随着基础自动化建设、信息化建设的发展，中国钢铁行业从弱到强，建立了比较完整的工业体系，实现了规模化、批量化生产。目前，中国钢铁行业已经进入了技术发展的深水区。面对传统制造业转型发展、柔性制造和智能制造的需求，数字“双胞胎”技术可以解决当前钢铁行业数字化痛点，促进行业增强竞争力，加快实现工业4.0。

    单体高端装备

    基于硬件在回路（HIL）技术，国内某大型钢铁设计院搭建了完整的中厚板轧机数字模型，采用数字“双胞胎”模式，利用与现场相同的PLC（可编程逻辑控制器）控制器和软件程序，不断进行24小时模拟轧钢。在连续模拟轧钢过程中，一方面不断优化轧钢参数，完善控制程序和轧钢流程；另一方面可以将生产现场的实际数据导入数字轧机模型，重现现场设备的历史工作状态，协助处理工业现场的技术疑难杂症。同时，借助物联网和以太网VPN（虚拟专用网络）技术，还可以将现场设备的实时状态传入数字轧机模型，实现工业现场设备与数字模型同步轧钢，指导现场操作人员实际生产。

    针对某钢厂中厚板生产线的核心设备“中厚板精轧机”，国内某大型钢铁设计院对该设备实现了完全的数字化建模，利用该模型可以指导设备安装、调试甚至生产过程，确保设备上每一个螺丝钉的尺寸都是精确的，相关机械人员可以据此进行设备检修，维护人员亦可据此进行巡检。借助三维设备模拟软件，中厚板轧机数字模型可将一系列连贯的轧机设备动作展示得活灵活现。不断变化的数据流淌在PLC控制器和数字模型之间，形成了数字仿真的“血液”；而驱动轧机运转的动力源与其背后深奥的数学仿真模型，构成了整个仿真系统的“心脏”。三维设备模拟软件技术的发展，让中厚板轧机数字模型摆脱了枯燥死板的图纸，变身成可以自由拆分、组装的三维设备图。正因为有了三维数字模型的“设备零件爆炸图”，数字模型能够提供更多设备视角，实现虚拟组装、模拟运转，可以更加快捷地完成设备操作培训、指导设备维护等工作。

    在中厚板轧机数字模型基础上，闭环仿真生产采用的PLC控制器与工业现场PLC控制器完全一致，内部运行的自动化程序也完全一致，借助Profibus（程序总线网络）完美重现了现场设备条件和运行环境条件。借用“人工智能之父”图灵的试验，站在PLC控制器甚至更高层级的角度来看，任何人都无法区分被控对象究竟是实际现场轧机设备还是实验室轧机数字模型——这正是硬件在回路技术仿真的魅力所在。它不但代表了当前单体高端装备仿真的最高水平，更是数字化设备、数字化工厂、数字化钢铁的核心技术基础。试想，面对与现场一致的人机操作（HMI）画面，工人来现场操作中厚板轧机仿真系统——随着上游板坯信号的到来，三维模拟画面上出现了具体的物料：自动化系统控制数字轧机转速上升，高压除磷水在喷射，钢板逐渐被压薄、拉长……从画面或者数据上看不出任何差别，与现场实际操作完全一致，真正做到了单体设备级的人工智能。

    离散行业生产线

    欧美一些企业提出的数字“双胞胎”概念，是工业4.0和智能制造倡导的理念，具体是指把自动化、信息化和流程仿真相结合，建立一条完整的数字工厂生产线，利用数字工厂的模拟仿真结果来指导实际生产过程，从而形成一整套“仿真+生产”的闭环系统。

    如果说单体高端装备的仿真只是一个工业智能化发展的切入点，那么对整条生产线上的全部设备建立数字模型，用数据流驱动的方式打造一条全数字生产线，这就构成了数字“双胞胎”中的核心之一“虚拟工厂”。

    虚拟工厂这一概念很早就已出现，即采用数字模型公式、数据曲线、三维动画等方式进行展示，但这仅仅是实体工厂运行设备的一种数据展示扩展方式。所有数据信息都是从实际工厂设备到虚拟工厂的单向数据流，也就无法给实际生产过程加以指导或反馈。

    数字“双胞胎”是为实体工厂的每个独立生产环节都建立一套完整的数字仿真模型，每个独立模块背后都由核心数学模型、三维设备模型、数据流接口作为支撑，将多个数字模块有机联结在一起，打通不同模块之间的数据流信息。这样就可以建立一座完整的数字虚拟工厂。驱动实体工厂运作的电力、能源、气体等动力来源都将转换为充满活力的具体数据，从而驱动数字虚拟工厂在不同设备之间完成能量转换、设备动作等一系列物质流，采用数据同步和数据驱动的方式，实现实体工厂和虚拟工厂的完整性和一致性。通过虚拟工厂的模拟仿真、优化流程和生产、测试，数字“双胞胎”可以实现小批量、定制化产品的虚拟试生产，优化排产进度、任务流程等。

    除了能建立一套与实体工厂一致的虚拟工厂，数字“双胞胎”还建立了一套虚拟工厂到实体工厂之间的反馈通道，不但能用虚拟工厂的生产数据创造新的价值，还可以用虚拟工厂数据回过头来指导、调节、调配实体工厂的具体生产过程，通过每个数字模块的闭环反馈来优化实际工厂的每台设备状态、每个工艺段的参数，在反复调节过程中优化、整合实体工厂的生产过程，最终实现实际工厂整体技术水平的提升。

    数字“双胞胎”跨越了传统实体工厂与虚拟工厂之间的鸿沟，建立了数据驱动和同步的桥梁，从工厂生产线的测试、开发、工艺到维护等，实现了产品的数字化，包括产品全生命周期的生产管理、高效的柔性生产、定制化生产和智能生产。

    单一能量网

    作为数据流、能量流、物质流中的重要一环，电力能源一直以来都是现代工厂不可或缺的重要一环，直接影响生产线的正常运转，同时参与到实体工厂的各个相关生产环节，扮演着不同的角色。在数字化钢铁工业中，能量流之间互相转化、非常复杂，每个钢厂都不一样，在这里暂不进行具体讨论。从单一能量流的角度出发，我们倒可以借鉴国家电网的运营经验，换一个角度来看看“闭环仿真生产”。

    国家电网仿真中心建立了国际上最大的电磁暂态仿真平台，可以开展大规模数模混合仿真和数字仿真，综合试验能力达到国际同类实验室的领先水平，可以满足中国超高压、特高压电网仿真试验需求。作为国内最大的电网仿真计算平台，该中心还建立了“国家电网仿真中心超级计算系统”。其采用先进的CPU液冷技术和100G超高速网络互联技术，共24000个CPU核，理论峰值计算能力超过每秒900万亿次，具备了海量电网仿真作业的并行计算和分析能力，集成了协同仿真和混合计算扫描两大计算平台，包括机电暂态仿真、电磁暂态仿真、机电暂态—电磁暂态混合仿真、分布式计算等多种功能，可以实现全国交直流大电网的快速批量仿真。依托此套超算系统，电网仿真计算效率相较于传统离线仿真工具提升3000倍以上。传统离线仿真过程中几天才能完成的计算工作，在电网仿真平台上数分钟内即可给出准确可靠的仿真结果。

    与此同时，国家电网建立了全国所有发电厂的系统数据，建立了全国级的“数字模拟电网”，利用强大的超算实验中心和数据存储平台，配合多尺度、跨维度仿真软件，可以快速模拟全国电网生产过程，并根据全国用电分布情况，集中调度和指导发电厂生产过程。国家电网正是发挥了超级计算机中心的优势，在全国电网范围内进行瞬态仿真和长时仿真的混合仿真技术，从而将数字模拟工厂的信息反馈并应用到实体工厂中。例如，西北某地电网出现一个故障点，触发了全国电网全网故障评估功能启动；而利用北京的超算系统即可快速完成瞬态仿真，以评估该故障点对其他地区电网的影响范围和影响程度，给出应对措施、办法和步骤，同时触发全国电网长时仿真，以评估未来24小时甚至更长时间的影响程度。如果把“数字虚拟电网”比作天气预报的话，那么可以快速估计近期电网状态的瞬时仿真技术就像2小时内的短期天气预报；而可以估计远期电网状态的长时仿真技术则是未来7天的天气预报。

    此外，数字虚拟工厂的仿真功能，可以很好指导和改进实际工厂生产线——当仿真功能或者虚拟工厂的生产节奏远远快于实体工厂的生产节奏时，同样的生产数据同时发送给实际工厂和虚拟工厂，后者已经完成了最后的产品，而前者还处于准备开启生产线的阶段。如果在数字虚拟工厂的质检环节中发现产品不合格，还可以暂停实体工厂的生产计划，重新规划、制订产品生产配方，直到虚拟产品完全合格，再转到实体工厂进行实际生产。由此来看，数字虚拟工厂可以有效降低产品的次品率，极大改善实际工厂的生产性能。

    数字“双胞胎”技术，从单体高端装备、离散生产线到能源网，给数字化钢铁描绘了一幅美好的蓝图，也为工业4.0指明了发展道路，必将成为数字化钢铁发展的下一个风口。