1 引言
隨著5G建設的快速發展，各產業深度融合不斷深化，其低時延、大連線、高頻寬等特點為企業數位化轉型帶來了更多的技術選擇，尤其是以數字孿生技術應用為代表的數字孿生工廠專案。
2 施工情況
目前，大多數基於數字孿生技術的數字孿生工廠都使用wifi作為裝置無線接入的連線方式。 然而，WiFi的缺點，如連線數少、容易掉線、切換連線速度慢、安全性差、延遲高等問題，極大地限制了數字孿生工廠的實用性，使得大部分專案建設沒有達到預期效果，甚至成為純粹的展示平台，無法達到優化生產運營的初衷;同時，大多數企業數位化轉型意識不強，對實施效果沒有直觀的認識。
3 5G+數字孿生工廠建設方案
3.1 5G網路建設。
5G專網是集5G切片技術與邊緣計算技術於一體，滿足企業業務、連線、計算、安全等需求的可管、可控、可感知的私有雲網路服務。 由於網路使用場景的特殊性，工業企業對網路覆蓋範圍和質量、時延、資料安全等效能指標要求較高，因此需要為生產現場構建靈活、便捷、安全、可靠、穩定、智慧型的專網，深度賦能數字孿生工廠建設。
以5G為代表的前沿技術具有巨大的技術賦能潛力，將5G、物聯網、人工智慧、邊緣計算等技術與企業深度融合，利用5G技術的技術特點，利用高頻寬、低時延、大連線的技術特點，以及切片技術和邊緣計算技術，推動數字孿生的建設。
在保證安全的前提下，實現工廠訊號覆蓋，主要採用巨集站+機房劃分相結合，企業室外覆蓋以巨集站覆蓋為主，廠房主要由機房劃分覆蓋。 圖 1 顯示了典型的 5G 網路傳輸結構。
圖1 5G專網32、數字孿生工廠建設。
數字孿生工廠是物理工廠的數字孿生，是乙個多物理、多維度、超現實、動態的概率整合模型，可用於模擬、監控、診斷和控制工廠物理專案的準確性、工期和成本預算。
對於企業來說，需要建立乙個全面展示車間產線狀態的數字孿生工廠，進而搭建業務資料分析平台，並在此基礎上實現統一協調和控制。 在資料分析平台的基礎上，結合數位化工廠管理的特點，實現智慧型產能和質量資料統計、市場資料統計、裝置執行效率、能耗統計分析與決策和智慧型維護與維護，使資料最大化，建立綜合感知、預警、科學決策的平台， 從而提高公司數位化的整體效率。數字孿生工廠可以實現企業車間生產線的全面資訊化和智慧型化，提高各生產車間的管理和運營效率。
數字孿生工廠管理平台可提供實時監控、定位溯源、報警聯動、計畫管理、遠端控制、安全防範、遠端維護、公升級、統計報表、決策支援、領導桌面等管理和服務功能，實現分散車間、生產線、裝置資產的高效管理、控制和運營一體化。 平台架構如圖 2 所示。
1）系統資料整合。
數字孿生工廠需要整合生產線裝置及輔助設施的狀態資料、報警資料、能耗資料、環境資料、執行資料等。 系統需要顯示的生產訂單、生產批次、質量統計等資訊，均可從現有MES系統中獲取公司需要展示的經營管理資訊，是從ERP系統中獲取的需要展示的產品終端、客戶分析、客戶服務等資訊，均來自現有企業管理系統。
數字孿生工廠管理平台支援多種資料庫接入介面，可方便地與MES系統和ERP系統的資料進行互動如ODBC、OLEDB、ORACLE、SAP、SQLServer等利用軟體的內建資料集功能，從資料庫中快速檢索、聚合、過濾、計算、更新、反饋等。
2）GIS地理資訊應用。
數字孿生工廠管理平台可以展示工廠裝置的分布圖，並利用地圖全向量無級縮放，準確展示工廠裝置在全國各地的分布情況同時，系統可進行多級顯示，每級可顯示不同的資料資訊，如裝置分布數量、報警情況、執行狀態等。 通過GIS的資訊整合，將地理環境模擬、地形和生產監測從全域性到整體、從整體到區域性等多層次、多維度的GIS資訊整合相結合。 同時，系統可實現基於GIS地理位置的資訊化服務，將工廠裝置的實時資訊、歷史資料、報警等資訊在系統上顯示定位，進行“一鍵式”資料跟蹤對故障資料進行快速路徑分析，提供資料跟蹤鎖定，邏輯資料自動抽取，幫助管理者快速了解故障根源。
圖2 數字孿生工廠管理平台架構 （3）裝置點檢管理。
數字孿生工廠管理平台通過手機掃瞄首個標籤的非接觸方式獲取當前裝置程式碼，並指導巡檢人員按照預先制定的技術標準完成巡檢任務。 檢查員使用移動終端完成指定任務，輸入並提交檢查結果。
移動終端可以向管理中心報告任務的完成情況和個人請求，所有資訊都儲存在管理中心的伺服器端系統中，與裝置管理系統無縫整合。
4）數字孿生工廠顯示。
數字孿生工廠管理平台以1：1**的方式對企業的所有樓宇、車間、生產線和裝置進行建模，系統通過在三維虛擬車間漫遊，實現對實體工廠整體環境、裝置布局和加工狀態的綜合展示。 可以設定已建立的漫遊路線，通過設定攝像機角度和視角變化，可以根據設定的路線自動漫遊3D虛擬車間軟體，訪問虛擬工廠的核心內容。
當特定加工裝置位於數字孿生車間時，可以通過點選數字孿生車間中任意位置的裝置，點選裝置的任何位置，即可顯示裝置的靜態屬性（裝置型別、裝置名稱、裝置編號、裝置出廠日期、維護週期、下次維護時間等）。
同時，可實時顯示裝置的實際執行狀態（紅色故障、綠色執行、黃色空閒、灰色停機），漫遊到面向裝置的特定角度後，可顯示裝置的執行引數（溫度、壓力、流量等）。 對於所有空調系統、照明系統、供電系統、門禁設施，以及工廠的開閉狀態（安防監控、生產監控）在立體虛擬車間中以不同顏色顯示（紅色故障、綠色執行、灰色停機），當從某個角度接近設施時，會彈出乙個小視窗，顯示實時採集資料， 並有檢視歷史採集資料的入口，進入後可以按時間段檢視歷史資料分析。
4 總結
通過5G+數字孿生工廠的建設，實現企業實時化運營管理、生產流程透明化、車間管理精細化、工廠運營智慧型化，為企業探索數位化轉型公升級新路徑。
1）實時運營管理。
實時呈現生產經營過程相關資訊，如裝置執行指標、生產完成指標、工廠能耗指標等，並隨時針對資料變化快速做出相關計畫調整，如裝置執行調整、生產計畫調整等，確保公司運營能夠根據需要進行變更。
2）生產過程的透明度。
生產過程不再是“黑匣子”，系統採集的資料用於量化裝置執行狀態、生產工作進度、能耗嚴重程度、人員工作效率等。
3）車間管理細節。
工廠車間內每台裝置的執行、引數的調整、報警的處理都需要有詳細的記錄，從而實現廠務流程的一體化，便於員工績效考核和事故問責計畫的調整。
4）智慧型工廠運營。
通過對歷史資料的分析，對報警、容量、故障、效率等相關引數進行關聯，實現相關資料與往年資料的對比分析，幫助企業管理者輕鬆感知資料變化規律及其相關影響引數，尋求生產過程的改進策略和方法。 裝置維護和能耗優化。
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本文原載於《通訊與資訊科技》2024年第4期 作者：張善祥、胡力巨集、周偉、吳晗、鄧成。