摘要：數(shù)字孿生可以如實(shí)地反映相應(yīng)的物理實(shí)體，模擬其物理對應(yīng)物的特征、行為、生活和性能，是實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的交互、融合，以及智能化的橋梁。為滿足生產(chǎn)現(xiàn)場管控要求，引入數(shù)字孿生技術(shù)，建立了基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)現(xiàn)場管控系統(tǒng)框架，并從物理實(shí)體的實(shí)時數(shù)據(jù)獲取、基于混合/虛擬現(xiàn)實(shí)的自由巡檢、數(shù)字孿生人機(jī)協(xié)同智能管控3個方面對數(shù)字孿生智能生產(chǎn)現(xiàn)場管控的數(shù)據(jù)獲取、可視化監(jiān)管以及協(xié)同響應(yīng)等關(guān)鍵功能進(jìn)行詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生生產(chǎn)現(xiàn)場管控混合現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)協(xié)同

中圖分類號：F406.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

IntelligentProductionSiteControlSystemBasedonDigitalTwin

WANGNingLIUNing*CAIPengFANGHaiwangHUANGJinming

WANGJingyao

ChinaTobaccoHubeiIndustrialCo.，Ltd.，HuanggangCity，HubeiProvince，438000China

Abstract：DigitalTwincanfaithfullyreflectthecorrespondingphysicalentitiesandsimulatethecharacteristics，behaviors，life，andperformanceoftheirphysicalcounterparts，andserveasabridgetoachieveinteraction，integration，andintelligencebetweenthephysicalandinformationworlds.Inordertomeettherequirementsofproductionsitecontrol，itestablishesaframeworkofintelligentproductionsitecontrolsystembasedonDigitalTwintechnology，andelaboratesthekeyfunctionsofthesystemfromthreedirections：real-timedataacquisitionofphysicalentities，freeinspectionbasedonMixedReality/VirtualReality，andDigitalTwinhuman-machinecooperationintelligentmanagementandcontrol.

KeyWords：DigitalTwin;Productionsitecontrol;MixedReality（MR）;VirtualReality（VR）;Human-machinecooperation

近年來，第四次工業(yè)革命（即信息技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的集成）正在改變工業(yè)，各國也提出了智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，如德國工業(yè)4.0[1]、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[2]以及中國制造2025[3]等。雖然各國智能制造戰(zhàn)略都是結(jié)合自身國情與背景各有不同，但是始終圍繞著解決實(shí)踐過程中的一個重要的瓶頸問題，即實(shí)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境和虛擬環(huán)境的交互、融合以及智能化。

生產(chǎn)現(xiàn)場的管控包含著對生產(chǎn)現(xiàn)場人員、器械等生產(chǎn)要素的管理與控制，決定了生產(chǎn)過程的效率與安全。盡管現(xiàn)在很多公司對產(chǎn)品生產(chǎn)線進(jìn)行了智能化、無人化和數(shù)字化的改造升級，實(shí)現(xiàn)了自動化產(chǎn)線監(jiān)控和健康管理[4]，然而應(yīng)用數(shù)字化車間[5]、生產(chǎn)線仿真[6]等技術(shù)方案的研究大多聚焦解決車間布局規(guī)劃和生產(chǎn)線優(yōu)化等問題，較少考慮生產(chǎn)現(xiàn)場的管控問題。現(xiàn)有的材料生產(chǎn)管控主要通過人手動觀察對車間環(huán)境內(nèi)的物品排列、人員行為和環(huán)境狀況進(jìn)行管理，但是這種管理方式存在工作時長高、生產(chǎn)效率低和難以統(tǒng)計分析等問題。給員工帶來額外的工作負(fù)擔(dān)和抵觸情緒。同時，隨著門店規(guī)模與范圍擴(kuò)大，生產(chǎn)量和巡視任務(wù)增加，會造成工件定置率、巡檢滿足率和響應(yīng)及時性無法達(dá)到承諾水平的問題。因此急需精細(xì)化、透明化、智能化的生產(chǎn)現(xiàn)場管控解決方案。

1數(shù)字孿生體系研究現(xiàn)狀

數(shù)字孿生的概念自2003年由GrievesM教授[7]提出以來，國內(nèi)外學(xué)者對于數(shù)字孿生應(yīng)用于生產(chǎn)車間的管控進(jìn)行了深入研究。FULLERA[8]等人、TAOF[9]等人探討了數(shù)字孿生概念，分析了數(shù)字孿生在工業(yè)中的應(yīng)用的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)。TAOF等人[10]、陶飛等人[11]、QIQ[12]等提出了數(shù)字孿生車間的概念模式，從數(shù)字孿生理論出發(fā)，設(shè)計了數(shù)字孿生車間架構(gòu)，分析了其運(yùn)行模式與關(guān)鍵技術(shù)，并將系統(tǒng)分成物理層、模型層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層這4個主要層次進(jìn)行了理論上的深入探索，提供了數(shù)字孿生的常用技術(shù)與工具。劉義等人[13]研究了基于數(shù)字孿生的智能車間管控設(shè)計了基于數(shù)字孿生智能車間的體系架構(gòu)，提出了實(shí)時匯數(shù)據(jù)、智能找問題、精準(zhǔn)做決策的生產(chǎn)管控設(shè)計理念，提高了管理與決策效率。

對于孿生數(shù)據(jù)的可視化方式，吳鵬興等人[14]提出了一種基于數(shù)字孿生的離散制造車間可視化實(shí)時監(jiān)控方法，并通過搭建基于數(shù)字孿生的離散制造車間達(dá)到可以實(shí)時可視化監(jiān)控的方法體系架構(gòu)，通過三維場景可視化車間狀態(tài)與分析數(shù)據(jù)。賴傳可等人[15]在船舶的數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)上采用了虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)并進(jìn)行了深入的研究，通過對船舶的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集從而驅(qū)動虛擬船舶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)后，該船舶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)測功能得到提升。

對于數(shù)字孿生的交互與協(xié)作，ROSEN等人[16]認(rèn)為數(shù)字孿生系統(tǒng)可根據(jù)物理空間的實(shí)時變化對實(shí)際的生產(chǎn)空間作出改變。VACHALEK等人[17]認(rèn)為數(shù)字孿生可以基于虛實(shí)空間的實(shí)時交互，更快地響應(yīng)制造生產(chǎn)過程中的各種變化。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者圍繞基于數(shù)字孿生理論，對于生產(chǎn)車間的構(gòu)建與管理等方面進(jìn)行了深入研究，取得了很多有意義的成果，但目前仍存在以下不足：（1）目前的研究大多圍繞著生產(chǎn)過程的管控，現(xiàn)在還沒有針對性的生產(chǎn)現(xiàn)場管控的數(shù)字孿生框架，也仍然缺乏具體的實(shí)施方案；（2）目前的數(shù)字孿生系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示往往是以數(shù)值分析為基礎(chǔ)的圖表分析，并主要通過電子看板顯示，可視化顯示不夠直觀，人機(jī)交互不自然，難以滿足對現(xiàn)場情況的多層次，多細(xì)節(jié)展示上的自由巡檢；（3）目前研究主要集中在物理現(xiàn)場到虛擬現(xiàn)場的映射，因此主要集中在“監(jiān)測”與“管理”，而缺乏對現(xiàn)場的“控制”的研究；（4）現(xiàn)有數(shù)字孿生系統(tǒng)的目標(biāo)聚焦在生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)場景的零部件管控上，而往往忽略了人的執(zhí)行能力。

本文針對以上研究中的問題，提出了一種數(shù)字孿生生產(chǎn)現(xiàn)場智能管理系統(tǒng)總體架構(gòu)和人機(jī)協(xié)同的智能管控的方法，構(gòu)建了基于MR/VR的多層次虛擬巡檢場景，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)成設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)采集，MR/VR自由虛擬巡檢，人機(jī)協(xié)同智能管控等要求。本文所開發(fā)的系統(tǒng)已進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，使生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備定置率由75%提升至95%，減少了管控實(shí)體對象的放置錯誤，提高了管理效率與智能水平。

2智能現(xiàn)場管理數(shù)字孿生體系架構(gòu)

本文提出的基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)現(xiàn)場管控系統(tǒng)如圖1所示，參考陶飛等人[10-11]的數(shù)字工廠的理論構(gòu)架，系統(tǒng)由四大層級構(gòu)成，分為物理世界層、孿生模型層、數(shù)據(jù)管理層，以及功能應(yīng)用層。

2.1物理世界層

物理世界層是生產(chǎn)現(xiàn)場的主體，是生產(chǎn)現(xiàn)場“人、機(jī)、物、環(huán)”上所需管理控制實(shí)體的總和，具體包括生產(chǎn)現(xiàn)場工作人員，機(jī)床與加工設(shè)備，各種生產(chǎn)材料、運(yùn)輸、清潔、安全相關(guān)物品、環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)等。除此之外，還有構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)感知設(shè)備如射頻識別讀寫器、超寬帶（UltraWideBand，UWB）定位器、工業(yè)監(jiān)控相機(jī)、可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）以及通信器。最后，還具有遠(yuǎn)程控制功能的設(shè)備，如自動導(dǎo)引運(yùn)輸車（AutomatedGuidedVehicle，AGV）等。這些實(shí)體有機(jī)結(jié)合，承擔(dān)了它們本身的功能、數(shù)據(jù)收集以及執(zhí)行的管理活動。

2.2孿生模型層

孿生模型層是物理世界層的虛擬映射，所有需要管控的實(shí)體在孿生模型層中都具有它的數(shù)字對應(yīng)，是現(xiàn)場實(shí)體幾何、位置等特征、狀態(tài)的真實(shí)寫照，整個孿生模型層中的數(shù)字模型相互關(guān)聯(lián)、協(xié)作，對物理世界層中進(jìn)行的各種行為（如人員移動、物料搬運(yùn)等）進(jìn)行實(shí)時的反映。而生產(chǎn)現(xiàn)場管控主要關(guān)注人員、設(shè)備、環(huán)境的實(shí)時狀態(tài)，因此系統(tǒng)著重這部分的數(shù)字孿生映射。

2.3數(shù)據(jù)管理層

數(shù)據(jù)管理層是生產(chǎn)工作中管控數(shù)據(jù)儲存、交互、傳輸?shù)闹行摹０Ｐ蛿?shù)據(jù)庫、視覺識別等算法數(shù)據(jù)庫、執(zhí)行規(guī)則庫等。數(shù)據(jù)管理層所管理的數(shù)據(jù)具有來源多、種類多樣、差異大、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，依靠數(shù)據(jù)管理層的分析處理，這些數(shù)據(jù)會被進(jìn)行篩選，留下可用數(shù)據(jù)作為管控生產(chǎn)現(xiàn)場的抉擇依據(jù)。數(shù)據(jù)管理層是物理世界層與孿生模型層的數(shù)據(jù)橋梁，是融合互聯(lián)、管理控制的關(guān)鍵。

2.4功能應(yīng)用層

功能應(yīng)用層是面向用戶所需的功能應(yīng)用的。通過VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶在孿生模型構(gòu)成的虛擬世界中的自由巡檢，通過虛實(shí)映射過程中的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的狀態(tài)分析，如設(shè)備、物體定置率，設(shè)備運(yùn)行、充電狀態(tài)，并支持管理人員根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)進(jìn)行決策控制，通知人員協(xié)同執(zhí)行設(shè)備完成決策的執(zhí)行。

綜上所述，基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)現(xiàn)場智能管控系統(tǒng)可以對人員、設(shè)備、環(huán)境實(shí)現(xiàn)虛擬化和互聯(lián)化的數(shù)字孿生集成，這種新的生產(chǎn)現(xiàn)場管控模式為車間的管理人員提供了高效的管控、巡檢、決策、交互，并將人員與設(shè)備聯(lián)合起來，快速針對決策進(jìn)行響應(yīng)。

3物理數(shù)據(jù)獲取

3.1多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

車間內(nèi)的傳感器設(shè)備種類和所接收到的數(shù)據(jù)類型存在大量差異，且接口傳輸協(xié)議也存在不同。針對此情況，該系統(tǒng)采用OPCUAServer作為生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)字孿生數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的核心。OPCUAServer支持跨平臺操作，提供統(tǒng)一的地址空間和服務(wù)，與數(shù)字孿生數(shù)據(jù)采集任務(wù)相契合[18-19]。設(shè)備、傳感器、工控機(jī)等則通過現(xiàn)場總線與PLC工控機(jī)連接。未連接PLC的設(shè)備，例如：智能通信器、AGV小車與RFID定位器等通過TCP/IP協(xié)議連接至工業(yè)以太網(wǎng)。

3.2實(shí)體數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)主要針對人員、設(shè)備、環(huán)境等實(shí)體管控目標(biāo)進(jìn)行采集。

3.2.1管控人員定位信息采集

對人員信息的采集本文主要選用UWB定位器傳感器來實(shí)現(xiàn)，其利用超寬帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)位置和距離測量。其原理基于發(fā)射非常短脈沖的電磁信號，并利用這些脈沖在空間中的傳播特性來確定目標(biāo)的位置。由于其優(yōu)越的定位性能，近年來被應(yīng)用于基于數(shù)字孿生的智能工廠中[20]。該方法主要由分布在生產(chǎn)現(xiàn)場的定位基站以及佩戴在人員身上的定位標(biāo)簽組成。

3.2.2管控實(shí)體定位信息采集

實(shí)體對象主要分為兩類：一是精確設(shè)備，需要實(shí)時精確確定其所在位置；二是定置位置設(shè)備，只需要確定是否在所在位置。對于精確設(shè)備而言，需要根據(jù)所需精度水平，采用RFID定位器（米級定位精度）或者UWB定位器（厘米級定位精度）。雖然RFID定位精度較差，但是由于其可以準(zhǔn)確的識別實(shí)體對象，且造價更加低廉，因此可以結(jié)合其他傳感器來對不需要準(zhǔn)確定位實(shí)時，而僅需知道是否歸位的對象進(jìn)行狀態(tài)信息收集。對于定置位置設(shè)備，選用RFID定位器與霍爾傳感器相結(jié)合的形式，其實(shí)現(xiàn)原理為首先通過RFID定位器確定設(shè)備，然后通過霍爾傳感器確定設(shè)備是否在其定置位置。

對于傳感器檢測不到的特殊實(shí)體，則選用機(jī)器視覺識別的方法來解決。其采集思路為：識別這些實(shí)體的特征后，通過三維重建或直接調(diào)用已有的CAD模型進(jìn)行特征采集，算法可以是Linemod[21]、Chamfer[22]、點(diǎn)云匹配[23]等，這些實(shí)體的CAD模型已經(jīng)事先儲存于數(shù)據(jù)管理層的數(shù)據(jù)庫中，在每個區(qū)域內(nèi)都調(diào)用相應(yīng)的特殊數(shù)據(jù)庫與算法庫來對其區(qū)域中的實(shí)體進(jìn)行定位識別數(shù)據(jù)的采集。

3.2.3環(huán)境信息采集

在生產(chǎn)車間的現(xiàn)場中，生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集是必不可少的，因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)量龐大的緣故，需要采用合適的方法優(yōu)化采集，為解決這一問題，本系統(tǒng)采用了基于監(jiān)控相機(jī)進(jìn)行環(huán)境信息感知的方法。該方法根據(jù)設(shè)備的所在的定置區(qū)域分布對生產(chǎn)場景進(jìn)行分割，實(shí)現(xiàn)分別采集。在該過程中監(jiān)控相機(jī)不僅起到識別和定位的作用，還收集到了設(shè)備實(shí)時圖像。每次設(shè)備進(jìn)出定置區(qū)域時，監(jiān)控相機(jī)都會記錄并保留相關(guān)信息，以便進(jìn)行設(shè)備使用時進(jìn)行查找。

總體來說，本文利用OPCUAServer建立了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)對現(xiàn)場關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取，包括人員定位信息、設(shè)備定位信息和環(huán)境信息。如表1所示，總結(jié)了不同類型實(shí)體對象的數(shù)據(jù)采集方法。

4基于混合/虛擬現(xiàn)實(shí)的自由巡檢

從生產(chǎn)現(xiàn)場的可視化監(jiān)控方式，經(jīng)歷了數(shù)據(jù)電子看板為主的二維數(shù)據(jù)圖表、圖形等的二維監(jiān)控，到基于數(shù)字孿生的三維可視化監(jiān)控的轉(zhuǎn)變[24]，然而這些三維數(shù)據(jù)的顯示方式仍然是以二維顯示器界面的形式展示，管理人員需要控制鼠標(biāo)與方向鍵在這些虛擬模型中進(jìn)行瀏覽，可視化效果不直觀，交互不自然。VR的應(yīng)用旨在模擬真實(shí)環(huán)境從而達(dá)到人機(jī)界面的作用，它提供了一種獨(dú)特的交互方式。虛擬現(xiàn)實(shí)并不是一個單一的技術(shù)其更多的是一組技術(shù)，目的是通過計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境，使用戶能夠沉浸其中并與之交互，以提供一種身臨其境的體驗(yàn)。VR為用戶提供了探索虛擬世界的機(jī)會，而且能夠體驗(yàn)到在真實(shí)世界中不可能或不容易實(shí)現(xiàn)的事物和場景[25]。相較于二維顯示器界面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所提供的沉浸感能夠使生產(chǎn)現(xiàn)場的管理者更專注于巡檢與管控任務(wù)。混合現(xiàn)實(shí)（MixedReality，MR）是一種融合了345552f245e65886e30a12c17fda0943虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，AR）技術(shù)的新型交互體驗(yàn)。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過在真實(shí)世界中疊加虛擬對象，使用戶可以在真實(shí)環(huán)境中與虛擬內(nèi)容進(jìn)行互動和交互。通過數(shù)字孿生技術(shù)，虛擬場景可以對物理場景進(jìn)行實(shí)時的映射，然而虛擬場景對物理場景的映射取決于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集的對象的選擇，因此無法全面地反映物理現(xiàn)場的所有狀態(tài)，因此管控人員有時還需要在物理生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行巡檢，此時MR技術(shù)就為管控人員提供了數(shù)據(jù)可視化以及交互手段來支持管控。

c3400087c248d8b095cfabf1a8280cd74.1基于VR的生產(chǎn)現(xiàn)場自由巡檢

VR應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場的關(guān)鍵問題是，如何建立一個實(shí)時反映真實(shí)場景的虛擬場景對應(yīng)，使得管理者可以自由地巡檢與交互。而數(shù)字孿生概念的出現(xiàn)正好切合了VR應(yīng)用的需求，因此本文選用VR作為虛擬巡檢時數(shù)字孿生模型設(shè)計的可視化方式。

巡檢管控人員可以通過佩戴VR頭戴式顯示設(shè)備進(jìn)入數(shù)字孿生虛擬場景中，并且可以通過預(yù)先寫好的控制面板與當(dāng)前的場景交互。在數(shù)字孿生的場景中預(yù)先設(shè)置轉(zhuǎn)移點(diǎn)，轉(zhuǎn)移點(diǎn)與設(shè)備管控定置區(qū)域相關(guān)，設(shè)置在區(qū)域附近方便管控，管控人員則可以在每個管控區(qū)域調(diào)用設(shè)備狀態(tài)面板進(jìn)行調(diào)整，觀察該區(qū)域設(shè)備閑置或工作狀態(tài)等信息，并實(shí)施管控操作，圖2（a）為管控人員于某制造煙絲數(shù)字孿生虛擬車間中進(jìn)行自由巡檢來查詢定置物體的實(shí)時情況；圖2（b）為巡檢人員在某叉車充電間的數(shù)字孿生車間中查詢叉車狀態(tài)的實(shí)時情況。

4.2基于MR的生產(chǎn)現(xiàn)場自由巡檢

MR技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場的關(guān)鍵問題是解決虛擬場景與真實(shí)虛實(shí)注冊。隨著MR技術(shù)的逐漸發(fā)展，輕量、功能強(qiáng)大的ARHMD設(shè)備已經(jīng)逐漸普及，這些設(shè)備普遍支持空間自定位功能，因此關(guān)鍵問題是如何設(shè)置虛擬場景與真實(shí)場景的融合基準(zhǔn)。本文選擇通過人工標(biāo)記作為虛擬融合基準(zhǔn)，這些人工標(biāo)記在真實(shí)場景與虛擬場景中被設(shè)置為同一空間位置，因此每當(dāng)使用ARHMD上的相機(jī)對這些標(biāo)記進(jìn)行掃描，ARHMD與標(biāo)記的相對位置確定，同時確定ARHMD相較于真實(shí)與虛擬場景的相對位置，這樣虛擬內(nèi)容即可與真實(shí)場景精確重疊。

管控工作人員執(zhí)行巡檢時，通過佩戴ARHMD沉浸在數(shù)字孿生虛實(shí)融合現(xiàn)場場景中，通過手勢實(shí)現(xiàn)與虛擬對象的交互。每到達(dá)一個管控區(qū)域，管控人員掃描區(qū)域所屬的人工標(biāo)記，完成虛實(shí)坐標(biāo)系的統(tǒng)一與矯正。管控人員可以直接觀察真實(shí)場景中，管控實(shí)物的狀態(tài)，并可以手勢交互調(diào)用區(qū)域設(shè)備狀態(tài)面板，觀察該區(qū)域?qū)崟r與歷史的管控實(shí)體定置率，各設(shè)備歸位或去向、設(shè)備閑置或工作狀態(tài)，并實(shí)施管控操作。

5數(shù)字孿生人機(jī)協(xié)同智能管控

所有數(shù)字孿生部件必須相互交互和協(xié)作，以解決復(fù)雜問題。數(shù)字孿生涉及3種交互協(xié)作：實(shí)對實(shí)、虛對虛和實(shí)對虛。（1）實(shí)對實(shí)交互，多個設(shè)備實(shí)體之間可以實(shí)現(xiàn)相互通信、協(xié)調(diào)的功能。（2）虛對虛交互，多個虛擬模型構(gòu)成一個信息共享的網(wǎng)絡(luò)。（3）實(shí)對虛交互，虛擬模型和實(shí)體之間可以相互控制調(diào)整，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互控并可以實(shí)時調(diào)整[9]。

實(shí)對虛交互所映射的是生產(chǎn)過程中管控中的“控制”能力，即“以虛控實(shí)”的能力?，F(xiàn)有的數(shù)字孿生系統(tǒng)只注重于實(shí)對虛的控制，往往忽略到虛控實(shí)的能力[14]或者僅能夠通過一些可控設(shè)備或機(jī)器人完成這種反饋控制。針對此問題本文提出一種基于人機(jī)協(xié)同的智能管控方法，如圖3所示。

虛擬現(xiàn)場管理人員通過VRHMD在虛擬現(xiàn)場進(jìn)行巡檢，或者通過佩戴ARHMD在真實(shí)現(xiàn)場進(jìn)行巡檢，根據(jù)數(shù)字孿生場景與數(shù)據(jù)分析面板決策管理方式，如果是人為控制，則管理人員可以自由地發(fā)出控制指令；而如果是智能決策，指令則自動生成既定目標(biāo)，如定置物體歸位指令等。管控指令生成后，系統(tǒng)對管控指令進(jìn)行分解，決定指令目標(biāo)、對象、類型、位置等，通過三大原則來執(zhí)行工作。（1）就近原則。采用與執(zhí)行目標(biāo)距離最近的可用執(zhí)行者；（2）空閑原則。讓空閑的執(zhí)行者接手工作；（3）效率優(yōu)先。在接到任務(wù)時，首先對執(zhí)行目標(biāo)進(jìn)行判斷，如果自動執(zhí)行器能夠獨(dú)立完成任務(wù)，則交給該執(zhí)行器，如果該執(zhí)行器不能獨(dú)立完成任務(wù)，則根據(jù)就近原則尋找最近執(zhí)行人員協(xié)助工作，并自動生成相應(yīng)的執(zhí)行策略。真實(shí)現(xiàn)場任務(wù)相關(guān)的各執(zhí)行端接收到執(zhí)行指令的開始執(zhí)行任務(wù)，按照指令順序，人機(jī)協(xié)同的按照方案步驟完成控制指令內(nèi)容。最后生產(chǎn)環(huán)境現(xiàn)場實(shí)時采集數(shù)據(jù)，并反饋到數(shù)字孿生虛擬場景中。

6實(shí)例驗(yàn)證

本文所述基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)現(xiàn)場智能管控系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行落地應(yīng)用驗(yàn)證。整個生產(chǎn)現(xiàn)場包括卷包車間卷包機(jī)組示范區(qū)域（有24類可移動物品115件可移動物）、制絲車間現(xiàn)場一區(qū)示范區(qū)域（有28類可移動物品102件可移動物體）內(nèi)可移動物品、清潔室物品（有10類可移動物體，24件可移動物）、叉車充電間（有1類可移動物體，即叉車15輛）。主要解決生產(chǎn)現(xiàn)場物品定置問題，如圖4所示為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行示意圖。

生產(chǎn)現(xiàn)場管理水平的一個重要標(biāo)準(zhǔn)是物品定置率，表示已定置的物品與應(yīng)定置物品數(shù)之比，它是衡量一個企業(yè)定置管理工作的定量指標(biāo)，定置率（D）一般是通過個數(shù)定置率（Dg）來進(jìn)行評價，假設(shè)已定置的物

品件數(shù)為Ng，應(yīng)定置的物品件數(shù)為Mg，其計算公式分別為：

定置率的計算及考核方法包括兩個步驟：首先，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場劃分的管控區(qū)域，分別計算各區(qū)域內(nèi)管控實(shí)物的個數(shù)定置率；其次，計算各區(qū)域個數(shù)定置率的平均值，并按如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核：均值達(dá)到80%，視為合格；均值達(dá)到85%，視為良好；均值達(dá)到90%，視為優(yōu)秀。

經(jīng)過為期3個月的落地示范測試，現(xiàn)場管理水平有了極大的提升，物品定置率從原來的75%提升至95%，達(dá)到了優(yōu)秀以上的水平，監(jiān)管人員減少了90%，為提高生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)效率與管理水平提供了良好的應(yīng)用前景。

7結(jié)論

數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的交互、融合以及智能化的關(guān)鍵橋梁。本文通過引入數(shù)字孿生技術(shù)改善生產(chǎn)現(xiàn)場管控情況，提出了基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)現(xiàn)場管控系統(tǒng)框架，并針對現(xiàn)在數(shù)字孿生應(yīng)用于數(shù)字工廠研究中的不足與生產(chǎn)現(xiàn)場管控特點(diǎn)，從物理實(shí)體的實(shí)時數(shù)據(jù)獲取、基于混合/虛擬現(xiàn)實(shí)的自由巡檢、數(shù)字孿生人機(jī)協(xié)同智能管控三個方面改善了數(shù)字孿生車間的數(shù)據(jù)獲取、可視化監(jiān)管以及協(xié)同響應(yīng)能力。通過實(shí)例驗(yàn)證，證明本系統(tǒng)能夠提高生產(chǎn)現(xiàn)場的管理水平與管理壓力，為提高生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)效率與管理水平提供了良好的應(yīng)用前景。后續(xù)我們將在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行基于數(shù)字孿生大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)現(xiàn)場管控智能決策的研究。

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