一文講解數(shù)字孿生車間的概念、運行機制及關(guān)鍵技術(shù)

「 1. 數(shù)字孿生車間概念模型 」

數(shù)字孿生車間（digital twin shop-floor， DTS）的概念模型如圖1所示，包括物理車間（physical shop-floor， PS）、虛擬車間（virtual shop-floor， VS）、車間服務(wù)系統(tǒng)（shop-floor service system， SSS）、車間孿生數(shù)據(jù)（shop-floor digital twin data， SDTD）、連接（connection， CN）。

圖1 DTS概念模型［1］

PS是車間客觀存在的生產(chǎn)設(shè)備、人員、產(chǎn)品、物料等實體的集合，主要負責(zé)接收SSS下達的生產(chǎn)任務(wù)，并嚴格按照VS仿真優(yōu)化后的預(yù)定義的生產(chǎn)指令，執(zhí)行生產(chǎn)活動并完成生產(chǎn)任務(wù)。PS的設(shè)備、人員、產(chǎn)品、物料等生產(chǎn)要素的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)可通過各類傳感器進行有效采集。

由于這些數(shù)據(jù)來自不同數(shù)據(jù)源，存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同、接口不同、語義各異等問題，因此，為了實現(xiàn)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入，需要一套標(biāo)準(zhǔn)的接口與協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置。［2］

VS是PS的忠實完全數(shù)字化鏡像，從幾何、物理、行為、規(guī)則多個層面對PS進行描述與刻畫，主要負責(zé)對PS的生產(chǎn)資源與生產(chǎn)活動進行仿真、評估及優(yōu)化，并對實際生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)測、預(yù)測與調(diào)控等。VS本質(zhì)上是由多個幾何、物理、行為及規(guī)則模型構(gòu)成的模型集合，能夠?qū)S進行全面地多維度描述與刻畫。

根據(jù)數(shù)字孿生3層結(jié)構(gòu)［3］，VS中包括人員、設(shè)備、工具等單個生產(chǎn)要素的單元級模型，由多個生產(chǎn)要素單元級模型構(gòu)成的系統(tǒng)級產(chǎn)線模型，以及包括多個系統(tǒng)級產(chǎn)線模型及模型間交互與耦合關(guān)系的復(fù)雜系統(tǒng)級車間模型。

SDTD是PS、VS、SSS相關(guān)數(shù)據(jù)、領(lǐng)域知識，以及通過數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生的衍生數(shù)據(jù)的集合，是PS、VS、SSS運行交互與迭代優(yōu)化的驅(qū)動。融合數(shù)據(jù)是SDTD的重要組成部分，是通過特定的規(guī)則將來自物理和信息空間的數(shù)據(jù)聚合在一起得到的。其中，物理空間的數(shù)據(jù)主要指PS相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是物理實體產(chǎn)生的真實數(shù)據(jù)；

信息空間的數(shù)據(jù)主要指VS相關(guān)數(shù)據(jù)和SSS相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不是從物理空間直接采集得到的，而是在物理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用信息空間模型仿真、算法推演、系統(tǒng)衍生等過程得到的，是對物理數(shù)據(jù)的補充。

SSS是數(shù)據(jù)驅(qū)動的各類服務(wù)功能的集合或總稱，它將DTS運行過程中所需數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果進行服務(wù)化封裝，形成支持DTS管控與優(yōu)化的功能性與業(yè)務(wù)性服務(wù)。SSS的運行過程包括子服務(wù)封裝、需求解析、服務(wù)組合及服務(wù)應(yīng)用。［1］

CN實現(xiàn)DTS各部分的互聯(lián)互通，它包括PS和SDTD的連接（CN_PD）、PS和VS的連接（CN_PV）、PS和SSS的連接（CN_PS）、VS和SDTD的連接（CN_VD）、VS和SSS的連接（CN_VS）、SSS和SDTD的連接（CN_SD）。

「 2. 數(shù)字孿生車間運行機制 」

下面從DTS的生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程控制3個方面闡述DTS的迭代優(yōu)化機制，如圖2所示。其中，基于PS與SSS的交互，可實現(xiàn)對生產(chǎn)要素管理的迭代優(yōu)化；基于SSS與VS的交互，可實現(xiàn)對生產(chǎn)計劃的迭代優(yōu)化；基于PS與VS的交互，可實現(xiàn)對生產(chǎn)過程控制的迭代優(yōu)化。

圖2 數(shù)字孿生車間運行機制［1］

圖2中階段①是對生產(chǎn)要素管理的迭代優(yōu)化過程，反映了DTS中PS與SSS的交互過程，其中SSS起主導(dǎo)作用。當(dāng)DTS接到一個輸入（如生產(chǎn)任務(wù)）時，SSS中的各類服務(wù)在SDTD中的生產(chǎn)要素管理數(shù)據(jù)及其他關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)對生產(chǎn)要素進行管理及配置，得到滿足任務(wù)需求及約束條件的初始資源配置方案。

SSS獲取PS的人員、設(shè)備、物料等生產(chǎn)要素的實時數(shù)據(jù)，對要素的狀態(tài)進行分析、評估及預(yù)測，并據(jù)此對初始資源配置方案進行修正與優(yōu)化，將方案以管控指令的形式下達至PS。PS在管控指令的作用下，將各生產(chǎn)要素調(diào)整到適合的狀態(tài)，并在此過程中不斷將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至SSS進行評估及預(yù)測，當(dāng)實時數(shù)據(jù)與方案有沖突時，SSS再次對方案進行修正，并下達相應(yīng)的管控指令。

如此反復(fù)迭代，直至對生產(chǎn)要素的管理最優(yōu)?；谝陨线^程，階段①最終得到初始的生產(chǎn)計劃/活動。階段①產(chǎn)生的數(shù)據(jù)全部存入SDTD，并與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)融合，作為后續(xù)階段的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與驅(qū)動。

圖2中階段②是對生產(chǎn)計劃的迭代優(yōu)化過程，反映了DTS中SSS與VS的交互過程，在該過程中，VS起主導(dǎo)作用。VS接收階段①生成的初始的生產(chǎn)計劃/活動，在SDTD中的生產(chǎn)計劃及仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)、生產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)以及其他關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，基于幾何、物理、行為及規(guī)則模型等對生產(chǎn)計劃進行仿真、分析及優(yōu)化。

VS將以上過程中產(chǎn)生的仿真分析結(jié)果反饋至SSS，SSS基于這些數(shù)據(jù)對生產(chǎn)計劃做出修正及優(yōu)化，并再次傳至VS。如此反復(fù)迭代，直至生產(chǎn)計劃最優(yōu)?；谝陨线^程，階段②得到優(yōu)化后的預(yù)定義的生產(chǎn)計劃，并基于該計劃生成生產(chǎn)過程運行指令。階段②中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)全部存入SDTD，與現(xiàn)有數(shù)據(jù)融合后作為后續(xù)階段的驅(qū)動。

圖2中階段③是對生產(chǎn)過程的實時迭代優(yōu)化過程，反映了DTS中PS與VS的交互過程，其中PS起主導(dǎo)作用。PS接收階段②的生產(chǎn)過程運行指令，按照指令組織生產(chǎn)。在實際生產(chǎn)過程中，PS將實時數(shù)據(jù)傳至VS，VS根據(jù)PS的實時狀態(tài)對自身進行狀態(tài)更新，并將PS的實際運行數(shù)據(jù)與預(yù)定義的生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)進行對比。

若二者數(shù)據(jù)不一致，VS對PS的擾動因素進行辨識，并通過模型校正與PS保持一致。VS基于實時仿真數(shù)據(jù)、實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)、歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)從全要素、全流程、全業(yè)務(wù)的角度對生產(chǎn)過程進行評估、優(yōu)化及預(yù)測等，并以實時調(diào)控指令的形式作用于PS，對生產(chǎn)過程進行優(yōu)化控制。

如此反復(fù)迭代，實現(xiàn)生產(chǎn)過程最優(yōu)。該階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存入SDTD，與現(xiàn)有數(shù)據(jù)融合后作為后續(xù)階段的驅(qū)動。

通過階段①②③的迭代優(yōu)化，SDTD被不斷更新與擴充，DTS也在不斷進化和完善。

「 3. 數(shù)字孿生車間的特點 」

DTS特點主要包括4個方面。

1）虛實映射

DTS虛實映射的特點主要體現(xiàn)在兩個方面。

（1）PS與VS是雙向真實映射的。首先，VS通過數(shù)據(jù)實時更新與模型校正，實現(xiàn)與PS不斷從不一致到一致的共同進化。其次，PS忠實地再現(xiàn)VS定義的生產(chǎn)過程，嚴格按照VS定義的生產(chǎn)過程以及仿真和優(yōu)化的結(jié)果進行生產(chǎn)，使得生產(chǎn)過程不斷得到優(yōu)化。

（2）PS與VS是實時交互的。在DTS運行過程中，PS的所有數(shù)據(jù)會被實時感知并傳送給VS。VS根據(jù)實時數(shù)據(jù)對PS的運行狀態(tài)進行仿真優(yōu)化分析，并對PS進行實時的調(diào)控。通過PS與VS的實時交互，二者能夠及時地掌握彼此的動態(tài)變化并實時地做出響應(yīng)，生產(chǎn)過程不斷地得到優(yōu)化。

2）數(shù)據(jù)驅(qū)動

SSS、PS和VS以SDTD為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)自身的運行以及兩兩之間的交互。

（1）對于SSS：首先，PS的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動SSS對生產(chǎn)要素配置進行優(yōu)化，并生成初始的生產(chǎn)計劃。隨后，初始的生產(chǎn)計劃交給VS進行仿真和驗證。在VS仿真數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，SSS反復(fù)地調(diào)整、優(yōu)化生產(chǎn)計劃直至最優(yōu)。

（2）對于PS：SSS生成最優(yōu)生產(chǎn)計劃后，將計劃以生產(chǎn)過程運行指令的形式下達至PS。PS的各要素在指令數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，將各自的參數(shù)調(diào)整到適合的狀態(tài)，并開始生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，VS實時地監(jiān)控PS的運行狀態(tài)，在VS反饋數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，PS優(yōu)化生產(chǎn)過程。

（3）對于VS：在產(chǎn)前階段，VS接收來自SSS的生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)，并在生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)的驅(qū)動下仿真并優(yōu)化整個生產(chǎn)過程，實現(xiàn)對資源的最優(yōu)利用。在生產(chǎn)過程中，在PS實時運行數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，VS不斷校正與更新，實現(xiàn)對模型的迭代優(yōu)化與進化。

3）全要素、全流程、全業(yè)務(wù)集成與融合

DTS的集成與融合可體現(xiàn)在以下3個方面。

（1）車間全要素的集成與融合：在DTS中，通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)等信息手段，PS的人員、設(shè)備、物料、環(huán)境等生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)被全面接入信息世界，實現(xiàn)了彼此間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。更重要的是，在全面的生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，VS與SSS的仿真、評估及分析功能能夠在考慮其他要素狀態(tài)的同時優(yōu)化各要素行為，從而支持要素間的聯(lián)動和優(yōu)化組合，保證生產(chǎn)的順利進行。

（2）車間全流程的集成與融合：在生產(chǎn)過程中，PS生產(chǎn)的所有環(huán)節(jié)與流程（如生產(chǎn)、裝配、清洗、檢驗）數(shù)據(jù)被實時監(jiān)控。在DTS環(huán)境下，通過關(guān)聯(lián)、組合、加權(quán)平均等操作，這些數(shù)據(jù)在一定準(zhǔn)則下被加以自動分析、評估、綜合，從而支持各環(huán)節(jié)間的交互、集成及協(xié)作。

（3）車間全業(yè)務(wù)的集成與融合：由于DTS中SSS、VS和PS之間通過數(shù)據(jù)交互形成了一個整體，因此，車間中的各種業(yè)務(wù)（如生產(chǎn)資源配置、生產(chǎn)計劃生成、生產(chǎn)過程控制等）彼此緊密關(guān)聯(lián)，通過SDTD實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島，從而在整體上提高DTS的效率。

4）迭代運行與優(yōu)化

在DTS中，PS、VS以及SSS兩兩之間不斷交互，迭代優(yōu)化。

（1）SSS與PS之間通過數(shù)據(jù)雙向驅(qū)動、迭代運行，使得生產(chǎn)要素管理最優(yōu)。SSS根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)產(chǎn)生資源配置方案，并根據(jù)PS生產(chǎn)要素的實時狀態(tài)對其進行優(yōu)化與調(diào)整。在此迭代過程中，生產(chǎn)要素得到最優(yōu)的管理及配置，并生成初始生產(chǎn)計劃。

（2）SSS和VS之間通過循環(huán)驗證、迭代優(yōu)化，達到生產(chǎn)計劃最優(yōu)。在生產(chǎn)執(zhí)行之前，SSS將生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)計劃交給VS進行仿真和優(yōu)化。然后，VS將仿真和優(yōu)化的結(jié)果反饋至SSS，SSS對生產(chǎn)計劃進行修正及優(yōu)化。此過程不斷迭代，直至生產(chǎn)計劃達到最優(yōu)。

（3）PS與VS之間通過虛實映射、實時交互，使得生產(chǎn)過程最優(yōu)。在生產(chǎn)過程中，VS實時地監(jiān)控PS的運行，根據(jù)PS的實時狀態(tài)生成優(yōu)化方案并反饋指導(dǎo)PS的生產(chǎn)。在此迭代優(yōu)化中，生產(chǎn)過程以最優(yōu)的方案進行直至生產(chǎn)結(jié)束。

DTS在以上3種迭代優(yōu)化中得到持續(xù)的優(yōu)化與完善。

「 4. 數(shù)字孿生車間關(guān)鍵技術(shù) 」

如圖3所示，DTS的關(guān)鍵技術(shù)依據(jù)其主要系統(tǒng)組成分為6大類。

（1）PS“人-機-物-環(huán)境”共融技術(shù)。主要包括：①多源異構(gòu)數(shù)據(jù)封裝技術(shù)；②多源異構(gòu)數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)；③異構(gòu)制造資源感知接入技術(shù)與裝置研制；④多源異構(gòu)傳感器協(xié)同測量及優(yōu)化布局技術(shù)；⑤多源異構(gòu)數(shù)據(jù)通訊與發(fā)布技術(shù)；⑥異構(gòu)制造資源分布式協(xié)同控制技術(shù)；⑦邊緣端部署與邊緣計算技術(shù)等。

（2）VS構(gòu)建、仿真運行及驗證技術(shù)。主要包括：①VS建模技術(shù)，如車間“要素－行為－規(guī)則”多維多尺度建模與仿真技術(shù)；②多維多尺度模型集成與融合技術(shù)；③VS運行機理及演化規(guī)律；④多維多尺度模型驗證技術(shù)；⑤模型運行與管理技術(shù)；⑥車間VR和AR應(yīng)用技術(shù)等。

（3）SDTD構(gòu)建與管理技術(shù)。主要包括：①多類型、多時間尺度、多粒度數(shù)據(jù)規(guī)劃與清洗技術(shù)；②數(shù)據(jù)級、特征級、決策級數(shù)據(jù)融合技術(shù)；③數(shù)據(jù)分布式存儲技術(shù)；④數(shù)據(jù)使用與維護技術(shù)；⑤數(shù)據(jù)測試技術(shù)；⑥車間大數(shù)據(jù)技術(shù)等。

圖3 數(shù)字孿生車間關(guān)鍵技術(shù)［1］

（4）SSS精準(zhǔn)服務(wù)產(chǎn)生與管理技術(shù)。主要包括：①服務(wù)封裝技術(shù)；②服務(wù)優(yōu)選技術(shù)；③供需匹配技術(shù)；④服務(wù)組合優(yōu)化技術(shù)；⑤服務(wù)QoS評估技術(shù)；⑥服務(wù)容錯技術(shù)；⑦服務(wù)維護技術(shù)等。

（5）基于CN的雙向交互與互聯(lián)互通技術(shù)。主要包括①異構(gòu)制造資源協(xié)議解析與數(shù)據(jù)交互技術(shù)；②多源異構(gòu)數(shù)據(jù)映射技術(shù)；③多源異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)；④連接兼容性、可靠性、敏感性測試技術(shù)；⑤系統(tǒng)集成測試技術(shù)等。

（6）DTS運行技術(shù)。主要包括：①生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)過程等迭代運行與優(yōu)化技術(shù)；③DTS運行標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議及技術(shù)規(guī)范等；④DTS設(shè)備PHM技術(shù)；⑤DTS設(shè)備動態(tài)調(diào)度技術(shù)；⑥D(zhuǎn)TS生產(chǎn)過程參數(shù)選擇決策技術(shù)；⑦DTS能耗管理與優(yōu)化技術(shù)等。

引自：《數(shù)字孿生及車間實踐》（作者：陶飛，戚慶林，張萌，程江峰）

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