摘 要：數(shù)字孿生作為當(dāng)前制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要途徑之一，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)管理領(lǐng)域。為更好地滿足消費(fèi)者對(duì)生產(chǎn)的個(gè)性化需求，提出了基于數(shù)字孿生的個(gè)性化定制平臺(tái)。該平臺(tái)包含有物理實(shí)體層、虛擬模型層、孿生數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)決策層、云服務(wù)系統(tǒng)，通過5個(gè)層級(jí)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的深度集成，提高了產(chǎn)品的個(gè)性化定制水平，降低了裝備的調(diào)試安裝強(qiáng)度，提升了生產(chǎn)效率，且生產(chǎn)過程更加透明，對(duì)個(gè)性化定制產(chǎn)品和服務(wù)具有很好的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)了生產(chǎn)管理領(lǐng)域的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；云邊協(xié)同；個(gè)性化定制；數(shù)據(jù)集成；信息系統(tǒng)；邊緣計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）04-0-05

0 引 言

數(shù)字孿生作為一種虛實(shí)融合的動(dòng)態(tài)模型，與現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體完全一致，可以準(zhǔn)確、及時(shí)地反映物理實(shí)體的特性、行為、性能等[1]。數(shù)字孿生最早出現(xiàn)于2003年，由Grieves教授在密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出。經(jīng)過多年的發(fā)展，數(shù)字孿生吸引了大量知名公司對(duì)其進(jìn)行研究，包括達(dá)索、西門子、PTC等全球工業(yè)軟件頭部企業(yè)。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者在智能車間、工業(yè)大數(shù)據(jù)、智能裝備等方面也對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了研究。

文獻(xiàn)[2]提出結(jié)合精益生產(chǎn)理論與數(shù)字孿生技術(shù)搭建焊接裝備的數(shù)字孿生系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]構(gòu)想了大數(shù)據(jù)環(huán)境下基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的數(shù)字孿生車間模型體系架構(gòu)及相關(guān)自決策調(diào)度算法；文獻(xiàn)[4]提出了基于數(shù)字孿生的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）解決方案，介紹了車間設(shè)備的建模方法和數(shù)據(jù)采集方法；文獻(xiàn)[5]建立了車間生產(chǎn)過程數(shù)字孿生系統(tǒng)體系架構(gòu)；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了基于數(shù)字孿生的新能源汽車電機(jī)裝配車間，提升了電機(jī)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平、效率及質(zhì)量；文獻(xiàn)[7]闡述了數(shù)字孿生模型的搭建及模型的輕量化以及基于企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互等關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[8]針對(duì)數(shù)字化車間的轉(zhuǎn)型升級(jí)，提出了數(shù)字孿生車間集成管控系統(tǒng)框架。

隨著社會(huì)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)生產(chǎn)的個(gè)性化需求越來越強(qiáng)。個(gè)性化定制產(chǎn)品具備開發(fā)周期短、滿足客戶需求、符合度高和競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)等多方面優(yōu)勢(shì)，而個(gè)性化定制服務(wù)已經(jīng)滲透到大部分制造行業(yè)[9]。本文以個(gè)性化定制書簽業(yè)務(wù)為背景，提出了基于數(shù)字孿生的個(gè)性化定制平臺(tái)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

建立數(shù)字孿生車間首先需要將生產(chǎn)車間的現(xiàn)場(chǎng)資源進(jìn)行數(shù)字化表征，為人、機(jī)、料、法、環(huán)等車間現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵要素建立數(shù)字化模型[10]。本文提出的基于數(shù)字孿生的個(gè)性化定制平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化服務(wù)系統(tǒng)、虛擬模型、物理實(shí)體數(shù)據(jù)的雙向映射。系統(tǒng)由物理實(shí)體、虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策、云服務(wù)系統(tǒng)5部分組成，不同層級(jí)之間交互信息，接收內(nèi)外部狀態(tài)信號(hào)，并迭代優(yōu)化，生成合理的解決方案，用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

（1）物理實(shí)體。物理實(shí)體主要指實(shí)際生產(chǎn)的資源實(shí)體，由人、機(jī)、料、法、環(huán)組成，是產(chǎn)品生產(chǎn)的載體。物理實(shí)體的核心資源具有數(shù)據(jù)采集功能，能夠?qū)崟r(shí)采集各實(shí)體的狀態(tài)。

（2）虛擬模型。虛擬模型本質(zhì)上是模型的集合，包括要素、行為、規(guī)則3個(gè)層面[11]。本文將虛擬空間劃分為要素模型、行為模型、規(guī)則模型、仿真系統(tǒng)。要素模型可以將生產(chǎn)物理實(shí)體、環(huán)境進(jìn)行虛擬重構(gòu)；行為模型主要包括產(chǎn)品的生產(chǎn)順序和物料轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)則等；規(guī)則模型包含車間評(píng)估、預(yù)測(cè)和優(yōu)化等。仿真系統(tǒng)可以對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行空間位置、運(yùn)行邏輯的仿真、驗(yàn)證。

（3）孿生數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)用于采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析物理實(shí)體、虛擬模型的核心數(shù)據(jù)。通過孿生數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成、設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通，消除了信息孤島，提高了決策效率。采用機(jī)器學(xué)習(xí)及其他人工智能算法，分析計(jì)算集成的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)庫根據(jù)功能和類型劃分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等不同的集合。

（4）業(yè)務(wù)決策。業(yè)務(wù)決策是數(shù)字孿生系統(tǒng)直接面向人的決策的層級(jí)。業(yè)務(wù)決策系統(tǒng)在孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下為生產(chǎn)實(shí)體的智能化管控提供系統(tǒng)支持和服務(wù)（主要依托MES、CRM、WMS等核心生產(chǎn)管理系統(tǒng)），例如排產(chǎn)與調(diào)度管理、物料管理、加工過程管理、產(chǎn)線資源管理等。

（5）云服務(wù)系統(tǒng)。云服務(wù)系統(tǒng)采用分布式計(jì)算為用戶提供便捷的網(wǎng)絡(luò)訪問以及計(jì)算資源共享池。用戶可以借助各類應(yīng)用系統(tǒng)完成業(yè)務(wù)管控，提升開展日常業(yè)務(wù)的效率。另外，通過云服務(wù)系統(tǒng)能夠使個(gè)性化訂單的下達(dá)更柔性化、便捷化。

2 物理實(shí)體層

物理車間是數(shù)字孿生車間管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包含生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體的集合，例如車間的設(shè)備、物料以及其他生產(chǎn)資源[12]。數(shù)字孿生產(chǎn)線設(shè)計(jì)如圖2所示。該產(chǎn)線主要由智能立體倉儲(chǔ)部分、機(jī)器人、智能視覺模塊、激光打標(biāo)、自動(dòng)包裝單元組成。該產(chǎn)線的物流流程如下（以書簽組裝過程為例）：

（1）從智能立體倉庫中取出待加工的物料，由機(jī)器人負(fù)責(zé)將書簽原料出庫，并將其搬運(yùn)到視覺檢測(cè)工位，檢測(cè)其位置偏移情況；

（2）由機(jī)器人自動(dòng)糾偏，將書簽原料搬運(yùn)到激光打標(biāo)工位進(jìn)行打標(biāo)；

（3）流蘇原料經(jīng)堆垛機(jī)取貨、機(jī)器人搬運(yùn)后與書簽原料配合，進(jìn)行自動(dòng)包裝。

3 虛擬模型層

（1）模型優(yōu)化。以數(shù)字孿生產(chǎn)線為對(duì)象搭建虛擬模型，采用SolidWorks對(duì)物理實(shí)體模型進(jìn)行建模，利用Unity3D對(duì)虛擬模型進(jìn)行設(shè)計(jì)渲染和制作。由于SolidWorks建立的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后，模型的面數(shù)較多，計(jì)算機(jī)運(yùn)行不流暢，所以需要進(jìn)行模型優(yōu)化。主要方法為減少面數(shù)、調(diào)整模型層級(jí)等。

（2）模型處理。模型優(yōu)化后需要進(jìn)行靜態(tài)對(duì)象設(shè)置、材質(zhì)陰影設(shè)置、烘焙、實(shí)時(shí)燈光添加等工作。

（3）模型屬性添加。要素模型包括生產(chǎn)車間的物理設(shè)備（加工設(shè)備、檢驗(yàn)設(shè)備、物流設(shè)備、倉儲(chǔ)設(shè)備）和工作環(huán)境等元素。本文中的要素建模包括對(duì)立體倉儲(chǔ)部分、機(jī)器人、激光打標(biāo)機(jī)、包裝單元、傳感器建模，確保虛擬模型與物理模型以1∶1的比例顯示。通過行為模型為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)添加約束，使各個(gè)部件之間包含連接關(guān)系。采用父子關(guān)系以及正逆向解算的方法，對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)進(jìn)行約束，如圖3所示。除此以外，還需要添加碰撞屬性。將機(jī)器人設(shè)置為剛體屬性。規(guī)則模型利用人工智能算法對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、糾偏。

（4）仿真系統(tǒng)。在虛擬空間建立機(jī)器人以及堆垛機(jī)、氣缸等設(shè)備的仿真模型，主要涉及干涉檢查、路徑規(guī)劃、可達(dá)性檢驗(yàn)。PLC程序仿真如圖4所示。虛擬空間中，物理實(shí)體的孿生模型根據(jù)自身幾何信息、屬性信息和裝配信息，以產(chǎn)線仿真規(guī)則為基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案的預(yù)驗(yàn)證及實(shí)際生產(chǎn)線的仿真分析[13]。通過仿真系統(tǒng)，不僅能夠找到機(jī)器人的最優(yōu)空間位置、工作路徑還能驗(yàn)證PLC控制程序的邏輯合理性，節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。

4 孿生數(shù)據(jù)層

4.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的雙向交互

基于數(shù)字孿生的個(gè)性化定制平臺(tái)的軟件系統(tǒng)主要由數(shù)字孿生、MES、WMS、CRM組成。圖5展示了該平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互與集成過程。

數(shù)字孿生軟件運(yùn)行過程涉及的數(shù)據(jù)主要有AssetBundle包、MES數(shù)據(jù)、PLC數(shù)據(jù)、機(jī)械臂數(shù)據(jù)。AssetBundle包數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式，根據(jù)任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。MES數(shù)據(jù)基于HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信接口的請(qǐng)求、上傳、下載功能，完成數(shù)據(jù)的雙向交互。PLC采用西門子1200系列PLC和設(shè)備數(shù)據(jù)多線程的方式通過S7.net通信協(xié)議讀取寫入數(shù)據(jù)。MES、WMS前端基于HTTP協(xié)議借助通信接口向Web服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求。

4.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成方式

將來自不同來源的數(shù)據(jù)集成為一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，需要解決數(shù)據(jù)模式匹配、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)沖突等問題。數(shù)字孿生產(chǎn)線的設(shè)備來自不同的廠家，擁有不同的控制系統(tǒng)，且不同的控制系統(tǒng)擁有不同的通信協(xié)議[14]。為了解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集與處理問題，本文采用以下解決方案：

（1）PLC集成數(shù)據(jù)。視覺采集數(shù)據(jù)通過視覺算法判斷處理后，可以寫入PLC數(shù)據(jù)塊中；激光雕刻設(shè)備通過I/O連接，實(shí)時(shí)觸發(fā)打印并將相關(guān)信息反饋到PLC數(shù)據(jù)塊中；機(jī)械臂數(shù)據(jù)可以被實(shí)時(shí)采集到PLC數(shù)據(jù)塊中，并通過編程控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)；氣缸、步進(jìn)電機(jī)通過PLC控制，并反饋狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)字孿生客戶端集成數(shù)據(jù)。模型數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、PLC數(shù)據(jù)塊關(guān)聯(lián)的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)映射到JSON文本、動(dòng)態(tài)任務(wù)JSON文本中。孿生客戶端通過接口請(qǐng)求獲取用戶訂單數(shù)據(jù)，展示當(dāng)前生產(chǎn)進(jìn)度及歷史信息，并根據(jù)MES訂單任務(wù)生成場(chǎng)景，讀取PLC控制數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求向服務(wù)器寫入實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)車間的數(shù)字孿生。

（3）MES集成數(shù)據(jù)。將設(shè)備運(yùn)行告警記錄、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)一管理。

5 業(yè)務(wù)決策層

要建立智能制造車間，企業(yè)首先要建設(shè)包括產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PLM）、MES、ERP和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（OA）等在內(nèi)的企業(yè)數(shù)字化管理集成平臺(tái)[15]。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化管理系統(tǒng)主要包含MES、WMS、CRM，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成，打破了生產(chǎn)管理系統(tǒng)中多源數(shù)據(jù)的異構(gòu)性限制，構(gòu)建了具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)庫，以供服務(wù)系統(tǒng)層中的各功能模塊調(diào)用，且能把服務(wù)系統(tǒng)層的各項(xiàng)任務(wù)指令傳輸?shù)轿锢韺?shí)體中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合、虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的智能集成管控，主界面如圖6所示。MES系統(tǒng)中的計(jì)劃排產(chǎn)模塊收到多人所下的訂單時(shí)，對(duì)訂單的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排列；加工過程管理模塊對(duì)訂單進(jìn)度、書簽加工質(zhì)量進(jìn)行管控；WMS系統(tǒng)對(duì)物料出入庫、庫位、物料盤點(diǎn)等進(jìn)行管控。物料統(tǒng)計(jì)信息如圖7所示。

6 云服務(wù)系統(tǒng)

云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)推動(dòng)MES向云MES演進(jìn)，以SaaS模式賦能工業(yè)制造，提供全方位、可視化的追蹤控制工具以及強(qiáng)大的關(guān)鍵性能指標(biāo)和數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)、管理，到?jīng)Q策的智能化協(xié)同[16]?；跀?shù)字孿生的個(gè)性化定制平臺(tái)有多個(gè)數(shù)據(jù)源。云數(shù)據(jù)主要由MES數(shù)據(jù)、WMS數(shù)據(jù)組成，通過數(shù)據(jù)倉的形式存儲(chǔ)，可以對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和價(jià)值挖掘；邊緣數(shù)據(jù)主要通過本地客戶端對(duì)WMS、MES、圖像識(shí)別及孿生客戶端的操作及運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，按照給定規(guī)則對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及簡(jiǎn)單分析，然后把結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的方式進(jìn)行云-邊、邊-邊傳遞。圖8所示為該平臺(tái)的數(shù)據(jù)流。個(gè)性化訂單通過云端下達(dá)至CRM系統(tǒng)；形成訂單計(jì)劃，將該計(jì)劃發(fā)送至MES系統(tǒng)；MES系統(tǒng)向WMS系統(tǒng)發(fā)出物料請(qǐng)求。

邊緣和云端之間的數(shù)據(jù)協(xié)同，使得數(shù)據(jù)能夠在邊緣和云端之間有序流動(dòng)，從而形成一條完整的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)路徑，便于之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行生命周期管理與價(jià)值挖掘。

7 結(jié) 語

目前，制造業(yè)正處于向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中。數(shù)字孿生作為智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以實(shí)現(xiàn)物理空間和虛擬空間的深度融合。本文構(gòu)建的數(shù)字孿生平臺(tái)經(jīng)過物理實(shí)體以及相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的驗(yàn)證，具有良好的應(yīng)用效果，可以為其他場(chǎng)景構(gòu)建數(shù)字孿生體系提供參考。此外，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)等新興技術(shù)的發(fā)展，云端個(gè)性化定制將是未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。

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