推進(jìn)新型工業(yè)化，要大力推動(dòng)數(shù)字技術(shù)與實(shí)體產(chǎn)業(yè)深度融合，發(fā)揮數(shù)據(jù)的生產(chǎn)要素作用，協(xié)同推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，加快數(shù)字化工廠建設(shè)。數(shù)字孿生技術(shù)通過虛擬與現(xiàn)實(shí)的精準(zhǔn)映射，可實(shí)現(xiàn)宏觀的價(jià)值流與工位效益提升，為建設(shè)數(shù)字化工廠提供強(qiáng)有力的工具。

《印刷與數(shù)字媒體技術(shù)研究》2024年1期綜述欄目特邀西安理工大學(xué)劉琳琳副教授分享《數(shù)字孿生在印刷業(yè)智能化建設(shè)中的探索與實(shí)踐》，對(duì)通過數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)智能印刷工廠的研究方法進(jìn)行闡述，對(duì)其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行總結(jié)，并指出數(shù)字孿生在印刷行業(yè)中應(yīng)用的不足，提出了合理的解決思路與研究展望。

數(shù)字孿生在印刷業(yè)智能化
建設(shè)中的探索與實(shí)踐

基于數(shù)字孿生技術(shù)的制造加工企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)以全面感知的制造數(shù)據(jù)連接生產(chǎn)過程與生產(chǎn)決策，并通過生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計(jì)、信息的邏輯建模驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)決策的生成，有效地提高生產(chǎn)管控能力、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文在分析數(shù)字孿生應(yīng)用層級(jí)基礎(chǔ)上，將數(shù)字孿生在印刷智能工廠建設(shè)中的應(yīng)用集中于三個(gè)層面：基于信息融合實(shí)現(xiàn)印刷裝備狀態(tài)預(yù)測(cè)；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)印刷車間瓶頸分析；基于診斷分析實(shí)現(xiàn)印刷企業(yè)的決策支持。分別探析了數(shù)字孿生應(yīng)用的三個(gè)層面研究方法與研究現(xiàn)狀，并提出在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等新技術(shù)發(fā)展日趨成熟的背景下數(shù)字孿生在印刷包裝智能工廠中的應(yīng)用發(fā)展前景與發(fā)展方向。

數(shù)字孿生的技術(shù)發(fā)展

數(shù)字孿生是一種基于物理實(shí)體對(duì)象、虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)和智能服務(wù)的信息物理融合系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理世界的全面感知、高保真模擬、實(shí)時(shí)交互和優(yōu)化控制。 數(shù)字孿生技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)多維度（物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)/應(yīng)用）間的雙向連接、雙向交互、雙向驅(qū)動(dòng)，以便于在虛擬和物理世界之間構(gòu)建一個(gè)高度集成和互動(dòng)的接口，從而形成信息物理閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為數(shù)字孿生提供了感知接入、可靠傳輸、智能服務(wù)等技術(shù)支持。數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、數(shù)據(jù)集成與融合等方面具有巨大的價(jià)值和潛力，可以為各行各業(yè)帶來創(chuàng)新和變革。

數(shù)字孿生的技術(shù)層級(jí)

數(shù)字孿生技術(shù)以產(chǎn)品為主線，貫穿了產(chǎn)品生命周期中設(shè)計(jì)、制造以及服務(wù)等不同階段，并在不同階段引入不同要素，形成了不同階段的表現(xiàn)形態(tài)。按照技術(shù)層級(jí)，數(shù)字孿生可以分為5個(gè)技術(shù)層級(jí)，其技術(shù)要求分別為：幾何模型的建立、數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)融合、動(dòng)態(tài)孿生和自主孿生，這也是數(shù)字孿生的技術(shù)實(shí)現(xiàn)由可視化向智能化不斷遞進(jìn)、映射規(guī)則逐漸豐富的5個(gè)層級(jí)。
隨著中國(guó)印刷業(yè)智能化建設(shè)的逐步深入，數(shù)字化基礎(chǔ)較好的印刷企業(yè)開始探索構(gòu)建信息雙向驅(qū)動(dòng)下的智能印刷工廠，基于運(yùn)維數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)分析，推動(dòng)印刷生產(chǎn)過程中設(shè)計(jì)、印制、儲(chǔ)運(yùn)、服務(wù)，企業(yè)經(jīng)營(yíng)過程中控制、執(zhí)行、管理、決策的全面智能化，逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程深度優(yōu)化和經(jīng)營(yíng)管理智能決策。對(duì)于龍頭企業(yè)而言，協(xié)同產(chǎn)業(yè)鏈要素對(duì)印刷生產(chǎn)中關(guān)鍵使能技術(shù)開展先行先試，積極推動(dòng)數(shù)字孿生、邊緣計(jì)算、人工智能、數(shù)據(jù)分析、5G通訊等新技術(shù)的應(yīng)用新突破是應(yīng)承擔(dān)的任務(wù)。

數(shù)字孿生在印刷行業(yè)的應(yīng)用研究

作為中國(guó)制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的具體行業(yè)應(yīng)用，印刷業(yè)智能化建設(shè)應(yīng)遵循智能制造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化三個(gè)基本范式，以數(shù)字化為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化為關(guān)鍵，智能化為方向，三者并行推進(jìn)，融合發(fā)展。數(shù)字孿生在印刷智能工廠的主要應(yīng)用分為三個(gè)層面：基于信息融合實(shí)現(xiàn)印刷裝備狀態(tài)預(yù)測(cè)，充分利用印刷設(shè)備在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多源數(shù)據(jù)，通過預(yù)測(cè)模型對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前制定維護(hù)決策；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)印刷車間瓶頸分析，利用印刷生產(chǎn)車間的幾何與物理?xiàng)l件建立車間的數(shù)字模型，由實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)孿生模型進(jìn)行仿真，分析印刷車間的生產(chǎn)瓶頸并進(jìn)行優(yōu)化；基于診斷分析實(shí)現(xiàn)印刷企業(yè)的決策支持，根據(jù)印刷企業(yè)的智能化發(fā)展現(xiàn)狀制定孿生模型，幫助企業(yè)分析所處的智能化發(fā)展階段，并根據(jù)發(fā)展階段確定企業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃。基于數(shù)字孿生的印刷智能工廠建設(shè)的三個(gè)層面之間的關(guān)系如下圖所示。

基于信息融合實(shí)現(xiàn)印刷設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)

印刷設(shè)備的數(shù)字孿生是指將印刷設(shè)備的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，以便于對(duì)印刷設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、維護(hù)和優(yōu)化。

在印刷行業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用中，由印刷設(shè)備的物理實(shí)體出發(fā)，通過印刷機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與離線歷史數(shù)據(jù)的收集，將部分?jǐn)?shù)據(jù)融合，組成印刷設(shè)備在數(shù)字空間的映射模型。該數(shù)字模型包含了印刷設(shè)備中的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、印刷產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)等不同的數(shù)據(jù)形式。利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以從數(shù)字孿生模型中提取表征設(shè)備特征的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，借助基于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)算法處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備潛在故障的預(yù)先洞察與準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并在設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行周期內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)基于物理實(shí)體構(gòu)建數(shù)字模型，再通過數(shù)字模型分析結(jié)果反作用于物理實(shí)體的數(shù)字孿生映射關(guān)系。映射關(guān)系如下圖所示。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)印刷生產(chǎn)瓶頸分析

通過對(duì)企業(yè)生產(chǎn)車間生產(chǎn)瓶頸的分析，可以找出與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在產(chǎn)能利用率方面的差距，并分析造成這種差距的原因，從而有針對(duì)性地改進(jìn)企業(yè)的業(yè)務(wù)流程，提高產(chǎn)能利用率，降低生產(chǎn)成本。

印刷包裝行業(yè)作為一種高度離散型的制造行業(yè)，具有訂單小批量、非標(biāo)程度高、交貨周期短、運(yùn)營(yíng)維護(hù)復(fù)雜等典型特點(diǎn)。在印刷包裝行業(yè)的產(chǎn)能分析與生產(chǎn)瓶頸分析中，常常遇到以下一些問題：因產(chǎn)線復(fù)雜多變的特點(diǎn)，日常生產(chǎn)過程狀況的測(cè)試與表征成本高昂；對(duì)設(shè)備的利用率無法準(zhǔn)確獲取；無法以比較方便的方式快速獲得設(shè)備的運(yùn)行與運(yùn)轉(zhuǎn)效率。這些問題導(dǎo)致在印刷包裝生產(chǎn)車間中的產(chǎn)能分析舉步維艱。其原因可以歸結(jié)為：由于生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)支持缺失導(dǎo)致的分析過程的客觀性與實(shí)時(shí)性缺失；由于過高的生產(chǎn)瓶頸分析與工藝分析成本導(dǎo)致的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)獲取困難。

基于診斷分析實(shí)現(xiàn)印刷企業(yè)決策

企業(yè)智能化建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)的工程，需要軟件與硬件的融合應(yīng)用。根據(jù)印刷行業(yè)智能化的發(fā)展現(xiàn)狀、印刷工廠的智能化建設(shè)現(xiàn)狀和未來目標(biāo)建立一個(gè)可供參考的模型，制定診斷評(píng)估系統(tǒng)，可以幫助企業(yè)進(jìn)行決策支持，提高企業(yè)的管理水平。對(duì)于推進(jìn)印刷行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化建設(shè)有實(shí)際意義。

西安理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CY242-2021 印刷智能工廠參考模型》，建立了智能印廠診斷評(píng)估模型、診斷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如下圖所示。

數(shù)字孿生在印刷企業(yè)應(yīng)用的難題與 展望

數(shù)字孿生在基于信息融合實(shí)現(xiàn)印刷設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)印刷車間瓶頸分析、基于診斷分析實(shí)現(xiàn)印刷企業(yè)決策支持三個(gè)方面的應(yīng)用，從印刷單元降低維修成本、印刷車間提升生產(chǎn)效率、印刷企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)能力三個(gè)角度出發(fā)，為印刷智能工廠的降本增效做了多維度的研究，但還存在一些待解決的問題。

數(shù)字孿生在印刷設(shè)備的狀態(tài)

預(yù)測(cè)方面存在的問題

基于信息融合實(shí)現(xiàn)印刷設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)的一項(xiàng)重要意義在于通過工業(yè)大數(shù)據(jù)的使用，使印刷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)可控可預(yù)測(cè)，避免人為檢修決策帶來的主觀性，是印刷設(shè)備數(shù)據(jù)的一個(gè)應(yīng)用方向。目前，數(shù)字孿生在印刷設(shè)備的狀態(tài)預(yù)測(cè)方面還存在一些待解決的問題。

1）在實(shí)際生產(chǎn)中，印刷設(shè)備有可能根據(jù)頻繁變換印刷作業(yè)，長(zhǎng)期以同樣的工藝參數(shù)進(jìn)行印刷作業(yè)的可能性較低。這使得印刷設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)時(shí)可用的數(shù)據(jù)樣本量較小，同時(shí)缺少明晰的故障機(jī)理。

2）印刷生產(chǎn)過程中由于印刷設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)故障而導(dǎo)致生產(chǎn)停滯的情況較少，使得印刷企業(yè)對(duì)印刷設(shè)備的故障診斷逐漸失去興趣。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)印刷車間

瓶頸分析方面存在的問題

目前，關(guān)于基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)印刷車間瓶頸分析方面，通過數(shù)字孿生技術(shù)與印刷車間運(yùn)維過程的結(jié)合，以企業(yè)的調(diào)研實(shí)踐為基礎(chǔ)，研究了不同設(shè)備類型的數(shù)據(jù)采集方案、設(shè)備OEE計(jì)算與優(yōu)化、車間建模仿真技術(shù)、瓶頸檢測(cè)與優(yōu)化技術(shù)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究理論與應(yīng)用技術(shù)的不足，并在一定程度上解決了企業(yè)實(shí)際問題。但是由于之前研究的時(shí)間限制及企業(yè)條件限制，研究工作還有待進(jìn)一步的改善。

1）目前研究模擬的訂單量相對(duì)物理實(shí)際情況來說較為單薄。這樣做的優(yōu)勢(shì)是進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)計(jì)算量小，見微知著；劣勢(shì)則是會(huì)導(dǎo)致后道工序設(shè)備利用率不足，以至于設(shè)備等待率較高。

2）印刷企業(yè)采集的數(shù)據(jù)是設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)及數(shù)量數(shù)據(jù)，考慮到物理車間與仿真模型之間的實(shí)時(shí)映射需要人、機(jī)、料、法、環(huán)等全流程、全要素?cái)?shù)據(jù)，有必要在后續(xù)研究中利用數(shù)字孿生技術(shù)采集生產(chǎn)全要素?cái)?shù)據(jù)，準(zhǔn)確還原物理世界設(shè)備或系統(tǒng)的行為。

3）基于數(shù)字孿生的印刷車間的瓶頸分析研究了印后環(huán)節(jié)的產(chǎn)線優(yōu)化問題，然而在實(shí)際印刷生產(chǎn)中，印前、印刷、印后生產(chǎn)是連貫的，后續(xù)研究可以針對(duì)印刷生產(chǎn)全流程，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃和生產(chǎn)執(zhí)行三大環(huán)節(jié)全面分析，基于現(xiàn)有企業(yè)生產(chǎn)資源如何避免浪費(fèi)，合理安排生產(chǎn)。

基于診斷分析實(shí)現(xiàn)印刷企業(yè)

決策支持存在的問題

基于診斷分析實(shí)現(xiàn)印刷企業(yè)決策支持，通過客觀數(shù)據(jù)和專業(yè)評(píng)估為企業(yè)建立數(shù)字能力畫像，評(píng)估企業(yè)智能化發(fā)展中存在的優(yōu)勢(shì)與不足。目前的評(píng)估方法主要依靠模型評(píng)估，需要采集大量的離散數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)且獨(dú)立的周期才能夠完成數(shù)字孿生模型的建立，從而判斷企業(yè)的智能化水平。

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于印刷智能

工廠建設(shè)的其他關(guān)鍵問題

除了上述數(shù)字孿生在印刷智能工廠建設(shè)中的應(yīng)用的常見問題以外，面對(duì)極度離散型制造的印刷加工生產(chǎn)，發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)在印刷智能工廠建設(shè)的價(jià)值還需要解決一系列關(guān)鍵問題。

1）印刷制造復(fù)雜程度高，工作機(jī)理模型有待建立。

2）印刷生產(chǎn)離散程度高，數(shù)字采集能力有待強(qiáng)化。

3）印刷過程大數(shù)據(jù)欠缺，數(shù)據(jù)分析方法有待探索。

4）印刷領(lǐng)域研究力量弱，理論實(shí)踐結(jié)合有待加強(qiáng)。

結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)在印刷企業(yè)的應(yīng)用應(yīng)向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向探索，結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)印刷企業(yè)的“數(shù)智化轉(zhuǎn)型”。本文綜合性地分析了數(shù)字孿生技術(shù)在印刷行業(yè)中的應(yīng)用及其對(duì)智能印刷工廠建設(shè)的影響，探討了數(shù)字孿生在印刷設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)、生產(chǎn)流程優(yōu)化和決策支持系統(tǒng)中的作用，展現(xiàn)了其在實(shí)現(xiàn)高效、可持續(xù)印刷智能工廠建設(shè)中的關(guān)鍵價(jià)值。對(duì)于如何利用數(shù)字孿生技術(shù)解決現(xiàn)有挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢(shì)的探討提供了深入的視角。

推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合，加快新型工業(yè)化步伐。在這場(chǎng)新的技術(shù)和管理的升級(jí)與變革中，“但凡人能想象之事，必有人能將其實(shí)現(xiàn)”，先見者明，先行者立。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)將會(huì)在印刷行業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用

來源丨中國(guó)印刷與包裝研究