一、數(shù)字孿生技術發(fā)展進入新階段
近年來，數(shù)字孿生技術得到了快速發(fā)展，實現(xiàn)了越來越廣泛的傳播推廣，受到了方方面面的極大關注。
根據(jù)工信部標準化院發(fā)布的《數(shù)字孿生應用白皮書2020》中的學術界定義，數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段。該技術得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術的發(fā)展，在工業(yè)制造、城市管理、建筑工程、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、健康醫(yī)療、環(huán)境保護等行業(yè)得到了廣泛應用。
特別是在智能制造領域，數(shù)字孿生成為關注熱點，已經(jīng)應用于航空、汽車、電子、機器人等行業(yè)的研發(fā)與制造。數(shù)字孿生為制造業(yè)的物理對象創(chuàng)建虛擬空間，并將生產(chǎn)設備等對象的各種屬性映射到虛擬空間，仿真復雜的制造工藝，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、物流、質(zhì)量管控和智能服務等閉環(huán)優(yōu)化，進行分析預測。與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，具有生產(chǎn)要素多樣、動態(tài)生產(chǎn)路徑優(yōu)化、資源有序化配置、充分利用數(shù)據(jù)決策等特點。
“十四五”以來，數(shù)字孿生進入了一個新的發(fā)展階段，成為推應用于動我國制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級的有效途徑。政府、企業(yè)和行業(yè)組織對數(shù)字孿生技術的應用推廣給予了高度重視，出臺了“十四五”智能制造規(guī)劃和兩化深度融合規(guī)劃等規(guī)劃，落實了一系列相關支持政策，發(fā)布了多種應用白皮書，制定了相關系列團體標準，開發(fā)了多種成功的技術產(chǎn)品和解決方案，涌現(xiàn)了一大批試點示范企業(yè)，并開始探索基于數(shù)字孿生的智能化生產(chǎn)新模式。
二、數(shù)字孿生在紡織智能制造的應用涉及多個領域
智能制造作為紡織工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的主攻方向，已經(jīng)提升到鞏固實體經(jīng)濟根基、建成現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系、實現(xiàn)新型工業(yè)化的高度。在這種背景下，《紡織工業(yè)“十四五”發(fā)展綱要》中將數(shù)字孿生定義為智能制造的關鍵技術之一，近年來在紡織智能制造的重點領域和場景取得了一些典型應用，在模型設計、數(shù)據(jù)采集、分析預測、模擬仿真等方面發(fā)揮了有效作用，為紡織智能制造的發(fā)展提供了有力支撐。
產(chǎn)品設計
數(shù)字化技術已經(jīng)廣泛應用于紡織品服裝設計階段。數(shù)字孿生技術的進一步應用，通過建立數(shù)字孿生模型來進行產(chǎn)品的仿真，從而在虛擬環(huán)境中模擬各種真實的場景，并與生產(chǎn)過程結(jié)合，從而減少傳統(tǒng)設計中的打樣成本，及時發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化設計過程，提高整體效率。
在服裝設計中，數(shù)字孿生技術涉及樣式設計、面料選擇、3D虛擬試衣、再延伸到裁剪、縫制等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)服裝從設計到生產(chǎn)全流程數(shù)字化，尤其在服裝個性化定制中發(fā)揮更大的作用。
生產(chǎn)制造
智能化生產(chǎn)是紡織智能制造的核心。在紡織生產(chǎn)過程中，通過對數(shù)字孿生模型的實時監(jiān)控，可以隨時監(jiān)測和調(diào)整紡織品生產(chǎn)過程中的關鍵參數(shù)，發(fā)現(xiàn)和解決問題，實現(xiàn)生產(chǎn)全流程準確無誤的協(xié)同操作，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率；通過可視化的平臺進行生產(chǎn)調(diào)度和管理優(yōu)化，實現(xiàn)一體化生產(chǎn)管控，進而推進智能工廠的建設。
紡織生產(chǎn)流程涉及到多個環(huán)節(jié)，例如紡紗生產(chǎn)車間在設備互聯(lián)互通的基礎上，依據(jù)清梳、并粗、細紗和絡筒等工藝流程，建立車間數(shù)字孿生模型。通過模型支撐生產(chǎn)過程的智能化處理，及時展示生產(chǎn)單元的生產(chǎn)狀況進行大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)智能排產(chǎn)和工藝優(yōu)化，進而提供智能決策，解決紡紗車間實時過程監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量、資源管理、計劃調(diào)度、能源消耗等問題。
生產(chǎn)物流
生產(chǎn)物流系統(tǒng)作為智能制造的重要部分，是連接生產(chǎn)線各個環(huán)節(jié)的紐帶，提高了生產(chǎn)線的自動化程度。數(shù)字孿生技術在這一領域應用早，技術較為成熟，有許多成功案例。
在紡織企業(yè)生產(chǎn)物流中，應用數(shù)字孿生技術，通過仿真分析、自主決策等方法進行虛擬模型、智能管控等各項功能的更新與優(yōu)化，實現(xiàn)對物理實體輸送過程的控制與指導；開發(fā)智能物流數(shù)字孿生管控平臺，建立涵蓋全物流系統(tǒng)裝備的透明化監(jiān)管及智能服務系統(tǒng)；可以為企業(yè)提供可視化的操作界面，使企業(yè)可以直觀地了解物流環(huán)節(jié)中的各項指標，及時調(diào)整物流方案。
質(zhì)量管控
產(chǎn)品質(zhì)量管控是紡織生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，通過建立數(shù)字孿生模型，對產(chǎn)品或半成品進行仿真分析，預測不同生產(chǎn)、質(zhì)檢參數(shù)下的紡織品合格率和質(zhì)量等級等指標，提高紡織品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。數(shù)字孿生在這一領域的應用研究已經(jīng)開始，并初見成效。
在紗線質(zhì)量預測中，結(jié)合原棉配比、原料質(zhì)量、工藝與設備參數(shù)等數(shù)據(jù)，應用數(shù)字孿生技術，建立紡紗生產(chǎn)各個階段的數(shù)據(jù)預測模型，再結(jié)合紡紗生產(chǎn)關鍵工序的物理模型，可以實現(xiàn)準確的紗線質(zhì)量預測。
設備維護
在設備維護和故障領域，數(shù)字孿生具有較大優(yōu)勢，已經(jīng)應用到許多行業(yè)。
數(shù)字孿生提供物理實體的實時虛擬模型，設備傳感器將溫度、振動、碰撞、載荷等數(shù)據(jù)實時輸入數(shù)字孿生模型，同時將設備使用環(huán)境的數(shù)據(jù)輸入模型，與實際設備工作環(huán)境的變化保持一致，就可以實時監(jiān)測設備工作狀態(tài)，在設備出現(xiàn)狀況前進行預測，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，以便在預定停機時間內(nèi)更換問題部件，避免意外停機。這樣可以明顯降低設備維修難度和維修成本，有效地延長設備使用壽命。
產(chǎn)品服務
智能化服務是紡織智能制造的不可或缺的一部分，數(shù)字孿生技術在產(chǎn)品全生命周期的應用是一個值得探索的領域。
通過數(shù)字孿生模型，可以在短時間內(nèi)獲取相關紡織產(chǎn)品的記錄、歷史保養(yǎng)情況、質(zhì)檢記錄、位置信息等數(shù)據(jù)，便于進行庫存、銷售和售后追溯管理，提高服務質(zhì)量，降低成本。通過模型對數(shù)據(jù)的分析和預測，結(jié)合可視化運營平臺，有針對性地提供解決方案，從而快速滿足客戶的需求，提高客戶滿意度。
三、紡織細分行業(yè)各具應用特點
在數(shù)字孿生應用推廣的過程中，至關重要的一點是要準確把握各個細分行業(yè)的特點，密切結(jié)合不同規(guī)模企業(yè)的需求，針對不同的側(cè)重點，實現(xiàn)行業(yè)場景的落地。近年來，紡織行業(yè)開展了多方面的應用，取得了一系列的成果。
化纖行業(yè)
化纖行業(yè)生產(chǎn)線自動化程度高，有較好的智能制造基礎，數(shù)字孿生應用較早。
北自科技通過建立數(shù)字孿生模型,獲取化纖長絲在各個工藝流程中各裝備的狀態(tài)數(shù)據(jù) ,實現(xiàn)了化纖長絲生產(chǎn)車間的三維可視化監(jiān)視與精準管控; 開發(fā)了智能物流數(shù)字孿生管控平臺，建立涵蓋全物流系統(tǒng)裝備的透明化監(jiān)管及智能服務系統(tǒng)，形成了長絲車間以虛仿實、以虛映實、以虛控實和以虛預實的智能物流數(shù)字場景，在新鳳鳴、恒力等化纖龍頭企業(yè)有成功應用。
棉紡織行業(yè)
棉紡織企業(yè)裝備自動化水平近年來大幅提高，紡紗生產(chǎn)線的智能化在全行業(yè)處于先進水平，數(shù)字孿生開始應用于生產(chǎn)、質(zhì)檢和物流等方面。
北航等單位為武漢裕大華建設了紡紗車間數(shù)字孿生可視化平臺，可以3D可視化監(jiān)控生產(chǎn)設備，進行生產(chǎn)調(diào)度自動排產(chǎn)，實現(xiàn)紡紗大數(shù)據(jù)分析等多種功能；天工大開發(fā)了基于數(shù)字孿生的紗線質(zhì)量預測系統(tǒng)，可根據(jù)需要預測紡紗生產(chǎn)的半成品質(zhì)量或成品紗線質(zhì)量，并且部署到無錫經(jīng)緯的梳棉機等設備上；采用數(shù)字孿生技術的棉紡條筒智能輸送物流系統(tǒng)，也開始應用于并粗聯(lián)系統(tǒng)的條筒搬運作業(yè)。
圖1 智能條筒輸送數(shù)字孿生系統(tǒng)
印染行業(yè)
印染行業(yè)是紡織全產(chǎn)業(yè)鏈的關鍵環(huán)節(jié)，智能化、綠色化成為轉(zhuǎn)型升級的重要指標，數(shù)字孿生已經(jīng)應用于生產(chǎn)過程和在線檢測。
亞東印染與海爾奧斯卡合作，在染色生產(chǎn)線上構(gòu)建3D數(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)對車間場景的實時展現(xiàn)、分析和優(yōu)化；常州宏大采用數(shù)字孿生技術開發(fā)了印染企業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)過程中的虛擬立體式、全方位智能影像在線檢測系統(tǒng)，支撐印染業(yè)節(jié)能高效、綠色環(huán)保、減排低碳可持續(xù)健康發(fā)展。
圖2 印染3D數(shù)字孿生系統(tǒng)
服裝行業(yè)
服裝行業(yè)直接面向消費市場，近年來智能制造發(fā)展速度明顯加快，數(shù)字孿生在服裝設計、生產(chǎn)、個性化定制、智能化服務等方面有著廣闊的發(fā)展前景。
雅戈爾依托數(shù)字孿生技術和低延時的5G網(wǎng)絡，實時監(jiān)測西服工廠生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、工位、效率、設備運營狀態(tài)、訂單生產(chǎn)等數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)運行狀態(tài)進行仿真、分析、預測和優(yōu)化；紡織信息中心構(gòu)建了服裝設計數(shù)字孿生平臺，通過富有沉浸感和仿真效果的設計與展示場景，實現(xiàn)了服裝的三維、動態(tài)、多用戶、遠程、協(xié)同的交互式設計。
產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)
產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)是紡織工業(yè)新的增長點，近年來在智能制造方面取得了較大進展。航天智造等單位在疫情期間構(gòu)建了醫(yī)療衛(wèi)生用紡織品的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，搭建了產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字孿生環(huán)境，為應急狀態(tài)下產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動保供提供保障。
紡機行業(yè)
紡機行業(yè)為紡織企業(yè)提供裝備保障，在智能制造領域貢獻突出，數(shù)字孿生在設備遠程維護等方面發(fā)揮了重要的作用。無錫宏源開展了化纖加彈機車間智能化云平臺的技術開發(fā)，運用數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)用戶實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，并積極整合資源，推動數(shù)字化車間工程。
四、數(shù)字孿生與人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術的應用融合推進
整個紡織智能制造是一曲“交響樂”，各種技術相互滲透、密切結(jié)合、互為支撐。在推進數(shù)字孿生應用的同時，還要全盤考慮人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術的綜合開發(fā)和融合推進，提升紡織智能制造的總體水平。
人工智能
數(shù)字孿生和人工智能是密不可分和互相依存的，同是紡織智能制造提升智能化水平的關鍵。
數(shù)字孿生提供虛擬的智能制造場景，使得人工智能算法可以在虛擬環(huán)境中進行訓練和測試，從而優(yōu)化算法的性能、準確性和可靠性；而人工智能的機器學習、自然語言處理、計算機視覺等技術應用到數(shù)字孿生中，通過對海量的數(shù)據(jù)進行分析，進行更加精準的預測和優(yōu)化，提升生產(chǎn)監(jiān)測、調(diào)度和管理水平。兩者密切結(jié)合可以大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提升智能化水平。
大數(shù)據(jù)
大數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生應用中是非常重要的支撐技術，兩者的結(jié)合對于紡織智能制造具有重要意義。
數(shù)字孿生系統(tǒng)可以采集、存儲各種設備傳感器采集的實時數(shù)據(jù)和模擬仿真數(shù)據(jù)，形成海量的數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)技術提供多種多樣的數(shù)據(jù)源和實時場景，增加數(shù)據(jù)分析的準確度和效率；而大數(shù)據(jù)技術可以對這些數(shù)據(jù)進行高效的管理、分析和挖掘，提煉出有用的信息和知識，為數(shù)字孿生的應用提供支持，一定要注重在長期應用過程中對各類數(shù)據(jù)的積累。另外，大數(shù)據(jù)也可以對數(shù)字孿生模型的有效性和準確性進行評估和優(yōu)化，對數(shù)字孿生進行反饋和改進。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是實現(xiàn)數(shù)字孿生的重要載體，數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術及重要場景，紡織行業(yè)的多個案例印證了這一點。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)生產(chǎn)設備、業(yè)務系統(tǒng)、供應鏈等設施互聯(lián)互通，生產(chǎn)、管理、監(jiān)控、優(yōu)化等環(huán)節(jié)高效集成。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，通過數(shù)字孿生技術建立虛擬的工廠模型，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時交互，豐富了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應用場景，可以帶動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的模式與應用創(chuàng)新；而借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)企業(yè)多渠道的數(shù)據(jù)匯聚，可根據(jù)實際需求構(gòu)建數(shù)字孿生模型，使數(shù)字孿生在企業(yè)生產(chǎn)管理各業(yè)務環(huán)節(jié)中有效體現(xiàn)，延伸了數(shù)字孿生系統(tǒng)的生命周期。
在未來的發(fā)展階段，紡織智能制造要結(jié)合行業(yè)特點，加快數(shù)字孿生技術的應用和發(fā)展，帶動紡織各個領域智能化水平的提升，進而帶來深刻的變革，其深遠意義決不可低估。然而，數(shù)字孿生的推廣應用依然存在著一定的難度，如數(shù)據(jù)的一致性、平臺的兼容性、系統(tǒng)的開放性、模型的集成、標準的制定等方面的挑戰(zhàn)都需要逐步解決。未來數(shù)字孿生將在當前多領域、多行業(yè)的應用基礎上，融合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術，不斷拓展應用領域和場景，成為紡織產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級的重要支柱和核心要素，有著廣闊的應用前景。
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