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学术期刊导读|数字孪生在印刷业智能化建设中的探索与实践

   2024-03-12 印包界印包君64290
核心提示:推进新型工业化,要大力推动数字技术与实体产业深度融合,发挥数据的生产要素作用,协同推进数字产业化和产业数字化,加快数字化工厂建设。数字孪生技术通过虚拟与现实的精准映射,可实现宏观的价值流与工位效益提升,为建设数字化工厂提供强有力的工具。

推进新型工业化,要大力推动数字技术与实体产业深度融合,发挥数据的生产要素作用,协同推进数字产业化和产业数字化,加快数字化工厂建设。数字孪生技术通过虚拟与现实的精准映射,可实现宏观的价值流与工位效益提升,为建设数字化工厂提供强有力的工具。

《印刷与数字媒体技术研究》2024年1期综述栏目特邀西安理工大学刘琳琳副教授分享《数字孪生在印刷业智能化建设中的探索与实践》,对通过数字孪生实现智能印刷工厂的研究方法进行阐述,对其优势进行总结,并指出数字孪生在印刷行业中应用的不足,提出了合理的解决思路与研究展望。

数字孪生在印刷业智能化
建设中的探索与实践

基于数字孪生技术的制造加工企业能够实现以全面感知的制造数据连接生产过程与生产决策,并通过生产大数据的分析与统计、信息的逻辑建模驱动生产决策的生成,有效地提高生产管控能力、产品质量和生产效率。本文在分析数字孪生应用层级基础上,将数字孪生在印刷智能工厂建设中的应用集中于三个层面:基于信息融合实现印刷装备状态预测;基于数据驱动实现印刷车间瓶颈分析;基于诊断分析实现印刷企业的决策支持。分别探析了数字孪生应用的三个层面研究方法与研究现状,并提出在工业互联网、边缘计算等新技术发展日趋成熟的背景下数字孪生在印刷包装智能工厂中的应用发展前景与发展方向。

数字孪生的技术发展

数字孪生是一种基于物理实体对象、虚拟模型、孪生数据和智能服务的信息物理融合系统,它能够实现对物理世界的全面感知、高保真模拟、实时交互和优化控制。 数字孪生技术要求实现多维度(物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务/应用)间的双向连接、双向交互、双向驱动,以便于在虚拟和物理世界之间构建一个高度集成和互动的接口,从而形成信息物理闭环系统。数字孪生是物联网平台或工业互联网平台的重要组成部分,物联网、工业互联网为数字孪生提供了感知接入、可靠传输、智能服务等技术支持。数字孪生在产品全生命周期数据管理、数据分析与挖掘、数据集成与融合等方面具有巨大的价值和潜力,可以为各行各业带来创新和变革。

数字孪生的技术层级

数字孪生技术以产品为主线,贯穿了产品生命周期中设计、制造以及服务等不同阶段,并在不同阶段引入不同要素,形成了不同阶段的表现形态。按照技术层级,数字孪生可以分为5个技术层级,其技术要求分别为:几何模型的建立、数据描述、数据融合、动态孪生和自主孪生,这也是数字孪生的技术实现由可视化向智能化不断递进、映射规则逐渐丰富的5个层级。
随着中国印刷业智能化建设的逐步深入,数字化基础较好的印刷企业开始探索构建信息双向驱动下的智能印刷工厂,基于运维数据和预测分析,推动印刷生产过程中设计、印制、储运、服务,企业经营过程中控制、执行、管理、决策的全面智能化,逐步实现生产过程深度优化和经营管理智能决策。对于龙头企业而言,协同产业链要素对印刷生产中关键使能技术开展先行先试,积极推动数字孪生、边缘计算、人工智能、数据分析、5G通讯等新技术的应用新突破是应承担的任务。

数字孪生在印刷行业的应用研究

作为中国制造业智能化转型升级的具体行业应用,印刷业智能化建设应遵循智能制造数字化、网络化、智能化三个基本范式,以数字化为基础,网络化为关键,智能化为方向,三者并行推进,融合发展。数字孪生在印刷智能工厂的主要应用分为三个层面:基于信息融合实现印刷装备状态预测,充分利用印刷设备在生产过程中产生的多源数据,通过预测模型对设备的运行状态进行预测,提前制定维护决策;基于数据驱动实现印刷车间瓶颈分析,利用印刷生产车间的几何与物理条件建立车间的数字模型,由实际生产数据驱动孪生模型进行仿真,分析印刷车间的生产瓶颈并进行优化;基于诊断分析实现印刷企业的决策支持,根据印刷企业的智能化发展现状制定孪生模型,帮助企业分析所处的智能化发展阶段,并根据发展阶段确定企业的战略规划。基于数字孪生的印刷智能工厂建设的三个层面之间的关系如下图所示。

基于信息融合实现印刷设备状态预测

印刷设备的数字孪生是指将印刷设备的物理模型转化为数字模型,以便于对印刷设备进行监控、维护和优化。

在印刷行业的数字孪生应用中,由印刷设备的物理实体出发,通过印刷机进行实时数据采集与离线历史数据的收集,将部分数据融合,组成印刷设备在数字空间的映射模型。该数字模型包含了印刷设备中的历史运行数据、印刷产品质量数据等不同的数据形式。利用数据分析技术,可以从数字孪生模型中提取表征设备特征的关键数据,借助基于机器学习的预测算法处理关键数据,实现对设备潜在故障的预先洞察与准确预测,并在设备的稳定运行周期内对设备进行保养与维护,实现基于物理实体构建数字模型,再通过数字模型分析结果反作用于物理实体的数字孪生映射关系。映射关系如下图所示。

基于数据驱动实现印刷生产瓶颈分析

通过对企业生产车间生产瓶颈的分析,可以找出与竞争对手在产能利用率方面的差距,并分析造成这种差距的原因,从而有针对性地改进企业的业务流程,提高产能利用率,降低生产成本。

印刷包装行业作为一种高度离散型的制造行业,具有订单小批量、非标程度高、交货周期短、运营维护复杂等典型特点。在印刷包装行业的产能分析与生产瓶颈分析中,常常遇到以下一些问题:因产线复杂多变的特点,日常生产过程状况的测试与表征成本高昂;对设备的利用率无法准确获取;无法以比较方便的方式快速获得设备的运行与运转效率。这些问题导致在印刷包装生产车间中的产能分析举步维艰。其原因可以归结为:由于生产管理数据支持缺失导致的分析过程的客观性与实时性缺失;由于过高的生产瓶颈分析与工艺分析成本导致的准确数据获取困难。

基于诊断分析实现印刷企业决策

企业智能化建设是一个系统的工程,需要软件与硬件的融合应用。根据印刷行业智能化的发展现状、印刷工厂的智能化建设现状和未来目标建立一个可供参考的模型,制定诊断评估系统,可以帮助企业进行决策支持,提高企业的管理水平。对于推进印刷行业数字化转型、智能化建设有实际意义。

西安理工大学科研团队依据行业标准《CY242-2021 印刷智能工厂参考模型》,建立了智能印厂诊断评估模型、诊断评价指标体系,如下图所示。

数字孪生在印刷企业应用的难题与 展望

数字孪生在基于信息融合实现印刷设备状态预测、基于数据驱动实现印刷车间瓶颈分析、基于诊断分析实现印刷企业决策支持三个方面的应用,从印刷单元降低维修成本、印刷车间提升生产效率、印刷企业提升竞争能力三个角度出发,为印刷智能工厂的降本增效做了多维度的研究,但还存在一些待解决的问题。

数字孪生在印刷设备的状态

预测方面存在的问题

基于信息融合实现印刷设备状态预测的一项重要意义在于通过工业大数据的使用,使印刷设备的运行状态可控可预测,避免人为检修决策带来的主观性,是印刷设备数据的一个应用方向。目前,数字孪生在印刷设备的状态预测方面还存在一些待解决的问题。

1)在实际生产中,印刷设备有可能根据频繁变换印刷作业,长期以同样的工艺参数进行印刷作业的可能性较低。这使得印刷设备进行状态预测时可用的数据样本量较小,同时缺少明晰的故障机理。

2)印刷生产过程中由于印刷设备机械结构故障而导致生产停滞的情况较少,使得印刷企业对印刷设备的故障诊断逐渐失去兴趣。

基于数据驱动实现印刷车间

瓶颈分析方面存在的问题

目前,关于基于数据驱动实现印刷车间瓶颈分析方面,通过数字孪生技术与印刷车间运维过程的结合,以企业的调研实践为基础,研究了不同设备类型的数据采集方案、设备OEE计算与优化、车间建模仿真技术、瓶颈检测与优化技术,弥补了现有研究理论与应用技术的不足,并在一定程度上解决了企业实际问题。但是由于之前研究的时间限制及企业条件限制,研究工作还有待进一步的改善。

1)目前研究模拟的订单量相对物理实际情况来说较为单薄。这样做的优势是进行结果分析时计算量小,见微知著;劣势则是会导致后道工序设备利用率不足,以至于设备等待率较高。

2)印刷企业采集的数据是设备生产状态及数量数据,考虑到物理车间与仿真模型之间的实时映射需要人、机、料、法、环等全流程、全要素数据,有必要在后续研究中利用数字孪生技术采集生产全要素数据,准确还原物理世界设备或系统的行为。

3)基于数字孪生的印刷车间的瓶颈分析研究了印后环节的产线优化问题,然而在实际印刷生产中,印前、印刷、印后生产是连贯的,后续研究可以针对印刷生产全流程,从产品设计、生产规划和生产执行三大环节全面分析,基于现有企业生产资源如何避免浪费,合理安排生产。

基于诊断分析实现印刷企业

决策支持存在的问题

基于诊断分析实现印刷企业决策支持,通过客观数据和专业评估为企业建立数字能力画像,评估企业智能化发展中存在的优势与不足。目前的评估方法主要依靠模型评估,需要采集大量的离散数据并进行分析,要经历一个较长且独立的周期才能够完成数字孪生模型的建立,从而判断企业的智能化水平。

数字孪生技术应用于印刷智能

工厂建设的其他关键问题

除了上述数字孪生在印刷智能工厂建设中的应用的常见问题以外,面对极度离散型制造的印刷加工生产,发挥数字孪生技术在印刷智能工厂建设的价值还需要解决一系列关键问题。

1)印刷制造复杂程度高,工作机理模型有待建立。

2)印刷生产离散程度高,数字采集能力有待强化。

3)印刷过程大数据欠缺,数据分析方法有待探索。

4)印刷领域研究力量弱,理论实践结合有待加强。

结语

数字孪生技术在印刷企业的应用应向着数字化、网络化、智能化的方向探索,结合工业互联网、边缘计算等新技术实现印刷企业的“数智化转型”。本文综合性地分析了数字孪生技术在印刷行业中的应用及其对智能印刷工厂建设的影响,探讨了数字孪生在印刷设备预测性维护、生产流程优化和决策支持系统中的作用,展现了其在实现高效、可持续印刷智能工厂建设中的关键价值。对于如何利用数字孪生技术解决现有挑战和未来发展趋势的探讨提供了深入的视角。

推进信息化和工业化深度融合,加快新型工业化步伐。在这场新的技术和管理的升级与变革中,“但凡人能想象之事,必有人能将其实现”,先见者明,先行者立。随着新技术的不断发展和应用,数字孪生技术将会在印刷行业中发挥更加重要的作用

来源丨中国印刷与包装研究

 
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