數字孿生是智能制造的發展根基

　　一、數字孿生技術發展進入新階段

　　近年來，數字孿生技術得到了快速發展，實現了越來越廣泛的傳播推廣，受到了方方面面的極大關注。

　　根據工信部標準化院發布的《數字孿生應用白皮書2020》中的學術界定義，數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體，借助歷史數據、實時數據以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段。該技術得益于物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術的發展，在工業制造、城市管理、建筑工程、農業規劃、健康醫療、環境保護等行業得到了廣泛應用。

　　特別是在智能制造領域，數字孿生成為關注熱點，已經應用于航空、汽車、電子、機器人等行業的研發與制造。數字孿生為制造業的物理對象創建虛擬空間，并將生產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，實現產品設計、生產、物流、質量管控和智能服務等閉環優化，進行分析預測。與傳統制造系統相比，具有生產要素多樣、動態生產路徑優化、資源有序化配置、充分利用數據決策等特點。

　　“十四五”以來，數字孿生進入了一個新的發展階段，成為推應用于動我國制造業數字化轉型和智能化升級的有效途徑。政府、企業和行業組織對數字孿生技術的應用推廣給予了高度重視，出臺了“十四五”智能制造規劃和兩化深度融合規劃等規劃，落實了一系列相關支持政策，發布了多種應用白皮書，制定了相關系列團體標準，開發了多種成功的技術產品和解決方案，涌現了一大批試點示范企業，并開始探索基于數字孿生的智能化生產新模式。

　　二、數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數字化轉型的主攻方向，已經提升到鞏固實體經濟根基、建成現代化產業體系、實現新型工業化的高度。在這種背景下，《紡織工業“十四五”發展綱要》中將數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、數據采集、分析預測、模擬仿真等方面發揮了有效作用，為紡織智能制造的發展提供了有力支撐。

　　產品設計

　　數字化技術已經廣泛應用于紡織品服裝設計階段。數字孿生技術的進一步應用，通過建立數字孿生模型來進行產品的仿真，從而在虛擬環境中模擬各種真實的場景，并與生產過程結合，從而減少傳統設計中的打樣成本，及時發現問題，優化設計過程，提高整體效率。

　　在服裝設計中，數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、縫制等生產環節，實現服裝從設計到生產全流程數字化，尤其在服裝個性化定制中發揮更大的作用。

　　生產制造

　　智能化生產是紡織智能制造的核心。在紡織生產過程中，通過對數字孿生模型的實時監控，可以隨時監測和調整紡織品生產過程中的關鍵參數，發現和解決問題，實現生產全流程準確無誤的協同操作，保證產品質量，提高生產效率；通過可視化的平臺進行生產調度和管理優化，實現一體化生產管控，進而推進智能工廠的建設。

　　紡織生產流程涉及到多個環節，例如紡紗生產車間在設備互聯互通的基礎上，依據清梳、并粗、細紗和絡筒等工藝流程，建立車間數字孿生模型。通過模型支撐生產過程的智能化處理，及時展示生產單元的生產狀況進行大數據分析，實現智能排產和工藝優化，進而提供智能決策，解決紡紗車間實時過程監控、產品質量、資源管理、計劃調度、能源消耗等問題。

　　生產物流

　　生產物流系統作為智能制造的重要部分，是連接生產線各個環節的紐帶，提高了生產線的自動化程度。數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。

　　在紡織企業生產物流中，應用數字孿生技術，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化，實現對物理實體輸送過程的控制與指導；開發智能物流數字孿生管控平臺，建立涵蓋全物流系統裝備的透明化監管及智能服務系統；可以為企業提供可視化的操作界面，使企業可以直觀地了解物流環節中的各項指標，及時調整物流方案。

　　質量管控

　　產品質量管控是紡織生產的關鍵環節，通過建立數字孿生模型，對產品或半成品進行仿真分析，預測不同生產、質檢參數下的紡織品合格率和質量等級等指標，提高紡織品的生產效率和質量穩定性。數字孿生在這一領域的應用研究已經開始，并初見成效。

　　在紗線質量預測中，結合原棉配比、原料質量、工藝與設備參數等數據，應用數字孿生技術，建立紡紗生產各個階段的數據預測模型，再結合紡紗生產關鍵工序的物理模型，可以實現準確的紗線質量預測。

　　設備維護

　　在設備維護和故障領域，數字孿生具有較大優勢，已經應用到許多行業。

　　數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、載荷等數據實時輸入數字孿生模型，同時將設備使用環境的數據輸入模型，與實際設備工作環境的變化保持一致，就可以實時監測設備工作狀態，在設備出現狀況前進行預測，提前發現潛在故障，以便在預定停機時間內更換問題部件，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，數字孿生技術在產品全生命周期的應用是一個值得探索的領域。

　　通過數字孿生模型，可以在短時間內獲取相關紡織產品的記錄、歷史保養情況、質檢記錄、位置信息等數據，便于進行庫存、銷售和售后追溯管理，提高服務質量，降低成本。通過模型對數據的分析和預測，結合可視化運營平臺，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、紡織細分行業各具應用特點

　　在數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的特點，密切結合不同規模企業的需求，針對不同的側重點，實現行業場景的落地。近年來，紡織行業開展了多方面的應用，取得了一系列的成果。

　　化纖行業

　　化纖行業生產線自動化程度高，有較好的智能制造基礎，數字孿生應用較早。

　　北自科技通過建立數字孿生模型,獲取化纖長絲在各個工藝流程中各裝備的狀態數據 ,實現了化纖長絲生產車間的三維可視化監視與精準管控; 開發了智能物流數字孿生管控平臺，建立涵蓋全物流系統裝備的透明化監管及智能服務系統，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字場景，在新鳳鳴、恒力等化纖龍頭企業有成功應用。

　　棉紡織行業

　　棉紡織企業裝備自動化水平近年來大幅提高，紡紗生產線的智能化在全行業處于先進水平，數字孿生開始應用于生產、質檢和物流等方面。

　　北航等單位為武漢裕大華建設了紡紗車間數字孿生可視化平臺，可以3D可視化監控生產設備，進行生產調度自動排產，實現紡紗大數據分析等多種功能；天工大開發了基于數字孿生的紗線質量預測系統，可根據需要預測紡紗生產的半成品質量或成品紗線質量，并且部署到無錫經緯的梳棉機等設備上；采用數字孿生技術的棉紡條筒智能輸送物流系統，也開始應用于并粗聯系統的條筒搬運作業。

圖1 智能條筒輸送數字孿生系統

　　印染行業

　　印染行業是紡織全產業鏈的關鍵環節，智能化、綠色化成為轉型升級的重要指標，數字孿生已經應用于生產過程和在線檢測。

　　亞東印染與海爾奧斯卡合作，在染色生產線上構建3D數字孿生系統，實現對車間場景的實時展現、分析和優化；常州宏大采用數字孿生技術開發了印染企業現實生產過程中的虛擬立體式、全方位智能影像在線檢測系統，支撐印染業節能高效、綠色環保、減排低碳可持續健康發展。

圖2 印染3D數字孿生系統

　　服裝行業

　　服裝行業直接面向消費市場，近年來智能制造發展速度明顯加快，數字孿生在服裝設計、生產、個性化定制、智能化服務等方面有著廣闊的發展前景。

　　雅戈爾依托數字孿生技術和低延時的5G網絡，實時監測西服工廠生產現場數據、工位、效率、設備運營狀態、訂單生產等數據，對生產運行狀態進行仿真、分析、預測和優化；紡織信息中心構建了服裝設計數字孿生平臺，通過富有沉浸感和仿真效果的設計與展示場景，實現了服裝的三維、動態、多用戶、遠程、協同的交互式設計。

　　產業用紡織品行業

　　產業用紡織品行業是紡織工業新的增長點，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建了醫療衛生用紡織品的工業互聯網平臺，搭建了產業鏈數字孿生環境，為應急狀態下產業鏈聯動保供提供保障。

　　紡機行業

　　紡機行業為紡織企業提供裝備保障，在智能制造領域貢獻突出，數字孿生在設備遠程維護等方面發揮了重要的作用。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，運用數字孿生技術，實現用戶實時數據監測，并積極整合資源，推動數字化車間工程。

　　四、數字孿生與人工智能、大數據、工業互聯網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、密切結合、互為支撐。在推進數字孿生應用的同時，還要全盤考慮人工智能、大數據、工業互聯網等技術的綜合開發和融合推進，提升紡織智能制造的總體水平。

　　人工智能

　　數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境中進行訓練和測試，從而優化算法的性能、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字孿生中，通過對海量的數據進行分析，進行更加精準的預測和優化，提升生產監測、調度和管理水平。兩者密切結合可以大大提高生產效率和產品質量，降低生產成本，提升智能化水平。

　　大數據

　　大數據在數字孿生應用中是非常重要的支撐技術，兩者的結合對于紡織智能制造具有重要意義。

　　數字孿生系統可以采集、存儲各種設備傳感器采集的實時數據和模擬仿真數據，形成海量的數據，為大數據技術提供多種多樣的數據源和實時場景，增加數據分析的準確度和效率；而大數據技術可以對這些數據進行高效的管理、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據的積累。另外，大數據也可以對數字孿生模型的有效性和準確性進行評估和優化，對數字孿生進行反饋和改進。

　　工業互聯網

　　工業互聯網平臺是實現數字孿生的重要載體，數字孿生是工業互聯網的關鍵技術及重要場景，紡織行業的多個案例印證了這一點。

　　工業互聯網實現生產設備、業務系統、供應鏈等設施互聯互通，生產、管理、監控、優化等環節高效集成。基于工業互聯網，通過數字孿生技術建立虛擬的工廠模型，實現生產數據實時交互，豐富了工業互聯網的行業應用場景，可以帶動工業互聯網的模式與應用創新；而借助工業互聯網平臺實現企業多渠道的數據匯聚，可根據實際需求構建數字孿生模型，使數字孿生在企業生產管理各業務環節中有效體現，延伸了數字孿生系統的生命周期。

　　在未來的發展階段，紡織智能制造要結合行業特點，加快數字孿生技術的應用和發展，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，數字孿生的推廣應用依然存在著一定的難度，如數據的一致性、平臺的兼容性、系統的開放性、模型的集成、標準的制定等方面的挑戰都需要逐步解決。未來數字孿生將在當前多領域、多行業的應用基礎上，融合物聯網、云計算、人工智能、大數據等新一代信息技術，不斷拓展應用領域和場景，成為紡織產業數字化轉型、智能化升級的重要支柱和核心要素，有著廣闊的應用前景。

　　（中國紡織工業聯合會產業部原副主任吳迪/文）