一、數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新階段
近年來，數(shù)字孿生技術(shù)得到了快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了越來越廣泛的傳播推廣，受到了方方面面的極大關(guān)注。
根據(jù)工信部標(biāo)準(zhǔn)化院發(fā)布的《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書2020》中的學(xué)術(shù)界定義，數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)手段。該技術(shù)得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)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(hù)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。
特別是在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生成為關(guān)注熱點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于航空、汽車、電子、機(jī)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(duì)象創(chuàng)建虛擬空間，并將生產(chǎn)設(shè)備等對(duì)象的各種屬性映射到虛擬空間，仿真復(fù)雜的制造工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、質(zhì)量管控和智能服務(wù)等閉環(huán)優(yōu)化，進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，具有生產(chǎn)要素多樣、動(dòng)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(diǎn)。
“十四五”以來，數(shù)字孿生進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，成為推應(yīng)用于動(dòng)我國(guó)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)的有效途徑。政府、企業(yè)和行業(yè)組織對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用推廣給予了高度重視，出臺(tái)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(shí)了一系列相關(guān)支持政策，發(fā)布了多種應(yīng)用白皮書，制定了相關(guān)系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了多種成功的技術(shù)產(chǎn)品和解決方案，涌現(xiàn)了一大批試點(diǎn)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(yīng)用涉及多個(gè)領(lǐng)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(shí)體經(jīng)濟(jì)根基、建成現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系、實(shí)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(guān)鍵技術(shù)之一，近年來在紡織智能制造的重點(diǎn)領(lǐng)域和場(chǎng)景取得了一些典型應(yīng)用，在模型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、分析預(yù)測(cè)、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(shè)計(jì)
數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于紡織品服裝設(shè)計(jì)階段。數(shù)字孿生技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，通過建立數(shù)字孿生模型來進(jìn)行產(chǎn)品的仿真，從而在虛擬環(huán)境中模擬各種真實(shí)的場(chǎng)景，并與生產(chǎn)過程結(jié)合，從而減少傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的打樣成本，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，提高整體效率。
在服裝設(shè)計(jì)中，數(shù)字孿生技術(shù)涉及樣式設(shè)計(jì)、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(shí)現(xiàn)服裝從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)全流程數(shù)字化，尤其在服裝個(gè)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(duì)數(shù)字孿生模型的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整紡織品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)，發(fā)現(xiàn)和解決問題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程準(zhǔn)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(tái)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度和管理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)一體化生產(chǎn)管控，進(jìn)而推進(jìn)智能工廠的建設(shè)。
紡織生產(chǎn)流程涉及到多個(gè)環(huán)節(jié)，例如紡紗生產(chǎn)車間在設(shè)備互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，依據(jù)清梳、并粗、細(xì)紗和絡(luò)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(shí)展示生產(chǎn)單元的生產(chǎn)狀況進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)智能排產(chǎn)和工藝優(yōu)化，進(jìn)而提供智能決策，解決紡紗車間實(shí)時(shí)過程監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量、資源管理、計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)的紐帶，提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。數(shù)字孿生技術(shù)在這一領(lǐng)域應(yīng)用早，技術(shù)較為成熟，有許多成功案例。
在紡織企業(yè)生產(chǎn)物流中，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，通過仿真分析、自主決策等方法進(jìn)行虛擬模型、智能管控等各項(xiàng)功能的更新與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體輸送過程的控制與指導(dǎo)；開發(fā)智能物流數(shù)字孿生管控平臺(tái)，建立涵蓋全物流系統(tǒng)裝備的透明化監(jiān)管及智能服務(wù)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(xiàng)指標(biāo)，及時(shí)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過建立數(shù)字孿生模型，對(duì)產(chǎn)品或半成品進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)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(jí)等指標(biāo)，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(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)開始，并初見成效。
在紗線質(zhì)量預(yù)測(cè)中，結(jié)合原棉配比、原料質(zhì)量、工藝與設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，建立紡紗生產(chǎn)各個(gè)階段的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型，再結(jié)合紡紗生產(chǎn)關(guān)鍵工序的物理模型，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的紗線質(zhì)量預(yù)測(cè)。
設(shè)備維護(hù)
在設(shè)備維護(hù)和故障領(lǐng)域，數(shù)字孿生具有較大優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)應(yīng)用到許多行業(yè)。
數(shù)字孿生提供物理實(shí)體的實(shí)時(shí)虛擬模型，設(shè)備傳感器將溫度、振動(dòng)、碰撞、載荷等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入數(shù)字孿生模型，同時(shí)將設(shè)備使用環(huán)境的數(shù)據(jù)輸入模型，與實(shí)際設(shè)備工作環(huán)境的變化保持一致，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)，在設(shè)備出現(xiàn)狀況前進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，以便在預(yù)定停機(jī)時(shí)間內(nèi)更換問題部件，避免意外停機(jī)。這樣可以明顯降低設(shè)備維修難度和維修成本，有效地延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
產(chǎn)品服務(wù)
智能化服務(wù)是紡織智能制造的不可或缺的一部分，數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用是一個(gè)值得探索的領(lǐng)域。
通過數(shù)字孿生模型，可以在短時(shí)間內(nèi)獲取相關(guān)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(jìn)行庫(kù)存、銷售和售后追溯管理，提高服務(wù)質(zhì)量，降低成本。通過模型對(duì)數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)，結(jié)合可視化運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，有針對(duì)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(xì)分行業(yè)各具應(yīng)用特點(diǎn)
在數(shù)字孿生應(yīng)用推廣的過程中，至關(guān)重要的一點(diǎn)是要準(zhǔn)確把握各個(gè)細(xì)分行業(yè)的特點(diǎn)，密切結(jié)合不同規(guī)模企業(yè)的需求，針對(duì)不同的側(cè)重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)場(chǎng)景的落地。近年來，紡織行業(yè)開展了多方面的應(yīng)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(dòng)化程度高，有較好的智能制造基礎(chǔ)，數(shù)字孿生應(yīng)用較早。
北自科技通過建立數(shù)字孿生模型,獲取化纖長(zhǎng)絲在各個(gè)工藝流程中各裝備的狀態(tài)數(shù)據(jù) ,實(shí)現(xiàn)了化纖長(zhǎng)絲生產(chǎn)車間的三維可視化監(jiān)視與精準(zhǔn)管控; 開發(fā)了智能物流數(shù)字孿生管控平臺(tái)，建立涵蓋全物流系統(tǒng)裝備的透明化監(jiān)管及智能服務(wù)系統(tǒng)，形成了長(zhǎng)絲車間以虛仿實(shí)、以虛映實(shí)、以虛控實(shí)和以虛預(yù)實(shí)的智能物流數(shù)字場(chǎng)景，在新鳳鳴、恒力等化纖龍頭企業(yè)有成功應(yīng)用。
棉紡織行業(yè)
棉紡織企業(yè)裝備自動(dòng)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(jìn)水平，數(shù)字孿生開始應(yīng)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(shè)了紡紗車間數(shù)字孿生可視化平臺(tái)，可以3D可視化監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度自動(dòng)排產(chǎn)，實(shí)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(yù)測(cè)系統(tǒng)，可根據(jù)需要預(yù)測(cè)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(jī)等設(shè)備上；采用數(shù)字孿生技術(shù)的棉紡條筒智能輸送物流系統(tǒng)，也開始應(yīng)用于并粗聯(lián)系統(tǒng)的條筒搬運(yùn)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，智能化、綠色化成為轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要指標(biāo)，數(shù)字孿生已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)過程和在線檢測(cè)。
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(shí)現(xiàn)對(duì)車間場(chǎng)景的實(shí)時(shí)展現(xiàn)、分析和優(yōu)化；常州宏大采用數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)了印染企業(yè)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中的虛擬立體式、全方位智能影像在線檢測(cè)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(fèi)市場(chǎng)，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(shè)計(jì)、生產(chǎn)、個(gè)性化定制、智能化服務(wù)等方面有著廣闊的發(fā)展前景。
雅戈?duì)栆劳袛?shù)字孿生技術(shù)和低延時(shí)的5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)西服工廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、工位、效率、設(shè)備運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、訂單生產(chǎn)等數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真、分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化；紡織信息中心構(gòu)建了服裝設(shè)計(jì)數(shù)字孿生平臺(tái)，通過富有沉浸感和仿真效果的設(shè)計(jì)與展示場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了服裝的三維、動(dòng)態(tài)、多用戶、遠(yuǎn)程、協(xié)同的交互式設(shè)計(jì)。
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(zhǎng)點(diǎn)，近年來在智能制造方面取得了較大進(jìn)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(tái)，搭建了產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字孿生環(huán)境，為應(yīng)急狀態(tài)下產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動(dòng)保供提供保障。
紡機(jī)行業(yè)
紡機(jī)行業(yè)為紡織企業(yè)提供裝備保障，在智能制造領(lǐng)域貢獻(xiàn)突出，數(shù)字孿生在設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)等方面發(fā)揮了重要的作用。無錫宏源開展了化纖加彈機(jī)車間智能化云平臺(tái)的技術(shù)開發(fā)，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并積極整合資源，推動(dòng)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(shù)的應(yīng)用融合推進(jìn)
整個(gè)紡織智能制造是一曲“交響樂”，各種技術(shù)相互滲透、密切結(jié)合、互為支撐。在推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用的同時(shí)，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(shù)的綜合開發(fā)和融合推進(jìn)，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(guān)鍵。
數(shù)字孿生提供虛擬的智能制造場(chǎng)景，使得人工智能算法可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，從而優(yōu)化算法的性能、準(zhǔn)確性和可靠性；而人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字孿生中，通過對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)和優(yōu)化，提升生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、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(yīng)用中是非常重要的支撐技術(shù)，兩者的結(jié)合對(duì)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(chǔ)各種設(shè)備傳感器采集的實(shí)時(shí)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(shù)提供多種多樣的數(shù)據(jù)源和實(shí)時(shí)場(chǎng)景，增加數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度和效率；而大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的管理、分析和挖掘，提煉出有用的信息和知識(shí)，為數(shù)字孿生的應(yīng)用提供支持，一定要注重在長(zhǎng)期應(yīng)用過程中對(duì)各類數(shù)據(jù)的積累。另外，大數(shù)據(jù)也可以對(duì)數(shù)字孿生模型的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行反饋和改進(jìn)。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是實(shí)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(guān)鍵技術(shù)及重要場(chǎng)景，紡織行業(yè)的多個(gè)案例印證了這一點(diǎn)。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、供應(yīng)鏈等設(shè)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(shù)建立虛擬的工廠模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，豐富了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，可以帶動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的模式與應(yīng)用創(chuàng)新；而借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)多渠道的數(shù)據(jù)匯聚，可根據(jù)實(shí)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(wù)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(diǎn)，加快數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，帶動(dòng)紡織各個(gè)領(lǐng)域智能化水平的提升，進(jìn)而帶來深刻的變革，其深遠(yuǎn)意義決不可低估。然而，數(shù)字孿生的推廣應(yīng)用依然存在著一定的難度，如數(shù)據(jù)的一致性、平臺(tái)的兼容性、系統(tǒng)的開放性、模型的集成、標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前多領(lǐng)域、多行業(yè)的應(yīng)用基礎(chǔ)上，融合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景，成為紡織產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級(jí)的重要支柱和核心要素，有著廣闊的應(yīng)用前景。
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