己的产品,提高我的质量,提供好我们更好的服务。它的数据哪来?有一块是我们转型过程当中抓住的重要点,就是数据,我们可以把数据拿来做商品。
  说了这么多的构建环境,我提取两个关键点,你需要有硬件的基础,你还要有软件的基础,你还要有理论研究基础。第二个我想跟大家分享构建内容,为什么今天拿这个主题和大家一起交谈?这个是我们最近刚获得的重大专项,这套核心技术也是经过我们多年沉淀下来,创新出来的,其中不单是运用了一些孪生软件,更重要的是我们自主在开发一些数据处理,包括我们整个应用场景的模型处理,进行多元异构的整个数据处理也不是我们都有的。一共有四点,左边这个框架就是搭建整个工业互联网平台的基础,最右边,生产线的整个孪生建模是我们现在的一个重点工作,里面有很多的内容,我们规范管理平台,包括多维数模的建模,最终就是要实现虚拟和现实实体的映射和交互。
  我们提出了一个六位一体的模式,我们搭建了一个比较完整的理论研究基础。在这个理论基础上我们结合我们自身,也把它用在了相关的一些企业,有虚拟的实体,也有实体数据交互。它具体体现在什么地方?我给大家看一下最后我讲的第三章,就是验证成果。
  这个是我们在东风汽车做的,它是一个21种混流生产线的汽车产线,我们把这个汽车产线里相当于做到了我们的数字孪生服务器平台里面去了,在网上基本上可以查到的。想做什么?它验证完以后就是我现在左边的这四点,一个就是产线与孪生对象的单向和双向的数据同步交换,还有一个就是闭环控制能力的验证。我们这套数字孪生技术的平台技术它支持传感级别,而且从硬件来讲我们给它搭建了生产管理系统,和我们在中央控制室搭建的监控系统两边是一一对应起来的。而且我们把这套技术不但是应用在了生产过程,一开始的整个规划过程,而且把它应用在了我们整个的制造过程当中去做提取。
  最后跟大家看一个视频,这个还是比较清楚的。这个是我们汽车内饰孪生系统上比较典型的应用,它里面可以看到我们怎么在工业互联网云上面把它上传上去,上传完之后我们就是要搭建基于工业互联网平台的数字孪生技术,更好地其指导整个企业在转型升级也好,还有产品开发上所遇到的难题。
  我简单介绍一下,从这个界面进去,我们整个的订单交互,单件能耗还有电能、燃气耗量,进去之后是什么界面?就是我们整个虚拟的线体,有很多工作站。这个环境多种我点击任意一个都可以看到它的运行状态,采购时间,包括运行多长时间,整个参数是什么样子的。再点进去之后可以看到它现在的工作程度是停产状态还是生产状态,生产到底是什么样子的,整个安全性现在没有对外开放。它所体现的,对这个企业来讲在企业换型的时候非常快,他可以在我们的服务器平台上马上验证出来这条线可不可以再扩展产能,可不可以再增加,我要换新的产品以后,我在新建线体以后我的产能是多少,我能不能把它立刻算出来,它都可以做到。而且它可以实时的,下一步要开发的就是有一个APP,这个APP连接在老板的手机上,它可以不停地观测它整个生产周期的状态。对于工艺规划的人员他可以上这个平台上去采集我们给他设计的夹具、工装,包括产品的激光、跟束,这样对他来说不会因为工艺技术人员的迭代,比如说人走了,这套技术就没人知道了,他就可以在我们整个服务器平台上查到。
  我总结一下,数字孪生技术我的理解这么几大优点。我们先把它构造一个可视化的物理实体,通过六位一体的数字孪生的模型搭建,我们积累出海量的数据来源做精确的物理识别检测,用完整的数据建模,我们所达到的是提供一个全面的分析和决策能力,最后也是要实现在虚拟环境下真实的设备远程操控,这是我们最终对于设备层、工艺层、管理层不同的理解和应用。最终就是要达到一个企业实时、高效服务的目的。
  (注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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