在生产过程中，生产车间设备运行的稳定性对生产过程起着至关重要的作用，因此加强设备故障预警就显得至关重要。故障预警已由最初的基于经验预警转向了基于数字孪生的预警，大大提升了设备预警精度和使用率。
生产车间数字孪生设备预警系统，通过构建了可描述物体真实物理行为的高仿真数字孪生车间， 实现了实体车间生产状态的实时映射;并利用标准作业指导书和车间平面图建立了“标准车间”，通过数字孪生映射车间与标准车间的实时对比发现异常值,立即发出故障预警，可有效避免过度维修，提高了设备故障预警精确度。
1. 生产车间数字孪生设备预警系统总体架构
生产车间数字孪生设备预警系统架构主要包括物理层、传输层、感知层、模型层、服务层、应用层。
1.1 物理层
物理层是整个数字孪生系统的基础，主要包括车间加工设备、操作人员、AGV自动引导运输车、悬臂吊等部件,映射车间运行所需的基础数据均来自这些设备的运行数据。
1.2 传输层和感知层
传输层和感知层主要负责整个数字孪生系统的数据传输与处理。在车间生产过程中，通过传感器、摄像头、单片机等设备对实体车间的行为信息、设备信息、物料信息、环境信息等数据进行采集和处理，实现数据的实时传输。
1.3 模型层
模型层主要负责异常的发现。在生产过程中，通过映射车间与标准车间的对比参照，发现异常。映射车间主要是通过实体车间与虚拟车间的双向真实映射与实时交互,实现实体车间的实时监控；标准车间是根据标准生产过程，实现生产过程标准运行而创建的独立仿真车间。
1.4 服务层
服务层主要负责对车间的生产过程、人员及设备进行管理。
1.5 应用层
应用层主要负责异常情况的诊断分析。利用映射车间对实体车间进行数字孪生监控，并与标准车间实时对比，在发现问题后立即将故障预警反馈给实体车间，实现实体车间设备的精确故障预警。
2. 生产车间数字孪生设备预警系统构建流程
2.1 标准车间的建立
标准车间的建立。标准车间的建立主要包括几何模型和行为模型两大部分。几何模型为静态的车间三维模型，行为模型分为工人行为模型和设备行为模型。通过行为逻辑触发三维模型的虚拟车间，构建出可视化的标准车间模型。
标准车间的几何模型建模主要是对实体车间内设备和工作场景进行建模。在构建几何模型过程中，使用三维建模软件根据车间平面图的距离约束、位置约束、形状约束等进行三维建模，并将模型导入具有物理属性的游戏引擎中，按其实际属性设置模型属性。
标准车间的行为模型建模主要是依据标准生产过程设置工人和设备的运动逻辑关系，主要分为位置变换和状态变换两种类型。位置变换包括旋转、位移的变换，依据标准生产过程实现设备位移的距离、时间和旋转角度等设置。状态变换包括设备抓取、启动、停止和工人预定动作的设置,通过设置布尔值判断状态实现。标准车间的行为模型可保证标准车间的生产过程完全按照标准生产过程仿真运行。
在标准车间中，由于事件和事件之间没有联动关系，标准车间的行为逻辑运动脚本必须依据标准作业指导书来编写，通过事件的连续触发来实现标准车间的仿真运行。
2.2 映射车间的建立
映射车间通过实体车间、虚拟车间、数字孪生数据的连接与集成,实现虚实交互，以及车间流程数据及生产要素的集成与融合。映射车间的建立分为实体车间数据获取、数据处理、映射车间搭建三个过程。
为了准确描述实体车间的各类生产活动，对车间的“人、机、物、料”等全要素信息进行采集,并通过实时数据处理技术将其整合并统一数据结构后用于虚实映射。
在映射车间构建中以几何模型展现实体车间、行为事件表现实体车间的动态过程、逻辑模型表达实体车间的运行逻辑，通过模型的动态变化仿真实体车间真实的生产行为。
在实际生产过程中，车间数据量大,数据类型多样，数据模型需要不断丰富，因此数据模型与数字孪生模型需要一一对应，实体车间的变化要实时反映到映射车间中，以实现二者的实时交互。这些交互通常由事件来控制，事件是指在特定时间范围内，实体车间内发生的事件和实时状态的显著变化通过实时映射自动反映到映射车间。例如：当生产过程中AGV出现异常情况时，故障预警时车间监控设备预警系统会将设备异常信息传送至映射车间，通过映射车间中对应设备报警灯的闪烁和警示铃声进行预警，提醒使用者及时对设备进行检查或维修。
生产车间数字孪生设备故障预警系统通过映射车间与标准生产车间的对比参照，发现异常，并对异常情况进行超实时仿真分析，以判断该异常是否影响生产过程，可有效避免过度维修，提高设备故障预警精确度 。
