聶文雪， 陳超， 楊梓豪， 張秋爽， 楊化林， 陳海周

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 山東青島 266061）

0 前言

在智能制造業(yè)的發(fā)展過程中， 如何解決車間的物理實(shí)體與虛擬實(shí)體交互共融成為智能車間的核心問題。 數(shù)字孿生作為現(xiàn)實(shí)事物的數(shù)字化映射［1－2］， 該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)有效的虛實(shí)融合。 因此， 數(shù)字孿生車間成為一種新型的車間運(yùn)行模式［3］， 數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合成為一種關(guān)鍵技術(shù)。

近年來， 我國(guó)在數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用方面取得了一些進(jìn)展。 一些高校和研究機(jī)構(gòu)致力于研究數(shù)字孿生車間， 并在不同領(lǐng)域進(jìn)行了一系列實(shí)踐。 在汽車制造領(lǐng)域， 研究者們利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車身焊接、 裝配等工藝的優(yōu)化與監(jiān)控。 在航空制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)被應(yīng)用于飛機(jī)的設(shè)計(jì)、 制造和維修過程， 以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 國(guó)外在數(shù)字孿生車間的研究和實(shí)踐方面也取得了顯著進(jìn)展。 在歐洲、 美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)領(lǐng)域， 數(shù)字孿生技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程的模擬、 優(yōu)化和控制。 波音公司使用數(shù)字孿生車間技術(shù)來模擬飛機(jī)裝配過程， 以提高生產(chǎn)效率和減少錯(cuò)誤。 德國(guó)的工業(yè)4.0 倡議中也強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)于智能制造的重要性， 并在推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面取得了顯著進(jìn)展。 本文作者基于數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合進(jìn)行研究， 并對(duì)未來車間中的虛實(shí)融合技術(shù)提出展望。

1 從數(shù)字孿生到數(shù)字孿生車間

1.1 數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生的起源可以追溯到1969 年， 美國(guó)NASA阿波羅計(jì)劃運(yùn)用數(shù)字孿生概念［4］。 后來， 學(xué)者們普遍認(rèn)為這一概念由美國(guó)密歇根大學(xué)Michael GRIEVES 教授提出， 當(dāng)時(shí)被稱作“鏡像的空間模型”。 在2006年， 又被定義為“信息鏡像模型”［5－7］。 2011 年后，隨著數(shù)字孿生體的首次引用， 數(shù)字孿生逐漸走進(jìn)公眾視野并被國(guó)內(nèi)外企業(yè)接受與推廣， 成為當(dāng)代科技發(fā)展的重要手段［8］。 隨著德國(guó)“工業(yè)4.0” 的提出， 智能化已成為當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的必然趨向。 在此背景下， 數(shù)字孿生作為物理世界的實(shí)時(shí)鏡像［9］， 成為助力智能化時(shí)代發(fā)展的重要抓手。

學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)定數(shù)字孿生是以數(shù)字化形式使得物理實(shí)體的構(gòu)造、 狀態(tài)、 特征、 功能映射到計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)體［10］， 進(jìn)而充分借助程序化邏輯控制器， 利用虛擬實(shí)體的數(shù)據(jù)信息預(yù)測(cè)和控制物理實(shí)體， 實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合， 從而進(jìn)行虛擬實(shí)體與物理實(shí)體兩者間的交互反饋， 使得各類工作得到有效的優(yōu)化分析［11］。 數(shù)字孿生概念模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生概念模型［12］Fig.1 Digital twin conceptual model［12］

從功能視角來看， 數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的交互共融。 首先， 數(shù)字孿生是物理實(shí)體的真實(shí)映射， 可以展現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)［13］； 其次， 該技術(shù)能夠模擬仿真復(fù)雜系統(tǒng)， 使得物理系統(tǒng)更加優(yōu)化［14］。 目前， 很多企業(yè)借助數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行模擬仿真、 預(yù)測(cè)分析、 質(zhì)量檢測(cè)、 設(shè)備維護(hù)等工作［15－16］。

1.2 數(shù)字孿生車間

基于數(shù)字孿生技術(shù)的功能特性， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能制造業(yè)， 數(shù)字孿生車間由此衍生。

傳統(tǒng)的智能車間利用各種現(xiàn)代化的技術(shù)代替勞動(dòng)力， 節(jié)約人力成本， 提高生產(chǎn)效率， 給人類的生產(chǎn)帶來便捷。 然而， 傳統(tǒng)的智能車間還存在盲區(qū)， 無法使車間外的管理人員及時(shí)獲取車間真實(shí)生產(chǎn)狀況， 例如設(shè)備運(yùn)行是否正常、 物料供應(yīng)是否充足、 完工情況是否理想、 排產(chǎn)計(jì)劃是否合理等。

在更新型的數(shù)字孿生車間中， 以上問題迎刃而解。 數(shù)字孿生車間在各種先進(jìn)技術(shù)的支持下， 通過物理車間和虛擬車間的雙向真實(shí)映射與多感知實(shí)時(shí)交互， 通過幾何數(shù)據(jù)、 行為數(shù)據(jù)、 特征數(shù)據(jù)、 指令數(shù)據(jù)的集成與融合［17］， 使得虛擬車間對(duì)物理車間的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行建模仿真、 預(yù)測(cè)評(píng)估、 分析優(yōu)化、 精準(zhǔn)管控等工作， 達(dá)到車間高效生產(chǎn)、 智能管控和服務(wù)優(yōu)化的目標(biāo)。 由于數(shù)字孿生車間的生產(chǎn)特點(diǎn)， 其關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用掀起智能制造業(yè)中的一番熱潮， 同時(shí)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界更多人的關(guān)注。

1.3 數(shù)字孿生車間的研究應(yīng)用

在學(xué)術(shù)研究層面， 數(shù)字孿生車間的體系架構(gòu)如圖2 所示， 它主要由車間實(shí)體、 虛擬模型、 服務(wù)系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)4 個(gè)重要部分組成； 數(shù)字孿生車間的運(yùn)行機(jī)制也重點(diǎn)從生產(chǎn)要素管理、 生產(chǎn)活動(dòng)規(guī)劃和生產(chǎn)過程管控3 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化； 為更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間的功能特性， 構(gòu)建虛擬模型、 獲取車間孿生數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)交互是研究整個(gè)數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的關(guān)鍵［18］。

圖2 數(shù)字孿生車間的體系架構(gòu)［19］Fig.2 Architecture of digital twin workshop［19］

在工業(yè)應(yīng)用層面， 數(shù)字孿生車間起初用來監(jiān)控和改進(jìn)車間生產(chǎn)線的生產(chǎn)［20］； 后來為了提前判斷工程師的決策運(yùn)用在物理車間是否可行， 數(shù)字孿生車間也用來做產(chǎn)品研發(fā)、 優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作， 大大減少了屢次試錯(cuò)的成本， 并且可以不斷調(diào)優(yōu)； 現(xiàn)在很多企業(yè)甚至借用數(shù)字孿生車間來檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)行設(shè)備維護(hù)等。

對(duì)于數(shù)字孿生車間的研究及應(yīng)用而言， 目前仍需要加倍克服的難題之一就是物理車間和虛擬車間的交互共融問題， 因此， 有需要對(duì)虛實(shí)融合技術(shù)做進(jìn)一步的提升， 使得數(shù)字孿生車間物理實(shí)體和虛擬實(shí)體交互共融與實(shí)時(shí)優(yōu)化的問題更加完善。

2 數(shù)字孿生車間的虛實(shí)研究對(duì)象

所謂虛實(shí)相生， “實(shí)” 是客觀世界中真實(shí)存在的事物， 也可化虛為實(shí)； “虛” 是主觀世界中抽象存在的虛境， 也可化實(shí)為虛。 在數(shù)字孿生車間的虛實(shí)對(duì)象中， 實(shí)是指物理車間， 虛是指虛擬車間。

2.1 物理車間

物理車間是生產(chǎn)系統(tǒng)中的主體， 主要包括機(jī)器人、 機(jī)床、 專用設(shè)備、 車間工人等物理實(shí)體［21］， 它是虛擬車間數(shù)據(jù)的提供者［22］， 重點(diǎn)負(fù)責(zé)日常的生產(chǎn)加工［3，23－25］。

陶飛等人［19］提出的物理車間， 不僅具有傳統(tǒng)車間的功能特性， 還能對(duì)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知與交互共融。 由于車間的生產(chǎn)要素不同， 數(shù)據(jù)來源較多， 在對(duì)物理車間的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行感知與獲取時(shí)， 車間數(shù)據(jù)具有很大的異構(gòu)性和多源性， 需要采用全要素感知設(shè)備和統(tǒng)一接口， 還需要規(guī)范的通信協(xié)議訪問異構(gòu)系統(tǒng)。 此后， 采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行分類、清洗、 存儲(chǔ)等處理［26］， 最終實(shí)現(xiàn)物理車間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與融合， 如圖3 所示。

圖3 物理車間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與融合Fig.3 Integration and fusion of multi－source heterogeneous data in the physical workshop

此外， 物理車間還實(shí)現(xiàn)了“人－機(jī)－環(huán)境” 的數(shù)據(jù)融合。 雖然物理車間存在眾多不同的生產(chǎn)要素， 但各生產(chǎn)要素之間建立了廣泛的聯(lián)系， 便于數(shù)據(jù)信息在人－機(jī)、 機(jī)－機(jī)之間互聯(lián)互通， 克服了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)和車間各類信息管理系統(tǒng)的通信難題， 也能夠在全局最優(yōu)化的前提下對(duì)自身活動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理和優(yōu)化。 與以人為主導(dǎo)元素的傳統(tǒng)車間相比［27］， 物理車間實(shí)現(xiàn)了人、 機(jī)與環(huán)境的和諧共生， 三者的深度融合達(dá)到了無縫銜接。

2.2 虛擬車間

虛擬車間是物理車間以數(shù)字化的形式映射到計(jì)算機(jī)中的虛擬實(shí)體， 其主要任務(wù)是對(duì)物理車間的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬、 仿真、 監(jiān)控、 評(píng)估、 優(yōu)化以及各種生產(chǎn)動(dòng)作的管控等［28］。

陸劍峰等［27］提出虛擬車間是物理車間的數(shù)字化模型， 可以直觀地展現(xiàn)物理車間的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)， 包括物理車間生產(chǎn)要素的實(shí)體模型、 車間生產(chǎn)行為的真實(shí)刻畫、 車間生產(chǎn)運(yùn)行的演化規(guī)律及規(guī)則等。 虛擬車間的三維模型是將物理車間的實(shí)體模型映射到計(jì)算機(jī)中所得［29］。 物理車間的生產(chǎn)要素不盡相同， 為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)映射［30］， 虛擬車間的數(shù)字化生產(chǎn)要素需要多領(lǐng)域、多尺度融合建模［22］。 在對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化后， 實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)被傳輸?shù)教摂M模型空間中， 并且數(shù)據(jù)不斷更新， 使得物理車間的生產(chǎn)行為活動(dòng)在計(jì)算機(jī)中得以重現(xiàn)［31］。 虛擬車間在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行一段時(shí)間， 計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)演化出特定的規(guī)律與準(zhǔn)則， 用于數(shù)據(jù)管理、 狀態(tài)評(píng)估、 生成計(jì)劃、 運(yùn)行指令和制造服務(wù)系統(tǒng)等。

虛擬車間不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端物理車間動(dòng)態(tài)生產(chǎn)的可視化， 還可對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真［32］。 仿真過程中可以提前發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)活動(dòng)存在的問題， 從而對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析并改善。 同時(shí)， 其反饋也可以通過通信接口存入數(shù)據(jù)庫(kù)［33］。 物理車間模型和虛擬車間模型之間會(huì)建立良好的聯(lián)系， 當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)沖突和擾動(dòng)時(shí)， 虛擬車間能夠及時(shí)檢測(cè)， 并將改進(jìn)方案同步反饋給實(shí)際生產(chǎn)線， 從而實(shí)現(xiàn)物理模型和虛擬模型之間的交互以及通信連接［34］。

3 數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)虛實(shí)對(duì)象的交互通信， 必然需要融合系統(tǒng)的支持與服務(wù)， 因此必然存在車間服務(wù)系統(tǒng)。 車間服務(wù)系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)產(chǎn)生， 借助車間孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)， 可為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的車間生產(chǎn)提供所需的各類服務(wù)。

3.1 車間孿生數(shù)據(jù)

車間孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生車間中各種數(shù)據(jù)的集合［35］， 搭建數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的同時(shí)也推動(dòng)了數(shù)字孿生車間的運(yùn)轉(zhuǎn)［33］。 車間孿生數(shù)據(jù)的主要組成部分為：物理車間數(shù)據(jù)、 虛擬車間數(shù)據(jù)、 車間服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

物理車間數(shù)據(jù)主要有生產(chǎn)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)、 操作工人能力數(shù)據(jù)、 物料資源有限數(shù)據(jù)、 生產(chǎn)行為狀態(tài)數(shù)據(jù)、 生產(chǎn)進(jìn)度反饋數(shù)據(jù)等［36］。 物理車間的數(shù)據(jù)資源通常借助物聯(lián)感知設(shè)備獲取， 通過統(tǒng)一的通信接口上傳到車間孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)。 虛擬車間數(shù)據(jù)主要有三維模型數(shù)據(jù)和仿真、 預(yù)測(cè)、 評(píng)估、 優(yōu)化等數(shù)據(jù)［36］。 虛擬車間數(shù)據(jù)一般通過傳感器收集、 傳輸或直接上傳到孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)。 通過以上兩類數(shù)據(jù)的整合、 統(tǒng)計(jì)、 分析、 歸并、 挖掘等操作［26］， 虛實(shí)車間融合數(shù)據(jù)以及各類智能數(shù)據(jù)由此衍生。 車間服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是由以上4 種數(shù)據(jù)整合得到的， 具體類型主要有產(chǎn)品用戶的訂單數(shù)據(jù)、 制造商的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、 生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管控?cái)?shù)據(jù)等。 車間服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)上傳到車間孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)。

車間孿生數(shù)據(jù)將各種數(shù)據(jù)深度融合， 為車間所需的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提供了支撐服務(wù)， 實(shí)現(xiàn)了物理車間、 虛擬車間、 車間服務(wù)系統(tǒng)間的兩兩交互［37－38］。

3.2 車間服務(wù)系統(tǒng)

車間服務(wù)系統(tǒng)以車間孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)為基礎(chǔ)， 其核心目標(biāo)是在相關(guān)數(shù)據(jù)集成與融合的基礎(chǔ)上開發(fā)智能管控車間系統(tǒng)的生產(chǎn)服務(wù)， 以及向產(chǎn)品用戶和制造商提供相關(guān)服務(wù)［39］。

基于數(shù)字孿生的智能管控車間系統(tǒng)的生產(chǎn)服務(wù)主要包括對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、 生產(chǎn)計(jì)劃、 生產(chǎn)行為的管控與優(yōu)化等。 首先， 要掌握生產(chǎn)設(shè)備的特性， 確保服務(wù)系統(tǒng)管控生產(chǎn)設(shè)備的可達(dá)性； 其次， 生產(chǎn)計(jì)劃的服務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息對(duì)車間生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)時(shí)調(diào)度［39］，計(jì)劃數(shù)據(jù)及相關(guān)的孿生數(shù)據(jù)、 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)均被傳輸?shù)接糜跀?shù)據(jù)一致性分析處理的模型和算法的孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)中， 處理后將數(shù)據(jù)輸送到虛擬車間進(jìn)行模擬仿真； 最后， 模擬準(zhǔn)確無誤后， 通過生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)傳達(dá)到物理車間進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)行為， 從而完成服務(wù)生產(chǎn)的目標(biāo)［40］。 若模擬結(jié)果不理想， 車間服務(wù)系統(tǒng)會(huì)重新對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行評(píng)估、 修正和優(yōu)化［41］。 車間服務(wù)系統(tǒng)中有一個(gè)高級(jí)調(diào)度模塊， 可根據(jù)產(chǎn)品用戶的訂單、 交貨期限、 生產(chǎn)周期、 生產(chǎn)資源的額度安排車間的生產(chǎn)日程， 并根據(jù)車間的實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整［36］。 制造商通過車間服務(wù)系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度可以方便、 準(zhǔn)確、 實(shí)時(shí)地掌握車間的生產(chǎn)狀況， 從而計(jì)劃向產(chǎn)品用戶接單。 圖4 展示了車間服務(wù)系統(tǒng)的工作過程。

圖4 車間服務(wù)系統(tǒng)的工作過程Fig.4 Working process of workshop service system

車間服務(wù)系統(tǒng)以一種新穎的方式將物理車間、 虛擬車間、 智能數(shù)據(jù)有效地融合起來， 組成一個(gè)新型的智能管控車間服務(wù)系統(tǒng)。

4 數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合技術(shù)

虛實(shí)融合是數(shù)字孿生車間中尤為重要的一項(xiàng)技術(shù)， 它將物理車間和虛擬車間連接起來， 是實(shí)現(xiàn)兩者間交互融合的有效途徑。 虛實(shí)融合技術(shù)主要包括以下3 個(gè)方面： 雙向真實(shí)映射、 多感知實(shí)時(shí)交互以及3R技術(shù)（VR 技術(shù)、 AR 技術(shù)、 MR 技術(shù)）。

4.1 雙向真實(shí)映射

數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合的實(shí)現(xiàn)需要虛實(shí)車間的雙向真實(shí)映射， 從而構(gòu)建高精度模型進(jìn)行仿真并反向管控物理車間。 從多維度、 多尺度建模是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的正確方 向［42－47］。 冷 柏 寒 等［2］從 幾 何、 物 理、 行 為、規(guī)則、 約束等關(guān)鍵維度對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)字孿生模型的創(chuàng)建。

幾何建模方面， 可以采用UG、 SolidWorks、 Pro/Engineer 等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)車間物理實(shí)體的幾何特征（外形、 公差、 尺寸） 進(jìn)行確切表達(dá)［48］。 其次， 也可以借助CAESES 軟件對(duì)車間物理實(shí)體進(jìn)行全參數(shù)化建模及優(yōu)化分析［49］。 在此基礎(chǔ)上， 可以對(duì)構(gòu)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的定義和自由度的檢查。

物理建模方面， 需要對(duì)車間實(shí)體的物理特征（材 質(zhì)、 密 度、 硬 度） 進(jìn) 行 精 確 描 述［50－52］。 利 用COMSOL Multiphysics 軟件的CAD 導(dǎo)入功能可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車間實(shí)體的物理參數(shù)控制， 也可在該軟件環(huán)境中任意選擇物理場(chǎng)進(jìn)行仿真， 并能對(duì)耦合現(xiàn)象做出分析與解釋。

行為建模方面， 西門子的Process Simulate 仿真軟件可以通過豐富的建模單元對(duì)車間物理實(shí)體的行為、 移動(dòng)路徑進(jìn)行編輯， 并可實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)線的全局動(dòng)態(tài)仿真［53］， 圖5 所示為機(jī)器人點(diǎn)焊引擎蓋仿真。根據(jù)最優(yōu)仿真結(jié)果擬定生產(chǎn)方案， 從而傳遞給物理車間進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［54］。

圖5 機(jī)器人點(diǎn)焊引擎蓋Fig.5 Robot spot welding engine hood

規(guī)則建模方面， 構(gòu)建物理車間模型需要遵循相關(guān)規(guī)則［55］。 例如： 車間的人、 機(jī)、 料要有機(jī)結(jié)合； 關(guān)聯(lián)工序要保持平衡及流暢、 要盡量布置“U” 形生產(chǎn)線［56］； 盡可能遵守經(jīng)濟(jì)性合理原則， 減少占地空間等。

約束建模方面， 約束是模型必須要滿足的條件［57］。 例如： 約束加工設(shè)備的運(yùn)作區(qū)間， 防止設(shè)備間的干涉［49］； 約束AGV 小車的行駛路徑， 避免車－車、 車－機(jī)、 車－人之間的觸碰［58］； 建立約束方程創(chuàng)造不同時(shí)段、 不同車間的工作條件。 模型的約束不僅可以在虛擬車間實(shí)現(xiàn)， 也可借助新一代技術(shù)管控物理車間。

多維度、 多尺度建模技術(shù)是減少模型誤差、 提高仿真精度、 確保應(yīng)用性能的基礎(chǔ)［59－61］， 是保證映射真實(shí)程度的關(guān)鍵， 是檢驗(yàn)真實(shí)性的標(biāo)桿。 張超等人［62］研究了數(shù)字孿生制造單元的多維度、 多尺度建模方法， 并與云協(xié)同配置方法相結(jié)合構(gòu)建了軟硬件集成的數(shù)字孿生車間， 實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)車間的雙向真實(shí)映射。 蔣澤等人［63］在船舶結(jié)構(gòu)虛實(shí)融合試驗(yàn)中提出了多維度、 多尺度建模的關(guān)鍵技術(shù)， 并說明該技術(shù)是構(gòu)建真實(shí)準(zhǔn)確的虛擬場(chǎng)景的關(guān)鍵。

4.2 多感知實(shí)時(shí)交互

在虛實(shí)車間交互共融的過程中， 傳感器的多感知與實(shí)時(shí)交互具有不可替代的作用。 車間傳感器的主要功能是監(jiān)測(cè)生產(chǎn)車間信息［64］， 如車間環(huán)境、 生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、 生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量［65］等， 并將感知到的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出， 達(dá)到傳輸、 儲(chǔ)存、 顯示和控制的要求。 目前車間傳感器的種類繁多， 其原理、 功能也不盡相同［66－68］。

目前， 視覺傳感器已在車間感知領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它借助圖像處理技術(shù)獲得所需信息， 通常用來幫助機(jī)器人識(shí)別相關(guān)目標(biāo)并執(zhí)行任務(wù)。 BAVELOS 等［69］的研究表明： 視覺傳感器可以幫助移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和定位。

此外， 力敏傳感器也時(shí)常用于車間設(shè)備的感知，它將感知的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 處理分析后得到結(jié)果， 用來檢測(cè)加工設(shè)備的受力情況和形變程度。DE MARIA等［70］利用力敏傳感器充當(dāng)觸覺傳感器， 用來估計(jì)與之接觸的剛性物體的幾何形狀。

另外， 嗅覺傳感器已在食品生產(chǎn)車間得到廣泛應(yīng)用， 它是通過捕捉氣體進(jìn)行感知分析得到結(jié)果［71］，主要用來檢測(cè)車間食品的質(zhì)量［72］。 SANAEIFAR 等［73］采用嗅覺傳感器對(duì)不同生產(chǎn)階段的葡萄酒進(jìn)行質(zhì)量控制， 并改進(jìn)了生產(chǎn)過程， 提高了生產(chǎn)質(zhì)量。

除了傳感器感知， 數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合還需要實(shí)時(shí)交互， 即物理車間的傳感器將感知到的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并即刻傳輸?shù)教摂M車間， 虛擬車間接收信號(hào)并在車間服務(wù)系統(tǒng)分析處理后將指令傳達(dá)到物理車間進(jìn)行管控。 隨著新一代信息技術(shù)的集成， 傳感器具有強(qiáng)大的通信接口功能。 首先， 通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化使得數(shù)據(jù)傳輸更加便捷， 既提高了準(zhǔn)確性也減少了延長(zhǎng)時(shí)間。 其次， 數(shù)據(jù)的通信功能能直接與計(jì)算機(jī)連接，減少了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間， 提高了數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。 再者，無線傳感的設(shè)計(jì)在沒有其他物質(zhì)做媒介的情況下， 節(jié)約了時(shí)間， 減少了成本， 使工作更便捷。 袁莉莉等［74］將傳感器及無線傳輸?shù)奶卣饔糜谄囍悄苘囬g，并與車間服務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)了多感知實(shí)時(shí)交互。

4.3 VR、 AR、 MR 技術(shù)

在數(shù)字孿生車間虛實(shí)融合的過程中， 3R 技術(shù)將虛擬場(chǎng)景以可視化形式呈現(xiàn)［75］， 并增強(qiáng)了真實(shí)性。3R 技術(shù)分別以沉浸式、 疊加式、 交互式的特性將用戶帶入虛擬場(chǎng)景中［76］， 感受現(xiàn)場(chǎng)般的真實(shí)， 甚至體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)中達(dá)不到的場(chǎng)景［77－78］。 3R 技術(shù)的組成如圖6所示。

圖6 3R 技術(shù)的組成Fig.6 Composition of 3R technology

VR （虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)） 是一種使用戶沉浸在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中的技術(shù)［79－82］。 在虛實(shí)車間交互融合的應(yīng)用中， VR 借助環(huán)境建模技術(shù)真實(shí)映射了物理車間［83］， 并伴有計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的多感知屬性， 如視覺、聽覺、 觸覺等一切人具有的感知［84－88］。 VR 技術(shù)允許用戶通過身體運(yùn)動(dòng)、 自然語(yǔ)言等方式與虛擬車間中的實(shí)體進(jìn)行交流互動(dòng)［89－90］， 用戶也可借助外界設(shè)備更好地實(shí)現(xiàn)與虛擬車間的交互功能［81，91－94］。 周志國(guó)、 曾祥軍［95］曾提出虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的3 個(gè)特征， 即VR 技術(shù)的沉浸感、 交互性、 構(gòu)想性。 近年來， LAWSON等［78］的研究表明： 在捷豹路虎的汽車生產(chǎn)制造車間里， VR 技術(shù)的使用可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中節(jié)約大量時(shí)間和成本。

AR （增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)） 就是一種將虛擬元素與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行疊加的技術(shù)［96－97］。 具體說來， AR 技術(shù)能夠利用三維建模技術(shù)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中增添虛擬元素［98］，兩者也可進(jìn)行融合與交互［99］， 但虛擬元素只會(huì)固定在某個(gè)位置， 無法被現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的物體所遮擋。 借助AR 技術(shù)的特性可解決虛實(shí)車間融合過程中的眾多問題。 NEE 等［100］提出在制造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)、 包裝、 運(yùn)輸?shù)裙ぷ髦校?使用AR 技術(shù)可以提前模擬車間、 改進(jìn)工作方案， 并減少返工機(jī)會(huì)。 RELJIC＇等［101］的研究發(fā)現(xiàn)； AR 技術(shù)在制造車間的裝配和維護(hù)中的應(yīng)用最為突出， 并能夠遠(yuǎn)程協(xié)助和培訓(xùn)［102－107］。

MR （混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)） 融合了VR 和AR［108］， 它能實(shí)現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的交互共融， 并借助載體設(shè)備在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景［109］， 從而產(chǎn)生新的環(huán)境。 MR 技術(shù)也可通過肢體動(dòng)作和自然語(yǔ)言獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和幫助， 無虛實(shí)界限的交流與互動(dòng)［110－112］。ESPíNDOLA 等［113］研究了如何利用MR 技術(shù)幫助車間設(shè)備維護(hù)的工作者。 目前， MR 技術(shù)還可以用于車間的多項(xiàng)工作， 如遠(yuǎn)程協(xié)助、 崗位培訓(xùn)、 維護(hù)手冊(cè)、 故障預(yù)測(cè)等。

5 相關(guān)技術(shù)的支撐

隨著科技水平的發(fā)展， 新一代高新技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、 云計(jì)算技術(shù)、 人工智能技術(shù)等） 也為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合提供了有力支撐［114］。

5.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)被稱之為物物相連、 萬(wàn)物互連的互聯(lián)網(wǎng)［27］。 它可借助多種裝置和技術(shù)， 包括信息傳感器、射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification， RFID） 技術(shù)、 GPS 技 術(shù)、 信 息 采 集 層 技 術(shù)、 二 維 碼 技 術(shù)等［74，115］， 進(jìn)行目標(biāo)事物的連續(xù)監(jiān)控、 物理環(huán)境的深度感知以及其他物體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和交互通信［116］。 該技術(shù)也可通過智能傳感技術(shù)以及和其他網(wǎng)絡(luò)的連接， 實(shí)現(xiàn)物與物、 人與人、 人與物的互聯(lián)互通［117］。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合提供有效途徑。 構(gòu)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的可視化虛擬車間， 利用傳感器從物理車間采集信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)教摂M車間， 可以實(shí)時(shí)感知車間環(huán)境、 觀察車間生產(chǎn)狀態(tài)、 監(jiān)測(cè)車間設(shè)備、 了解完工情況等［118－119］。 在物聯(lián)網(wǎng)支持的車間服務(wù)系統(tǒng)下， 可以合理安排車間的人員信息和生產(chǎn)任務(wù)， 使得企業(yè)實(shí)現(xiàn)透明化管理與生產(chǎn)。

5.2 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù)是一種通過網(wǎng)絡(luò)按需要提供大量計(jì)算資源的技術(shù)［120］。 該技術(shù)將偌大的數(shù)據(jù)運(yùn)算程序拆分成無數(shù)個(gè)子程序， 然后交給由多個(gè)服務(wù)器組成的龐大系統(tǒng)， 經(jīng)過資料查詢、 精準(zhǔn)計(jì)算、 分析處理后將結(jié)果返傳給用戶［121］。 云計(jì)算技術(shù)是多種計(jì)算機(jī)技術(shù)融合并演進(jìn)的結(jié)果［120］， 主要包括虛擬化技術(shù)、 云計(jì)算平臺(tái)管理技術(shù)、 分布計(jì)算技術(shù)、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)等， 這一技術(shù)的出現(xiàn)改變了信息行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和運(yùn)作模式。運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)來完成任務(wù)具有可擴(kuò)展性、 可靠性、靈活性、 按需部署、 虛擬化、 性價(jià)比高等特點(diǎn)［122］。

在數(shù)字孿生車間虛實(shí)融合的過程中， 需要在物理車間底層采集海量數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)、 計(jì)算、 分析、 處理等。 此外， 在虛擬車間進(jìn)行模擬、 仿真也會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)。 因此， 要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合， 需要強(qiáng)大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力的技術(shù)或工具。 而云計(jì)算技術(shù)恰好滿足了這一需求， 超大規(guī)模、 高擴(kuò)展性和可靠性的特點(diǎn)能夠支持海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和保障數(shù)據(jù)的安全， 分布式計(jì)算、 負(fù)載均衡和并行計(jì)算的混合使用能夠提高數(shù)據(jù)的計(jì)算效率。

5.3 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)是一種模仿人類運(yùn)用知識(shí)完成特定行為的技術(shù)。 該技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)， 并由多學(xué)科、 多專業(yè)交叉融合的產(chǎn)物［123］， 主要包括數(shù)理邏輯、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、 控制論、 生物學(xué)、 哲學(xué)等多學(xué)科。 人工智能技術(shù)的研究?jī)?nèi)容大致有機(jī)器學(xué)習(xí)、 邏輯程序設(shè)計(jì)、 自然語(yǔ)言處理等多方面［124－125］。 而機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)， 也是使得人工智能技術(shù)更加智能化的敲門磚［117］。 所以， 應(yīng)該抓住機(jī)器學(xué)習(xí)這一關(guān)鍵點(diǎn)， 充分運(yùn)用該技術(shù)助力數(shù)字孿生車間虛實(shí)融合的實(shí)現(xiàn)［126］。

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能技術(shù)運(yùn)用最為廣泛的方法［119］， 它可以利用以往數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化計(jì)算機(jī)算法。 數(shù)字孿生的虛擬車間可以為機(jī)器學(xué)習(xí)提供模擬數(shù)據(jù)和仿真經(jīng)驗(yàn)的需求［127］， 從而優(yōu)化計(jì)算機(jī)算法并提高智能化水平［121］。 也可將機(jī)器學(xué)習(xí)的成果應(yīng)用于虛實(shí)車間的融合過程中， 一方面使得生產(chǎn)方案一步到位， 不需要在虛擬車間反復(fù)優(yōu)化分析， 加快實(shí)施了物理車間的實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃； 另一方面節(jié)約了時(shí)間和生產(chǎn)的試錯(cuò)成本。

6 總結(jié)與展望

文中由數(shù)字孿生的概念引出數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合問題， 并進(jìn)行了綜述。 詳盡闡述了虛實(shí)研究對(duì)象所對(duì)應(yīng)的物理車間和虛擬車間的內(nèi)涵及功能特性， 虛實(shí)融合系統(tǒng)中以車間孿生數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)并開發(fā)智能管控的車間生產(chǎn)服務(wù)、 為產(chǎn)品用戶和制造商提供相關(guān)服務(wù)的車間服務(wù)系統(tǒng)， 以及虛實(shí)融合技術(shù)中雙向真實(shí)映射、 多感知實(shí)時(shí)交互、 3R 技術(shù)的三大關(guān)鍵部分， 及其他相關(guān)技術(shù)的支撐。 期望相關(guān)工作有助于數(shù)字孿生車間中虛實(shí)融合問題的研究與發(fā)展。

數(shù)字孿生車間作為智能制造業(yè)的前沿領(lǐng)域， 具有非凡的研究意義和廣闊的發(fā)展前景。 在現(xiàn)階段數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合中， 對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、 脫敏、轉(zhuǎn)換、 清洗、 融合等操作需要較長(zhǎng)的時(shí)間， 還需盡量保證嚴(yán)格意義上的實(shí)時(shí)性。 此外， 還要提高獲取物理車間各類數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性， 從而驅(qū)動(dòng)虛擬實(shí)體的精準(zhǔn)動(dòng)作。 再者， 充分發(fā)揮高精建模技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)車間精確交互與完美融合的關(guān)鍵。 隨著科技水平的提高， 數(shù)字孿生車間的虛實(shí)融合會(huì)日漸完善， 更加需要持續(xù)關(guān)注。