羅少康，滕文琪

數(shù)字孿生車(chē)間系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用

羅少康，滕文琪

（三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物理與信息融合的一種有效途徑，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃等先進(jìn)制造方式與戰(zhàn)略的重要手段之一，而車(chē)間又是生產(chǎn)制造活動(dòng)的主要載體。為此，在數(shù)字孿生的理論背景下，建立了數(shù)字孿生車(chē)間總體框架，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)建數(shù)字孿生車(chē)間的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：車(chē)間關(guān)鍵要素孿生模型建模方法、車(chē)間孿生數(shù)據(jù)的獲取與傳輸方法、車(chē)間虛實(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)映射模型。最后，通過(guò)對(duì)車(chē)間實(shí)際產(chǎn)線進(jìn)行的數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了所提方案的可行性與正確性，為數(shù)字孿生車(chē)間的建立提供了技術(shù)解決方案。

數(shù)字孿生；仿真；孿生模型；實(shí)時(shí)映射

隨著新一代信息技術(shù)（如云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等）的發(fā)展，工業(yè)4.0[1]、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[2]、先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃[3]以及中國(guó)制造2025[4]等制造模式與戰(zhàn)略先后被各國(guó)提出。然而，在實(shí)現(xiàn)智能制造的過(guò)程中，信息空間與物理空間的交互和共融是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題，為此提出了數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）的解決方法[5]。目前，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)[6-7]、設(shè)備運(yùn)維[8-9]、增材制造[10]、生產(chǎn)調(diào)度[11]中已經(jīng)運(yùn)用了數(shù)字孿生技術(shù)。

車(chē)間是制造活動(dòng)的主體，數(shù)字孿生技術(shù)為生產(chǎn)制造過(guò)程的智能高效運(yùn)行提供了一種可行的技術(shù)方案。陶飛等[12]提出了數(shù)字孿生車(chē)間的概念模式，為數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)提供了理論和方法參考。陳振等[13]提出了涵蓋物理裝配車(chē)間、虛擬裝配車(chē)間、車(chē)間孿生數(shù)據(jù)及裝配車(chē)間服務(wù)系統(tǒng)的飛機(jī)數(shù)字孿生裝配車(chē)間架構(gòu)。王鵬等[14]提出面向數(shù)字孿生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模與仿真方法，通過(guò)隨機(jī)有限集對(duì)CPS中的物理實(shí)體和傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模。柳林燕等[15]建立了車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字孿生系統(tǒng)體系架構(gòu)，并提出了基于OPC統(tǒng)一架構(gòu)的車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程物理實(shí)體數(shù)據(jù)獲取方法。

上述研究為數(shù)字孿生在生產(chǎn)制造活動(dòng)方面的應(yīng)用提供了一定的幫助，但缺少對(duì)仿真過(guò)程中仿真模型及仿真工具的研究，同時(shí)缺少在不改變車(chē)間已有物聯(lián)感知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)的采集與傳輸方面與孿生模型實(shí)時(shí)映射方面的解決方案。因此，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車(chē)間，提高生產(chǎn)可視化、智能化，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字孿生車(chē)間的構(gòu)建及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述，并通過(guò)實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 數(shù)字孿生車(chē)間系統(tǒng)體系架構(gòu)

1.1 體系架構(gòu)

生產(chǎn)車(chē)間是一個(gè)多設(shè)備、多技術(shù)的復(fù)雜組織體[16]，在現(xiàn)有理論研究基礎(chǔ)上，本文提出的數(shù)字孿生車(chē)間總體框架如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生車(chē)間總體框架

（1）物理實(shí)體層

物理實(shí)體層是制造車(chē)間的主體，主要包括人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)大類。人指制造產(chǎn)品的人員，包括操作工人、維修工人等；機(jī)指制造產(chǎn)品所用的設(shè)備、工裝等輔助生產(chǎn)用具；料指制造產(chǎn)品所使用的物料，包括半成品、原料等用料；法指制造產(chǎn)品所使用的方法，包括工藝指導(dǎo)書(shū)、標(biāo)準(zhǔn)工序指引、生產(chǎn)計(jì)劃表、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、各種操作規(guī)程等；環(huán)指產(chǎn)品制造過(guò)程中所處的環(huán)境，包括各種設(shè)備的布局，溫度、濕度、噪音等要求。

（2）孿生模型層

孿生模型層主要由仿真模型與孿生數(shù)據(jù)組合構(gòu)成，其中仿真模型是對(duì)車(chē)間物理實(shí)體關(guān)鍵物理特征的真實(shí)寫(xiě)照，孿生數(shù)據(jù)由車(chē)間物理實(shí)體產(chǎn)生，將仿真模型與孿生數(shù)據(jù)在邏輯規(guī)則下進(jìn)行結(jié)合與匹配，從而形成了孿生模型。

（3）服務(wù)層

服務(wù)層主要面向用戶，主要負(fù)責(zé)在孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下為車(chē)間服務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行提供相應(yīng)的支持與服務(wù)。

根據(jù)上述車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字孿生系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)層的功能，整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)獲取孿生數(shù)據(jù)、構(gòu)建孿生模型和車(chē)間物理實(shí)體實(shí)時(shí)映射。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）車(chē)間孿生模型建模

孿生模型的建立需要構(gòu)建不同領(lǐng)域?qū)嶓w的統(tǒng)一邏輯結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同類型的物理實(shí)體和功能，以及實(shí)體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)虛擬空間孿生模型。

（2）孿生數(shù)據(jù)采集與傳輸

車(chē)間存在眾多來(lái)自不同廠商的各類產(chǎn)品與設(shè)備，不同設(shè)備的接入方式、數(shù)據(jù)類型與格式均不相同。為保證孿生模型與物理實(shí)體的實(shí)時(shí)映射，須有安全且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集及傳輸方式。

（3）車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)映射

孿生模型對(duì)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)關(guān)鍵動(dòng)作、關(guān)鍵行為和狀態(tài)的映射是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用。

2 車(chē)間關(guān)鍵要素孿生模型建模與實(shí)現(xiàn)

2.1 車(chē)間關(guān)鍵要素建模

在生產(chǎn)制造過(guò)程中，參與制造活動(dòng)的關(guān)鍵要素分為人員、設(shè)備、物料、方法、環(huán)境，因此車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字孿生模型分別描述為：

＝{,,,,,}

式中：為人員；為人員編號(hào)；為人員名稱；為人員當(dāng)前所在位置；為人員的工種；為人員的技能；為人員的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

＝{,,,,,,,,,}

式中：為設(shè)備；為設(shè)備編號(hào)；為設(shè)備名稱；為設(shè)備型號(hào)；為設(shè)備類型；為設(shè)備尺寸信息；為設(shè)備啟停信號(hào)；為設(shè)備各子節(jié)點(diǎn)動(dòng)作數(shù)據(jù)；為設(shè)備實(shí)時(shí)加工性能參數(shù)；為設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)；為設(shè)備的負(fù)荷率。

＝{,,,,,,}

式中：為物料；為產(chǎn)品編號(hào)；為產(chǎn)品名稱；為產(chǎn)品型號(hào)；為產(chǎn)品當(dāng)前位置；為產(chǎn)品實(shí)時(shí)加工工序；為產(chǎn)品下一道加工工序；為產(chǎn)品質(zhì)量信息。

＝{,,,}

式中：為方法、工藝等；為方法編號(hào)；為方法名稱；為方法類型；為方法內(nèi)容信息。

＝{,,,,}

式中：為環(huán)境；為環(huán)境編號(hào)；為環(huán)境名稱；為環(huán)境的布局信息；為環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息；為實(shí)時(shí)時(shí)間。

2.2 車(chē)間關(guān)鍵要素孿生建模實(shí)現(xiàn)

本文通過(guò)對(duì)車(chē)間關(guān)鍵要素的分析，劃分了車(chē)間生產(chǎn)制造系統(tǒng)各實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域（人、機(jī)、料、法、環(huán)），確定了如圖2所示的生產(chǎn)要素建模子對(duì)象及其關(guān)鍵屬性，以及各子對(duì)象相互關(guān)聯(lián)所需的建模工具。

圖2 孿生模型建模子對(duì)象及工具

3 車(chē)間物理實(shí)體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取

工業(yè)制造現(xiàn)場(chǎng)存在著大量來(lái)自不同廠家及采用不同技術(shù)的產(chǎn)品與設(shè)備，其接口協(xié)議等各不相同。為了解決數(shù)字孿生車(chē)間中異構(gòu)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取與傳輸問(wèn)題，需要建立統(tǒng)一的通訊方式。對(duì)此，本文開(kāi)發(fā)了輕量化的具有Modbus、Profibus、Pofinet、工業(yè)以太網(wǎng)等通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)交互軟件，在該軟件的支持下，可在企業(yè)原有的物理感知系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)與對(duì)應(yīng)設(shè)備通訊接口的連接，便可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)進(jìn)行通訊、對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)等操作。如圖3所示。

4 車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)映射

虛擬空間對(duì)物理空間的映射是數(shù)字孿生車(chē)間運(yùn)行的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)映射后，在虛擬空間中對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況的分析與優(yōu)化將會(huì)更加智能化。本文建立的虛實(shí)交互映射模型如圖4所示。

圖3 孿生數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、傳輸與存儲(chǔ)

圖4 虛實(shí)交互映射模型

5 數(shù)字孿生車(chē)間系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本文以某機(jī)加車(chē)間為研究對(duì)象，其布局、工藝流程如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)線工藝流程

（1）孿生模型構(gòu)建

針對(duì)各個(gè)作業(yè)區(qū)設(shè)備及人員的屬性及需求建立孿生模型。如圖6所示。

（2）孿生數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及傳輸

采用數(shù)據(jù)交互軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)等數(shù)據(jù)源的讀取與傳輸。如圖7所示。

（3）實(shí)時(shí)映射構(gòu)建

通過(guò)建立的數(shù)據(jù)交互軟件對(duì)孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以驅(qū)動(dòng)孿生模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、人員、產(chǎn)品等孿生模型狀態(tài)與實(shí)際生產(chǎn)線的一致。

圖6 孿生模型

6 總結(jié)

數(shù)字孿生車(chē)間作為一種車(chē)間運(yùn)行新模式，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云制造、中國(guó)制造2025等先進(jìn)制造模式和戰(zhàn)略具有重要的推動(dòng)作用。本文為數(shù)字孿生車(chē)間的實(shí)現(xiàn)提供了方案，提出了數(shù)字孿生車(chē)間系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)，提出了孿生模型構(gòu)建方案，采用的數(shù)據(jù)交互軟件實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的獲取與傳輸，同時(shí)本文建立的虛實(shí)交互映射模型可以有效實(shí)現(xiàn)孿生模型對(duì)實(shí)體的映射。后續(xù)將展開(kāi)對(duì)數(shù)字孿生服務(wù)層的應(yīng)用研究，利用孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)智能決策等方面的研究工作。

圖7 孿生模型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化

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Construction and Application of Digital Twin Workshop System

LUO Shaokang，TENG Wenqi

( College of Mechanical and Power Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China )

Digital twin technology is an effective way to realize the integration of physics and information, and one of the important means to realize the advanced manufacturing methods and strategies such as Industry 4.0, Made in China 2025 Plan, Industrial Internet, and Advanced Manufacturing Partnership Program. Also, the workshop is the main carrier of manufacturing activity. Therefore, under the theoretical background of digital twins, the overall framework of digital twin workshops is established, and three key technologies for constructing digital twin workshops are realized: workshop key elements twin modeling method, workshop twin data acquisition and transmission method, workshop VR interaction real-time mapping model. Finally, through the realization of digital twins on the actual production line of the workshop, the feasibility and correctness of the scheme are verified, and a technical solution is provided for the establishment of the digital twin workshop.

digital twin；simulation；twin model；real-time mapping

TH186

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.03.009

1006－0316 (2021) 03－0053－06

2020－08－25

羅少康（1995－），男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字孿生，E-mail：1713130402@qq.com。