0引言
我们身处于快速变革、高速发展的时代，“工业4.0”、“中国制造2025”等新目标的提出，对于传统制造业的改变力度前所未有。港口起重机（以下简称港机）也面临同样的机遇和挑战，怎样推动互联网、大数据、人工智能和港机产品深度融合，如何打造数字化设计制造、高效率、低碳环保、免维护、全寿命周期监控的五星港机，这些问题亟待解决。
数字化双胞胎可以完美的联接设计端、采购端、制造端和运维端，借助云平台、大数据、人工智能等互联网+新技术，推动公司设计、制造、运维服务全面升级，在大幅提升公司设计能力、节省采购成本、提高制造整体品质的同时，为全球港口提供更高效、智能化和一体化的特色服务。
1未来港机数字化双胞胎
数字化双胞胎是近几年提出的新概念，通俗的说法是以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对产品设计、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真，从而提高制造企业产品研发、制造的生产效率[1]。数字化双胞胎的实现有两个必要条件，即一套集成的软件工具和三维形式表现。
未来港机数字化双胞胎以ERP和PLM为主线联接设计端、采购端、生产端，打通设计端、采购、制造形成统一平台，通过自主研发的拟真数字化平台结合专家诊断预测系统，借助大数据和云服务等互联网+新技术，实现运维延伸服务并在电脑端拟真的港机产品的平台。
未来港机数字化双胞胎的实现具有以下几个方面的特点：
1)通过统一平台（ERP和PLM）对数据进行整合，打通设计端、采购端和制造端，设计、采购和制造再也不是孤岛。通过此平台设计端可以了解采购信息及供货周期等，方便根据项目要求完成订货；可以了解制造工艺，从源头进行优化设计，减少工序和避免不必要的复杂设计。采购端可以根据要求适时的制定采购计划，节省采购成本，缩短采购周期。制造端可以根据供货周期适时的安排生产；可以了解设计的意图，对关键位置重点施工，确保施工质量，实现精品制造。
2)借助大数据和云服务等互联网+新技术，打通产品服务端。一方面可以获得产品实时数据，通过对这些数据的分析进一步优化升级产品；另一方面可以延伸我们的服务，提供各种增值服务，由卖产品向卖服务转变。
3)借助自主研发的拟真数字化平台和专家诊断预测系统，在提供增值服务的同时，可以打造全球拟真监控中心。通过对大数据进行分析和专家诊断预测系统，可以实现从基本的备品备件，故障诊断和预测，到港机技术的发展趋势，用户未来的需求预测等全方面的功能。
2数字化双胞胎发展现状
自2016年西门子大中华区首席执行官赫尔曼先生在西门子工业论坛提出数字化双胞胎（Digital Twin）这个概念一年多，工业界两大巨头西门子和通用电气在数字化双胞胎为基础的数字化企业解决方面频频出手，各自推出了主打产品。
西门子推出了MindSphere，技术路线和主要功能如图1所示，这是基于云的开放式物联网操作系统，由西门子在2016年4月举行的德国汉诺威工业博览会上正式发布，2017年6月，在西门子亚太首个数字化体验中心首秀。西门子希望基于该操作系统帮助客户完成数据的采集、传输、存储、分析及应用。具体来说，底层的云基础设施将与多家云服务商合作，西门子将重点构建操作系统，提供开放的能力接口，一方面吸引行业客户或软件开发者开发更多的工业APP，一方面将这些APP推荐给更多的客户使用。客户可以根据自身需求选择相应APP对工厂运营数据进行分析，实现对生产线的智能控制，比如进行预测性设备维护、远程故障诊断、产品追踪等[2]。
图1西门子MindSphere
通用电气GE推出了基于Cloud Foundry(CF)的云平台专攻制造业的Predix系统，技术路线和主要功能如图2所示。
该系统正式运行于2016年初，主打工业物联网综合平台，致力于将设备端到云端打通，提供丰富的自有及第三方工业应用，进而把存储在云端的海量数据通过分析展现给使用者，三位一体提供一套完整的解决方案。其本质上仍然是数据流打通+数据分析衍生价值的结构。Predix平台整体来讲分三部分：
1）设备端包含了对接现场的传感器网络，以及在制造业大规模使用的自动化控制网络，比如可编程控制器、分布式控制系统等。主要负责现场生产数据的感知和捕获。
2）云端整个平台的中枢，包括：海量数据的安全可靠保存、数据分析、运营。
3）应用程序开发GE提供了一些模板和标准化的组件，能够帮助用户很快的开发一些工业物联网应用，如果用户觉得模板不符合要求，还可以自己进行定制[8]。
图2通用电气GE基于Cloud Foundry(CF)的云平台
3未来港机数字化双胞胎实现途径
未来港机数字化双胞胎通过统一平台从产品设计源头开始，对产品设计、工艺流程、生产制造过程进行虚拟仿真，运用云技术对产品服务阶段产品上传感器、运行历史等数据进行收集，利用电脑虚拟技术完成半物理仿真，结合大数据的分析和预测算法，形成相对应的港机装备全生命周期过程。具体流程如图3。
图3港机装备全生命周期过程
1)统一公司内部平台以ERP和PLM为主线打通设计端、采购端、制造端，实现数据共享。参考西门子和通用GE的数字化双胞胎建立方法。西门子模式是建立统一的平台，设计、采购、工艺、制造在同一平台，在此平台上设计部门通过三维软件生成概念产品。采购根据设计部门要求安排采购，工艺部门根据三维概念产品制定生产工艺流程，制造部门根据工艺流程落实生产并将最终的生产数据上传至平台。平台根据最终的生产数据对设计部门初始的概念产品模型进行修正优化。在服务端通过港机实际使用数据的采集，驱动产品模型，以实现港机产品一对一的映射。通用GE模式忽略生产环节，直接通过服役数据修正理论模型得到接近实际的数字模型，在此模型上实现监测和预测功能。通用GE模式比较适合公司目前的情况。
2)建立公司云平台打通用户端，实现数据的收集和分析。云平台是数字化双胞胎的中枢，包括海量数据的安全可靠保存、数据分析和运营。根据目前的情况并结合港机的特点有三种收集数据的方式：云平台实时收集分析（如微软azure、阿里云等）；基于移动端APP模式数据的收集（部分）；用户端数据的直接拷贝。打造未来港机云平台是我们的终极目标，前期可能需要借助移动APP，甚至简单粗暴的用户端直接拷贝数据。
3)通过大数据分析实现智能服务包括以下功能：a）智能设备运维。为用户提供异常检测、智能故障预测、智能备件、设备生命周期管理，降低运维成本。b）智能生产工艺。基于生产线设备仪器提供工艺参数分析与优化，模拟生产调度，提升生产效率与良品率。c）智能能源管理。为生产制造提供生产过程的能耗分析与优化、产能预测，降低能耗，提升产值。
4)建立自主的拟真数字化平台软件包括产品数字化双胞胎、生产工艺流程数字化双胞胎和设备数字化双胞胎一体的拟真数字化平台软件。结合目前的情况，建议建立产品数字化双胞胎。以港机产品的理论模型为基础（有限元模型，简化力学模型，多体动力学模型或其他力学数学模型），通过对港机大量的实际运行数据的收集，利用数学工具对港机的理论模型进行修正优化。数字化双胞胎的后续数学建模将以此经过实际运行数据修正的理论模型为基础，建立更能反映产品实际服役状态和运营状态的虚拟数学模型。该修正后的理论模型也可为局部精细化分析提供边界条件，实现港机整体状态和关键位置的映射。生产工艺流程数字化双胞胎和设备数字化双胞胎待时机成熟可以逐步推进。
5)建立港机专家诊断预测系统包括大数据分析和预测专家系统、港机机构实时监测和预测专家系统、港机结构实时监测和预测专家系统。现阶段可以逐步实现机构、结构实时监测和预测专家系统，大数据分析和预测专家系统需要有一定的积累，特别是用户愿意分享数据的大环境下可以分步实施。
4未来港机数字化双胞胎研究计划
为切实可行的建立未来港机数字化双胞胎，推进管理、设计、采购、生产、服务上一个新台阶，拟分阶段实施：
4.1第一阶段：建立公司自主的港机拟真数字化模型
1)突破钢丝绳建模关键技术用1～1.5 a的时间实现港机起升和小车运行钢丝绳的力学数学建模。
2)港机数字化拟真模型的建立以港机产品的理论模型为基础，通过对港机大量的实际运行数据的收集（实验的形式），利用数学工具对港机的理论模型进行修正优化，形成港机数字化拟真模型。此项工作大致需要2～3 a。
3)港机拟真数字化平台软件的搭建。在港机数字化拟真模型的基础上，以实际运行数据为驱动，建立能反映产品实际服役状态和运营状态的港机拟真数字化平台软件。此项工作以大数据和云技术为基础，待时机成熟，可以根据用户需要适时打造，平台软件的搭建可以放在第三阶段。
4.2第二阶段：建立本地化港机专家诊断和预测系统
包括港机机构实时监测和预测专家系统、港机结构实时监测和预测专家系统。
1)港机单机版机构、结构监测预警系统考虑到当前码头用户不太愿意共享机器数据，更希望搭载单机版机构和结构监测预警系统，可以从单机版着手打开市场，此项工作大致需要1～2 a。
2)港机机构、结构监测预警系统移动APP版运用当地移动网络将单机版产品运行数据实时在APP端显示，用户可以通过手机终端APP查看机器状态，遇到故障时用户可以选择企业提供技术支持。通过APP的推广使用逐步培养用户习惯，实现用户数据的部分分享，此项工作大致需要1 a。
3)基于云和大数据的港机专家诊断预测系统需要逐步推进，建议放在第三阶段实施。
4.3第三阶段：打造完整版未来港机数字化双胞胎。
1)以ERP和PLM为主线，将设计、采购、制造统一至一个平台，打通设计端、采购端、制造端。
2)借助大数据和云服务等互联网+新技术，打通产品服务端，现实互动式的运维管理。
3)建立基于云和大数据的港机拟真数字化平台软件和港机专家诊断和预测系统。
5实现港机数字化双胞胎的意义
1)大幅提高公司设计能力和整体制造水平，由卖产品向卖精品转变通过港机数字双胞胎平台，利用半物理模型通过采集港机的生产和实际运行数据进行仿真，预测出薄弱环节。针对这些薄弱环节，通过港机数字双胞胎平台中相应参数的修改，对港机的生产和运行工况再次进行仿真，直至满足一定的安全裕度，可以避免港机制造和实际运行过程中可能会遇到的问题。在港机制造阶段，将检验和测量数据实测值等输入至港机数字双胞胎平台，修改理论模型达到与真实产品一致；在港机服役阶段，将最新的实测载荷、实测应力、结构损伤程度以及外部环境等数据输入至港机数字双胞胎平台，并基于已有的港机档案大数据库、基于半物理模型仿真和分析模型，实时准确地评估和预测港机各部件寿命、故障及健康状况等。
2)从根本上高效协同并推进港机产品全生命周期各阶段的管控通过港机数字双胞胎技术的落地，将港机设计研发、制造、运维等所有环节的数据在港机数字双胞胎平台上汇集，在此基础上实现港机全生命周期各阶段的全面协同管控，实现港机实体产品到虚拟产品的转变，最终完成决策控制。另外，基于港机设计研发、制造、运维等各环节的数据，通过分析不仅能够实现对港机实体的在线监测为用户提供实时运维服务，还可以为码头用户提供个性化需求服务，预测港机部件寿命和损坏的原因，为码头运维提供决策支持。同时，基于港机数字双胞胎平台，可实现设计数据、制造数据和运维数据等港机全生命周期数据的可视化统一管理，并为全生命周期各阶段所涉及的研发设计人员—生产人员—码头操作人员—设备管理人员—售后服务人员提供统一的数据和模型接口服务。
3)建立数字化的港机全生命周期档案，为全球码头用户提供增值服务，由卖产品向卖服务转变港机数字双胞胎平台是港机全生命周期的数据中心，记录了港机从研发设计、生产、使用直至报废所有模型和数据，是港机全生命周期的数字化档案。通过平台可以调用港机任何阶段的模型和数据，在任何地点、任何时刻和任何阶段的港机状态都能实现可视和行为可控。
通过港机数字双胞胎平台可以为码头打造故障预测与健康管理系统。利用各种传感器和数据处理方法并结合港机档案大数据库对港机设备健康状况进行评估和预测，实现快速捕捉故障，准确定位故障并合理设计维修策略，从而将传统的事后维修转变为事前维修，形成的设备健康管理新模式。通过港机数字双胞胎可以打造港机网上备件4s店。港机产品备件管理一直以来都是困扰码头用户的头号难题。码头用户通常为了保证设备完好和维修及时，会储备大量备件并适时往备件仓库加货，形成了备件库存堆积、折损成本高、场地占用、耗费人力等行业顽疾。通过打造港机网上备件4s店，在全球布点备件库提供港机设备备件服务，真正实现码头备件零库存，打造港口备件4s店。
港机数字双胞胎研发之路任重而道远。此项技术的成熟和完善不仅取决于监测设备和虚拟仿真技术，而且很大程度上依赖于港机运维数据的共享程度。相信随着码头自动化程度的提升，运维要求的提高和用户数据的共享，港机数字双胞胎平台落地指日可待，那将给现在码头的运营带来翻天覆地的变化。
参考文献
[1]庄存波,刘检华,熊辉,等.产品数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势[J].计算机集成制造系统,2017,23(4):753-768.
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[4]张曙.2030的未来工厂[J].机械制造与自动化,2018,47(3):1-8.
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[7]张曙．数字线程－产品生命周期的数字化［J］．MM现代制造，2018(1):6，7．
[8]GE公司推出工业互联网开发者软件云平台[J].智能制造,2015(10):4.
