工業 4.0：設備管理變革的時代背景

在科技飛速發展的當下，工業領域正經歷著深刻變革，工業 4.0 的浪潮洶涌而來。工業 4.0 這一概念最早于 2013 年德國漢諾威工業博覽會上正式推出 ，它以智能制造為主導，利用信息化技術促進產業變革，將制造業帶入智能化時代，目標是建立高度靈活的個性化和數字化的產品與服務生產模式。

在工業 4.0 時代，設備不再是孤立的個體，而是通過物聯網、大數據、云計算等技術連接成一個有機整體。設備全生命周期管理從設備的規劃、采購、安裝、調試、使用、維護、改造到報廢的全過程管理，成為企業實現智能制造、提升競爭力的關鍵環節。有效的設備全生命周期管理能夠確保設備的穩定運行，提高生產效率，降低生產成本，同時還能為企業的決策提供數據支持，幫助企業優化生產流程，快速響應市場變化。

而數字孿生技術的出現，為工業 4.0 時代的設備全生命周期管理帶來了革命性的變化，成為實現設備高效管理的核心技術之一。

傳統設備全生命周期管理的痛點

在工業 4.0 之前，傳統設備全生命周期管理方式在各個環節存在諸多痛點，嚴重制約著企業的生產效率與經濟效益。

在設備采購環節，信息的不全面與不透明是一大難題。企業在選擇設備時，往往難以全面了解設備的性能、質量、維護成本等關鍵信息。很多時候只能依賴供應商提供的有限資料和銷售人員的介紹，缺乏對設備實際使用情況的深入了解 。這就好比在黑暗中摸索，企業很可能購買到不適合自身生產需求的設備，導致設備在后續使用中頻繁出現問題，影響生產進度，增加運營成本。

設備使用過程中，管理的粗放性與監控的缺失也帶來了諸多問題。操作人員可能因缺乏標準化培訓，無法充分發揮設備的性能，甚至因操作不當導致設備損壞。同時，由于缺乏有效的實時監控手段，企業難以及時掌握設備的運行狀態，無法及時發現潛在的故障隱患。就像一艘在大海中航行的船只，沒有導航和雷達，只能盲目前行，一旦遇到問題，往往措手不及。

設備維護環節同樣問題重重。傳統的設備維護主要依賴定期維護和事后維修兩種方式。定期維護不管設備實際運行狀況，按照固定的時間間隔進行維護，這種方式雖然能在一定程度上保證設備的正常運行，但也存在過度維護的問題，造成資源的浪費。而事后維修則是在設備出現故障后才進行維修，這種方式會導致設備停機時間過長，影響生產的連續性，給企業帶來巨大的經濟損失。而且，傳統的設備維護記錄往往以紙質形式保存，信息分散，難以進行有效的數據分析和統計，不利于企業制定科學的維護策略。

當設備進入報廢階段，傳統管理方式也存在明顯不足。缺乏科學的報廢評估機制，企業很難準確判斷設備是否真正達到報廢標準。有時可能過早報廢仍有使用價值的設備，造成資源浪費；有時又可能過晚報廢已無法正常使用的設備，增加安全隱患和運營成本。此外，報廢設備的處理過程也缺乏規范管理，可能導致環境污染和資源浪費。

數字孿生：開啟設備管理新范式

（一）數字孿生是什么

數字孿生，簡單來說，就是為物理世界中的設備、系統或流程在虛擬數字空間中創建一個一模一樣的 “雙胞胎”。這個虛擬模型可不是簡單的復制，它與物理實體之間通過傳感器、物聯網等技術建立起實時連接，能實時同步物理實體的各種狀態、性能參數和運行數據 ，就像照鏡子一樣，物理設備的任何變化都能在數字孿生體上即時反映出來。

例如，在汽車制造中，一輛真實的汽車在生產線上組裝，它的數字孿生模型也在虛擬空間中同步構建。從零部件的安裝位置、擰緊力矩，到整車的各項性能指標，如車速、油耗、排放等，都能在數字孿生模型中實時呈現。工程師可以通過數字孿生模型，實時監控汽車的生產過程和運行狀態，提前發現潛在問題并進行優化。

（二）數字孿生在設備全生命周期管理中的應用

1.設計階段：在傳統的設備設計中，往往依賴經驗和二維圖紙，難以全面考慮各種因素，導致設計方案可能存在缺陷。而數字孿生技術的出現，為設備設計帶來了全新的思路。通過構建設備的數字孿生模型，設計師可以在虛擬環境中對設備進行全方位的模擬和分析。例如，在設計一臺大型數控機床時，利用數字孿生技術，設計師可以模擬機床在不同工況下的運行情況，包括切削力、振動、溫度分布等，提前發現潛在的設計問題，如結構強度不足、熱變形過大等。通過對這些問題的優化，能夠提高設備的性能和可靠性，減少設計變更和成本浪費。同時，數字孿生模型還可以與制造系統的數字孿生體相結合，實現設計和制造的無縫對接，確保設計方案能夠順利實施，提高產品的質量和生產效率。

2.制造階段：制造過程中，數字孿生技術能夠實現生產過程的智能化和可視化。通過構建生產設備和生產線的數字孿生模型，實時采集設備的運行數據和生產數據，企業可以對生產過程進行全面監控和優化。例如，在電子產品制造企業中，通過數字孿生技術，企業可以實時掌握每臺生產設備的運行狀態，如設備的溫度、壓力、轉速等參數，以及產品的生產進度、質量檢測數據等。一旦發現設備出現異常或產品質量問題，系統能夠及時發出預警，并通過數據分析找出問題的根源，為生產決策提供支持。此外，數字孿生技術還可以實現生產過程的優化調度，根據訂單需求、設備狀態和原材料供應情況，合理安排生產任務，提高生產效率和資源利用率。

3.調試階段：傳統的設備調試往往需要在實際設備上進行，不僅成本高、周期長，而且存在一定的安全風險。數字孿生技術的應用，為設備調試提供了一種全新的方式 —— 虛擬化調試。通過建立設備和生產環境的數字孿生模型，在虛擬環境中對設備進行調試和優化。例如，在飛機發動機的調試過程中，利用數字孿生技術，工程師可以在虛擬環境中模擬發動機的各種工況，如起飛、巡航、降落等，對發動機的性能進行測試和優化。通過虛擬化調試，不僅可以大大縮短調試周期，降低調試成本，還可以提高調試的安全性和準確性，減少因調試不當而導致的設備故障和事故。

4.運行階段：設備在運行過程中，受到各種因素的影響，如工作負荷、環境溫度、濕度等，其性能和狀態會不斷發生變化。數字孿生技術能夠實時監測設備的運行狀態，根據設備的實時數據和歷史數據，利用大數據分析和人工智能算法，對設備的性能進行預測和評估，為設備的運行管理提供決策支持。例如，在風力發電場中，通過數字孿生技術，運維人員可以實時掌握每臺風機的運行狀態，包括風機的轉速、發電量、葉片角度等參數。利用大數據分析和人工智能算法，對風機的性能進行預測和評估，提前發現潛在的故障隱患，如葉片疲勞、齒輪箱故障等，并及時采取措施進行維護和修復，確保風機的穩定運行，提高發電效率。

5.維護階段：傳統的設備維護方式主要是定期維護和事后維修，這種方式存在過度維護或維修不及時的問題。數字孿生技術的應用，使得設備維護更加智能化和精準化。通過數字孿生模型，結合設備的運行數據和故障歷史數據，利用機器學習和深度學習算法，對設備的故障進行預測和診斷。例如，在石油化工企業中，通過數字孿生技術，對關鍵設備如壓縮機、泵等進行實時監測和故障預測。當設備出現異常時，系統能夠及時發出預警，并通過數據分析找出故障的原因和位置，為維修人員提供維修建議和指導。這種預測性維護方式，能夠提前發現設備的潛在故障，及時進行維護和修復，避免設備故障的發生，減少設備停機時間，降低維護成本。

6.報廢階段：在設備報廢階段，數字孿生技術也能發揮重要作用。通過對設備全生命周期數據的分析，評估設備的剩余價值，為設備的報廢決策提供依據。同時，數字孿生技術還可以幫助企業優化設備的回收和再利用方案，實現資源的最大化利用。例如，在廢舊汽車回收過程中，利用數字孿生技術，企業可以對廢舊汽車的零部件進行評估，確定哪些零部件可以直接再利用，哪些零部件需要進行修復或拆解后再利用。通過優化回收和再利用方案，不僅可以降低資源浪費，減少環境污染，還可以為企業創造一定的經濟效益。

中設智控的數字孿生實踐案例

（一）中設智控設備管理系統概述

中設智控成立于 1999 年，是一家在設備管理領域經驗頗豐的高新技術企業。其設備管理系統以企業設備資產綜合管控 ACCM 體系理論為指導，功能模塊豐富且全面。

在功能模塊方面，涵蓋設備采購、設備臺賬、維修管理、備件管理、設備巡檢 / 點檢、保養管理等。通過這些模塊，可建立統一的設備資產臺帳以及標準化設備資產管理系統信息化平臺，準確記錄、保存設備從采購、入庫到報廢全生命周期的動態及靜態信息，包括設備的基本信息、技術參數、采購信息等，還能記錄設備維修全過程 。

技術應用上，融合了 RFID（射頻識別）、傳感器、大數據分析、云計算、數字孿生等先進技術。通過 RFID 和傳感器實現對設備的實時監測和數據采集，將設備的溫度、壓力、轉速等關鍵參數實時反饋；大數據分析技術對采集到的海量數據進行深入挖掘，為設備管理提供決策支持，如預測設備故障趨勢；云計算技術保障系統的穩定運行和數據存儲；數字孿生技術則構建設備的虛擬模型，實現對設備運行狀態的模擬和預測。

該系統優勢顯著，具備完善的權限管理功能，實現企業多級化管理模式，確保不同層級人員操作權限合理分配；還可支持打通 ERP、OA、BPM 以及財務系統等，打破數據孤島，避免手工重復導入導出，極大提升工作效率；實現設備全生命周期的閉環式管理，引入二維碼和 RFID 碼技術，支持 APP 或者 RFID 終端掃碼盤點，提升設備日常管理、盤點和巡檢效率 ；通過對日常設備運行、點檢、故障等信息的記錄、統計、篩選，為企業建立合理的維修、維護策略提供依據。

（二）具體案例展示

以某汽車制造企業與中設智控合作項目為例。該汽車制造企業生產線設備眾多且復雜，設備故障曾頻繁導致生產中斷，嚴重影響生產效率和企業效益。

引入中設智控設備管理系統并應用數字孿生技術后，情況得到極大改善。在設備運行階段，數字孿生模型實時反映設備的運行狀態，通過傳感器收集設備的振動、溫度、壓力等數據，并同步到數字孿生模型中。基于這些實時數據以及大數據分析和人工智能算法，系統對設備故障進行精準預測。在一次預測中，系統提前發現一臺關鍵沖壓設備的模具可能出現嚴重磨損，若繼續運行將導致設備故障和產品質量問題。維修人員根據預警信息，及時對模具進行檢查和更換，避免了設備故障的發生。據統計，通過數字孿生技術的故障預測功能，該企業設備故障停機時間減少了 40%，避免了因設備故障導致的生產損失達數百萬元。

在設備維護方面，數字孿生技術也發揮了重要作用。通過對設備運行數據的分析，系統為每臺設備制定個性化的維護計劃，改變了以往定期維護的粗放模式。例如，對于一些運行狀況良好的設備，適當延長維護周期，避免過度維護；對于運行負荷較大、易出現故障的設備，則縮短維護周期，加強維護力度。這使得設備維護成本降低了 30%，同時設備的使用壽命延長了 20% 。

此外，在設備的設計和升級改造階段，數字孿生模型也為工程師提供了有力支持。通過對設備運行數據的分析和模擬，工程師可以在虛擬環境中對設備進行優化設計，提前驗證設計方案的可行性，減少實際改造過程中的風險和成本。

數字孿生面臨的挑戰與未來展望

（一）面臨的挑戰

盡管數字孿生在工業 4.0 設備管理中展現出巨大潛力，但在實際應用過程中，也面臨著諸多挑戰。

技術層面，構建精確且實時更新的數字孿生模型難度較大。要實現對物理設備全方位、高精度的模擬，需要綜合運用物聯網、大數據、人工智能、建模與仿真等多種技術 。然而，不同技術之間的融合與協同存在困難，例如物聯網設備采集的數據格式多樣、標準不一，給數據的有效整合與分析帶來阻礙；建模與仿真技術在處理復雜設備系統時，計算資源消耗大，難以滿足實時性要求。而且，數字孿生模型的準確性依賴于大量的實驗和驗證，這不僅增加了開發成本，還延長了開發周期。

數據方面，數據質量和安全問題不容忽視。數據是數字孿生的基礎，數據的準確性、完整性和一致性直接影響數字孿生模型的可靠性。但在實際生產環境中，由于傳感器故障、數據傳輸中斷等原因，數據可能存在缺失、錯誤或不一致的情況。同時，數字孿生涉及大量設備運行數據、企業生產數據等敏感信息，數據的存儲、傳輸和使用過程中存在安全風險，一旦數據泄露，可能給企業帶來巨大損失。此外，不同企業和系統之間的數據格式和標準不同，導致數據共享和集成困難，形成數據孤島。

安全領域，數字孿生系統面臨著網絡攻擊和系統漏洞的威脅。隨著數字孿生技術與工業控制系統的深度融合，工業網絡的攻擊面擴大。黑客可能通過攻擊數字孿生系統，獲取關鍵生產數據，干擾設備正常運行，甚至引發生產事故。而且，數字孿生系統中使用的一些物聯網設備和軟件可能存在安全漏洞，容易被攻擊者利用。例如，2022 年上半年，ICS-CERT 發布的與運營技術和物聯網相關的常見漏洞和暴露有 560 個，其中 109 個直接影響關鍵制造業 ，這些漏洞如果存在于數字孿生系統中，后果不堪設想。

此外，數字孿生技術的應用還面臨成本較高、人才短缺以及缺乏統一技術標準等問題。搭建數字孿生系統需要投入大量資金用于硬件設備采購、軟件開發、系統集成和后期維護；同時，數字孿生技術涉及多學科知識，需要既懂工業領域又熟悉信息技術的復合型人才，而目前這類人才相對匱乏；由于缺乏統一的技術標準和協議，不同企業和供應商的數字孿生系統之間難以實現互聯互通和互操作。

（二）未來展望

盡管面臨挑戰，但數字孿生在工業 4.0 設備管理中的未來發展前景依然十分廣闊。

隨著技術的不斷進步，數字孿生將在更多行業和領域得到廣泛應用。除了制造業，能源、交通、醫療、建筑等行業也將逐漸引入數字孿生技術，實現設備和系統的智能化管理。例如，在能源行業，數字孿生技術可用于電力設備的運行監測和故障預測，提高能源供應的穩定性；在交通領域，可構建智能交通系統的數字孿生模型，優化交通流量，減少擁堵。

數字孿生與人工智能、機器學習、大數據分析等技術的融合將更加深入，實現更高級別的智能化。通過機器學習算法，數字孿生模型能夠不斷學習和優化，提高對設備故障的預測準確性和對生產過程的優化能力；利用人工智能技術，數字孿生系統可以實現自主決策和智能控制，進一步提高生產效率和質量。

隨著 5G 技術的普及和物聯網的發展，數字孿生的實時性和響應速度將大幅提升。5G 的高速率、低延遲和大連接特性，使得設備數據能夠更快速、穩定地傳輸，實現數字孿生模型與物理設備的實時同步，為實時監控和遠程控制提供有力支持。

在未來，數字孿生技術的標準和規范將逐步完善，促進不同系統之間的互操作性和兼容性。這將降低企業應用數字孿生技術的門檻，加速數字孿生技術的推廣和應用，推動工業 4.0 的深入發展。

面對數字孿生帶來的變革與挑戰，企業應積極擁抱新技術，加大在數字孿生技術方面的投入和研發，培養和引進相關人才，逐步構建適合自身發展的數字孿生設備管理體系，在工業 4.0 時代的激烈競爭中搶占先機，實現可持續發展。

結語

數字孿生技術作為工業 4.0 時代設備全生命周期管理的關鍵變革力量，為企業解決傳統設備管理痛點提供了有效途徑。它貫穿設備從設計到報廢的每一個環節，實現了設備管理的智能化、精準化和可視化，大大提高了生產效率，降低了成本，增強了企業的競爭力。盡管目前數字孿生技術在應用中還面臨著技術、數據、安全等多方面的挑戰，但隨著技術的不斷發展和完善，其在工業領域的應用前景不可限量。

對于工業企業而言，積極擁抱數字孿生技術，將其融入到設備全生命周期管理體系中，是順應工業 4.0 發展趨勢、實現智能制造轉型升級的必然選擇。只有緊跟時代步伐，不斷創新和探索，才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地，開創工業發展的新篇章。