0引言
智能制造作為我國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略，為我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變提供了有效地技術(shù)支撐。作為智能制造核心理念的CPS（Cyber Physical System賽博物理系統(tǒng)）具有智能感知、推理分析和閉環(huán)控制等特征，并直接推動(dòng)了工業(yè)物聯(lián)/互聯(lián)網(wǎng)、人工智能/大數(shù)據(jù)、智能柔性控制等相關(guān)技術(shù)與制造業(yè)的進(jìn)一步深度融合發(fā)展[1]。
直面產(chǎn)品產(chǎn)出的生產(chǎn)環(huán)節(jié)始終是智能制造覆蓋的重要業(yè)務(wù)領(lǐng)域熱點(diǎn)。尤其在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，以訂單碎片化為驅(qū)動(dòng)的多品種變批量乃至大規(guī)模定制生產(chǎn)模式已經(jīng)成為制造企業(yè)運(yùn)行的主流方式。工業(yè)物聯(lián)/互聯(lián)網(wǎng)和智能柔性控制為資源及其控制的泛在化提供了技術(shù)支撐，作為智能制造核心體現(xiàn)的管理與工藝決策也日益成為企業(yè)智能生產(chǎn)管控的核心追求，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)外部變化并實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置的必然技術(shù)選擇。
數(shù)字孿生技術(shù)是智能制造發(fā)展的新趨勢(shì)和重要抓手。數(shù)字孿生是以產(chǎn)品及其生命周期各環(huán)節(jié)及其關(guān)聯(lián)為物理映射對(duì)象，以構(gòu)建狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)采集、分析推理、精準(zhǔn)執(zhí)行的實(shí)時(shí)閉環(huán)鏈路為支撐，以物理對(duì)象的數(shù)字化虛擬建模與決策分析為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)及其服役使用的改善與優(yōu)化。生產(chǎn)環(huán)節(jié)是數(shù)字孿生技術(shù)的重要應(yīng)用場(chǎng)景，陶飛等人建立了涵蓋物理車間、虛擬車間、車間孿生數(shù)據(jù)、車間服務(wù)系統(tǒng)等的數(shù)字孿生車間模型，做出了有益的嘗試[2]。
本文圍繞制造企業(yè)最核心的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過分析企業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求特點(diǎn)，探討以智能管控為目標(biāo)的數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵及其應(yīng)用方向，為推動(dòng)智能生產(chǎn)管控提供借鑒參考。
1智能生產(chǎn)管控需求特征分析
當(dāng)前制造企業(yè)面向的生產(chǎn)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了大幅度變化，已經(jīng)從傳統(tǒng)的小品種向多品種轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的大批量向中小批量、批量為1的單件定制轉(zhuǎn)變，制造企業(yè)的訂單呈現(xiàn)出明顯的碎片化特點(diǎn)。制造企業(yè)必須面對(duì)復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)柔性生產(chǎn)，其核心在于實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和資源的優(yōu)化運(yùn)行。
按照智能制造核心理念CPS的思路，對(duì)于生產(chǎn)環(huán)節(jié)而言，其在智能感知、推理分析和閉環(huán)控制等方面的需求特點(diǎn)如下：
（1）面向生產(chǎn)運(yùn)行保證的持續(xù)狀態(tài)感知
生產(chǎn)過程處于持續(xù)動(dòng)態(tài)的不確定環(huán)境，智能生產(chǎn)系統(tǒng)的核心目的是化解這種不確定對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定的沖擊，因此不僅需要對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行感知，包括任務(wù)執(zhí)行與資源運(yùn)行的狀態(tài)，并據(jù)此判斷是否存在生產(chǎn)異常等，同時(shí)也需要從時(shí)間軸線上，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行前瞻預(yù)測(cè)，為生產(chǎn)運(yùn)行提供持續(xù)的穩(wěn)態(tài)保證。
（2）面向生產(chǎn)異常的分析推理決策
生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的異變是常態(tài)，智能生產(chǎn)系統(tǒng)具有對(duì)感知到異常狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)有效的分析推理決策處理的能力。其中主要涉及到兩個(gè)方面：一是對(duì)管理角度的任務(wù)資源優(yōu)化配置做出決策，比如實(shí)現(xiàn)對(duì)插單、資源故障、物料缺位等進(jìn)行響應(yīng)調(diào)整；二是對(duì)工藝角度的產(chǎn)品制造工程進(jìn)行自適應(yīng)加工決策，比如根據(jù)資源當(dāng)前狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整等。
（3）基于生產(chǎn)軟硬件系統(tǒng)集成的閉環(huán)執(zhí)行
生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行涉及到管理性MES/WMS/MDC/DNC等系統(tǒng)，也包括工藝裝備/裝置，智能生產(chǎn)系統(tǒng)具有軟硬件系統(tǒng)有機(jī)集成的特點(diǎn)，其核心體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的自動(dòng)流程，不僅包括自下而上的數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)自動(dòng)反饋，也包括自上而下的生產(chǎn)控制指令甚至直達(dá)工藝裝備/裝置的自動(dòng)下達(dá)。
2智能生產(chǎn)管控與數(shù)字孿生的融合
智能生產(chǎn)管控與數(shù)字孿生在技術(shù)內(nèi)涵上具有內(nèi)在的一致性。就技術(shù)而言，數(shù)字孿生具有“物理實(shí)體狀態(tài)實(shí)施采集-數(shù)字虛體分析推理決策-物理實(shí)體精準(zhǔn)精確執(zhí)行”的鏈路，其中實(shí)時(shí)性與閉環(huán)性是其中最為核心的兩個(gè)特征，與智能生產(chǎn)管控具有直接而密切的一致性關(guān)聯(lián)關(guān)系。
（1）由虛向?qū)嵉膶\生實(shí)時(shí)映射與智能生產(chǎn)持續(xù)狀態(tài)感知的融合
數(shù)字孿生涉及到物理世界和數(shù)字世界之間的孿生映射，或者說物理實(shí)體與數(shù)字虛體的孿生協(xié)調(diào)，需要指出的是，這種孿生映射與協(xié)調(diào)具有雙向的含義。在數(shù)字孿生語境下，生產(chǎn)環(huán)境的物理實(shí)體是整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，包括目視可見生產(chǎn)線及其工藝設(shè)備裝置以及其運(yùn)行組織模式，并且這種模式是隨時(shí)間逐步變化的。
數(shù)字孿生的第一個(gè)原則是虛實(shí)映射，其核心是對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化表征，包括生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及資源優(yōu)化配置、工藝執(zhí)行過程的內(nèi)在機(jī)理等，并且由于生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的持續(xù)性，從而要求這種孿生映射或協(xié)調(diào)具有隨時(shí)間推進(jìn)而逐步變化的特點(diǎn)，因此，智能生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行決定了數(shù)字孿生虛體建模的實(shí)時(shí)性是基本要求，從而要求基于數(shù)字虛體所進(jìn)行的分析推理決策應(yīng)該具有服務(wù)化的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的前瞻預(yù)測(cè)和分析推理決策。
同時(shí)，數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性內(nèi)涵能夠有效的解決傳統(tǒng)上面臨的“虛而不擬、仿而不真”的問題，尤其是其缺乏從時(shí)間軸線上考慮物理實(shí)體演變所導(dǎo)致的分析推理滯后從而不真實(shí)的缺陷。智能生產(chǎn)系統(tǒng)在目前工業(yè)物聯(lián)/互聯(lián)技術(shù)的支持下，已經(jīng)具有實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)系統(tǒng)狀態(tài)的技術(shù)能力，從而推動(dòng)了數(shù)字孿生在智能生產(chǎn)管控領(lǐng)域中的應(yīng)用。
（2）基于運(yùn)行機(jī)理模型的數(shù)字虛體與智能生產(chǎn)推理決策的融合
數(shù)字孿生的核心不在于將物理實(shí)體的狀態(tài)以數(shù)字化乃至三維的方式進(jìn)行展現(xiàn)，而在于對(duì)物理實(shí)體運(yùn)行的內(nèi)在機(jī)制和機(jī)理進(jìn)行孿生映射與刻畫。對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)而言，在物理實(shí)體狀態(tài)獲取的基礎(chǔ)上，可以利用運(yùn)行組織機(jī)制知識(shí)和工藝過程機(jī)理建立數(shù)字孿生當(dāng)中的數(shù)字虛體。
生產(chǎn)系統(tǒng)是在其機(jī)理規(guī)律在發(fā)生作用的推動(dòng)下運(yùn)行的，而這種作用就是數(shù)字孿生建設(shè)數(shù)字虛體的重點(diǎn)。對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)而言，其重點(diǎn)主要在兩個(gè)方面。
一是復(fù)雜動(dòng)態(tài)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)下的制造資源優(yōu)化配置，支持智能生產(chǎn)系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知與推理決策。其中態(tài)勢(shì)感知的目的是支持對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的持續(xù)態(tài)勢(shì)判斷，偏重于傳統(tǒng)的仿真技術(shù)范疇。其中推理決策的目的是結(jié)合當(dāng)天動(dòng)態(tài)變化的實(shí)際執(zhí)行狀態(tài)，其核心是對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行糾偏或優(yōu)化，提供持續(xù)優(yōu)化的資源配置決策方案，偏重傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化的技術(shù)范疇。
二是復(fù)雜動(dòng)態(tài)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)下的工藝執(zhí)行過程監(jiān)控，支持智能生產(chǎn)系統(tǒng)的高效生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，是直接決定制造企業(yè)生存的關(guān)鍵。其同樣存在兩個(gè)層次的內(nèi)涵：一是工藝執(zhí)行過程的監(jiān)視，基于所構(gòu)建的內(nèi)在工藝機(jī)理模型，一般來說這種模型應(yīng)該工件-機(jī)床-刀具等及其工藝過程知識(shí)的綜合模型，對(duì)當(dāng)前的實(shí)際執(zhí)行狀態(tài)的正確與否進(jìn)行預(yù)判；二是工藝執(zhí)行過程的控制，即基于所構(gòu)建的工藝機(jī)理模型，在實(shí)際執(zhí)行狀態(tài)輸入的驅(qū)動(dòng)下，通過分析推理決策對(duì)實(shí)際工藝執(zhí)行參數(shù)進(jìn)行修正和優(yōu)化。
（3）由實(shí)向虛的孿生閉環(huán)映射與智能生產(chǎn)閉環(huán)執(zhí)行的融合
由實(shí)向虛的孿生閉環(huán)映射是基于數(shù)字虛體所做出的分析推理決策結(jié)果而對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)的過程，是數(shù)字孿生得以體現(xiàn)和發(fā)揮作用的重要環(huán)節(jié)。
對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)而言，其智能性體現(xiàn)特征之一就是基于生產(chǎn)軟硬件系統(tǒng)集成的閉環(huán)執(zhí)行。傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真領(lǐng)域研究，主要是做到了對(duì)物理實(shí)體某時(shí)刻狀態(tài)或在實(shí)際狀態(tài)輸入情況下的運(yùn)行監(jiān)視，尚不具有孿生閉環(huán)映射的特點(diǎn)。這種只是監(jiān)視而非控制的應(yīng)用模式，在一定程度上弱化了分析推理模型的應(yīng)有價(jià)值，而這正是數(shù)字孿生技術(shù)和智能生產(chǎn)管控所應(yīng)當(dāng)和要求的運(yùn)行模式。
通過數(shù)字虛體的分析推理得出修改糾偏的工藝參數(shù)或者優(yōu)化的運(yùn)行配置方案，并且以控制指令的方式自動(dòng)的下發(fā)到物理實(shí)體進(jìn)行執(zhí)行，在目前柔性自動(dòng)控制深入發(fā)展的基礎(chǔ)上，已經(jīng)具有了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的能力和條件。
同時(shí)由實(shí)向虛的孿生閉環(huán)映射與智能生產(chǎn)閉環(huán)執(zhí)行的融合，與智能制造所倡導(dǎo)的CPS理念具有直接的對(duì)接關(guān)系。并且這種運(yùn)行模式，將數(shù)字孿生或智能生產(chǎn)管控從監(jiān)視推向了監(jiān)控，相當(dāng)于通過數(shù)字孿生當(dāng)中的數(shù)字虛體為物理實(shí)體賦予了一個(gè)大腦，從而支撐生產(chǎn)系統(tǒng)向智能化發(fā)展。目前同樣在深入發(fā)展的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中“互”的含義包括兩個(gè)方面：一是物理實(shí)體，比如說設(shè)備不再“盲聾啞”而實(shí)現(xiàn)自下而上的數(shù)據(jù)狀態(tài)輸出，二是體現(xiàn)自上而下的自動(dòng)柔性控制。
3基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)管控應(yīng)用重點(diǎn)
不同制造企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)類型存在較大差別，其對(duì)智能管控的需求也是不同，在應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)方面也各有側(cè)重。本文重點(diǎn)結(jié)合作者經(jīng)驗(yàn)，對(duì)離散型加工制造業(yè)的基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)管控應(yīng)用重點(diǎn)進(jìn)行介紹。
3.1制造資源服務(wù)化智能配置管理決策
對(duì)于智能生產(chǎn)系統(tǒng)而言，制造資源優(yōu)化配置是數(shù)字孿生技術(shù)在管理層面的核心決策是能技術(shù)，在工業(yè)軟件領(lǐng)域具體體現(xiàn)為APS。APS的核心在于基于生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)構(gòu)建基于規(guī)則和知識(shí)的智能算法模型，對(duì)制造資源配置進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化[3]。APS的典型應(yīng)用場(chǎng)景體現(xiàn)在交貨期答復(fù)、確保交貨期以及快速響應(yīng)調(diào)整三個(gè)方面，是貫穿整個(gè)生產(chǎn)過程的綜合決策，如圖1所示。
圖1 APS典型應(yīng)用的三個(gè)層次
（1）交貨期答復(fù)決策分析
客戶訂單必然帶有交貨期要求，快速有效的回答就是企業(yè)必須面對(duì)和解決的問題。
l基于產(chǎn)線當(dāng)前快照狀態(tài)的排產(chǎn)，不能假定產(chǎn)線是空的，也就是說應(yīng)該是在當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)基礎(chǔ)上的持續(xù)決策分析；
l對(duì)于客戶訂單優(yōu)先級(jí)較高，則屬于插入式而非追加式排產(chǎn)，需考慮其對(duì)當(dāng)前在制的交貨期產(chǎn)生影響的，如何保證影響最小或特定追求，是需要解決的決策問題；
l如果為了滿足新訂單的交貨期，原有任務(wù)外協(xié)也是需要解決的核心決策問題；
l當(dāng)產(chǎn)能評(píng)估存在問題時(shí)，在資源利用率，分批優(yōu)化、單元化運(yùn)行等方面存在一系列的決策問題；
l在調(diào)整資源能力時(shí)，關(guān)系到瓶頸設(shè)備識(shí)別、加班范圍及其班制等決策問題；
l作業(yè)計(jì)劃與物料計(jì)劃的關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)，也是需要解決的決策問題。
（2）確保交貨期決策分析
確保交貨期決策分析需綜合運(yùn)用多種手段，以滿足當(dāng)前大規(guī)模定制生產(chǎn)所要求的訂單碎片化、短交貨周期等要求：
l訂單、工序的合理分割，以及工序間接續(xù)方式的優(yōu)化設(shè)置縮短訂單的生產(chǎn)周期等決策分析；
l小批量訂單的組批生產(chǎn)，減少不必要的生產(chǎn)切換，實(shí)現(xiàn)交貨期與生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)批量的權(quán)衡優(yōu)化的決策分析；
l工序級(jí)配作、層次化關(guān)聯(lián)訂單、批處理環(huán)節(jié)組批等齊套協(xié)同生產(chǎn)的決策分析；
l作業(yè)計(jì)劃與物料計(jì)劃的聯(lián)動(dòng)計(jì)劃制定的決策分析
（3）快速響應(yīng)調(diào)整決策分析
動(dòng)態(tài)調(diào)度決策分析的目標(biāo)是在實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)資源使用情況、已有作業(yè)計(jì)劃的執(zhí)行情況等基礎(chǔ)上，通過對(duì)作業(yè)計(jì)劃的動(dòng)態(tài)調(diào)整使作業(yè)計(jì)劃與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際制造執(zhí)行狀態(tài)保持一致，始終保證對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)性。在這個(gè)過程中，需要響應(yīng)來自計(jì)劃任務(wù)、生產(chǎn)工藝、物料資源、生產(chǎn)執(zhí)行等層次的生產(chǎn)擾動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)快速的響應(yīng)調(diào)整[3]。典型的生產(chǎn)擾動(dòng)因素及其調(diào)整要求示意如圖2所示。
圖2典型的生產(chǎn)擾動(dòng)因素及其調(diào)整要求示意圖
3.2自適應(yīng)智能加工工藝決策
自適應(yīng)智能加工是數(shù)字孿生技術(shù)在智能生產(chǎn)領(lǐng)域的重要體現(xiàn)形式，其核心在于構(gòu)建內(nèi)嵌工藝機(jī)理模型的數(shù)字虛體，并且綜合了數(shù)據(jù)采集和指令下發(fā)，是數(shù)字孿生的完整體現(xiàn)。對(duì)于智能生產(chǎn)系統(tǒng)而言，其需要關(guān)注的工藝模型是多種多樣的。本文結(jié)合筆者的科研經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)某種復(fù)雜薄壁零件的自適應(yīng)加工需求，開展了基于在線測(cè)量的工藝孿生技術(shù)研究。該復(fù)雜薄壁零件的加工存在特征尺寸的保證依靠頻繁的手工檢測(cè)、數(shù)控程序調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且由于占用設(shè)備導(dǎo)致設(shè)備利用率難以提高等問題。該案例的核心是通過在線測(cè)量工藝執(zhí)行過程的加工狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過所構(gòu)建的三維工藝模型，其中內(nèi)嵌了模型對(duì)比及補(bǔ)償分析算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的分析決策和下發(fā)執(zhí)行，從而形成了形成“在線測(cè)量-補(bǔ)償分析-程序調(diào)整-下發(fā)執(zhí)行”閉環(huán)控制機(jī)制，提高了加工效率和保證了加工精度?；诩庸すに噮?shù)補(bǔ)償決策的數(shù)字孿生技術(shù)思路如圖3所示。
圖3基于加工工藝參數(shù)補(bǔ)償決策的數(shù)字孿生技術(shù)
基于加工工藝參數(shù)補(bǔ)償決策的數(shù)字孿生技術(shù)思路主要體現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：
（1）在線測(cè)量：針對(duì)復(fù)雜零件的典型特征，通過在線切換測(cè)量頭的方式，獲得加工過程中的特征尺寸點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸以作為補(bǔ)償分析的依據(jù)；
（2）補(bǔ)償分析：首先對(duì)獲得的測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，重構(gòu)形成實(shí)際加工狀態(tài)的三維模型；隨后將重構(gòu)獲得三維實(shí)際模型與目標(biāo)或理論模型進(jìn)行基于基準(zhǔn)的重合，獲得典型特征點(diǎn)、邊、面、曲面的偏差數(shù)據(jù)；基于復(fù)雜薄壁零件加工尺寸精度的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及實(shí)際加工約束，推導(dǎo)得出指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的下一步加工補(bǔ)償數(shù)據(jù)；
（3）程序調(diào)整：建立參數(shù)化的數(shù)控程序模型，通過補(bǔ)償數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)控程序的自動(dòng)更新；
（4）下發(fā)執(zhí)行：利用DNC等程序傳輸手段，將新生成的帶補(bǔ)償設(shè)置的數(shù)控程序傳輸?shù)綑C(jī)床，實(shí)現(xiàn)快速的加工指導(dǎo)；
（5）持續(xù)控制：通過上述四個(gè)步驟的持續(xù)運(yùn)行，能夠快速的指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)整，不僅有利于提高加工效率，也有利于保證加工精度。
4基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線運(yùn)行模式發(fā)展趨勢(shì)
毫無疑問，自動(dòng)化技術(shù)是智能制造發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一。一直以來很多企業(yè)將自動(dòng)化線建設(shè)視為智能制造的重要抓手，并且涌現(xiàn)出了一些“黑燈生產(chǎn)”、“無人工廠”的示范案例。但目前企業(yè)較為常見的自動(dòng)化生產(chǎn)線，更多的體現(xiàn)為物流周轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作時(shí)序的協(xié)調(diào)，可以視之為一系列離散硬件裝置在特定動(dòng)作序列約束下運(yùn)行的生產(chǎn)線。傳統(tǒng)的自動(dòng)線是通過PLC梯形程序進(jìn)行控制，或者通過專門的工控軟件進(jìn)行控制，不僅控制正常的流程，也具有一定程度的異常處理控制能力。
因此，本文結(jié)合目前很多企業(yè)在上馬自動(dòng)化線或已經(jīng)建成自動(dòng)化線的局面下，如何進(jìn)行智能化提升，也是不得不和必須面對(duì)的問題，尤其是是數(shù)字孿生技術(shù)在其中的體現(xiàn)。本部分從兩個(gè)方面論述：一是德國(guó)工業(yè)4.0關(guān)于自動(dòng)化柔性線的數(shù)字孿生內(nèi)涵；二是融合軟件定義制造思想的自動(dòng)化柔性線數(shù)字孿生發(fā)展趨勢(shì)。
4.1德國(guó)工業(yè)4.0關(guān)于自動(dòng)化柔性線運(yùn)行的數(shù)字孿生內(nèi)涵
圖4是德國(guó)工業(yè)4.0的典型資料圖片，其所表達(dá)的含義是生產(chǎn)線中所有的硬件單元都有對(duì)應(yīng)的軟件形式的服務(wù)，比如傳感器服務(wù)、控制服務(wù)、通訊服務(wù)、校驗(yàn)服務(wù)、信息服務(wù)等，整個(gè)CPS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是一個(gè)服務(wù)連接網(wǎng)絡(luò)，具有“服務(wù)聯(lián)網(wǎng)”的概念，這些服務(wù)有層次并且能夠動(dòng)態(tài)組合配置[4]。所謂的智能管控，體現(xiàn)為硬件資源的離散化，通過服務(wù)化封裝，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)資源鏈條的重構(gòu)與控制，并可以進(jìn)一步的支持“軟件定義制造”理念的落地。其在自動(dòng)化生產(chǎn)線硬件之上構(gòu)建的服務(wù)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有明確的數(shù)字孿生內(nèi)涵。
圖3德國(guó)工業(yè)4.0關(guān)于自動(dòng)化柔性線的管控思路
4.2融合軟件定義制造思想的自動(dòng)化柔性線數(shù)字孿生發(fā)展趨勢(shì)
德國(guó)工業(yè)4.0所倡導(dǎo)的自動(dòng)化柔性線智能管控核心是實(shí)現(xiàn)資源的柔性配置，而這種配置的手段也是面向智能制造的APS的重要發(fā)展方向。融合軟件定義制造思想的自動(dòng)化柔性線數(shù)字孿生發(fā)展趨勢(shì)如下所述。
（1）自動(dòng)線構(gòu)成要素裝置的CPS獨(dú)立控制能力的發(fā)展
對(duì)于自動(dòng)化產(chǎn)線線而言，一般都是連續(xù)的沒有間斷的按照時(shí)序執(zhí)行動(dòng)作。但這些動(dòng)作時(shí)序的執(zhí)行，也是需要依靠一些構(gòu)成要素裝置的，比如閥、泵乃至機(jī)床及其內(nèi)部的執(zhí)行動(dòng)作部件等，或者是各種集成程度的獨(dú)立裝置等。對(duì)這些要素按照能夠狀態(tài)反饋、指令執(zhí)行的方式，進(jìn)行改造和提升，為后續(xù)的智能化柔性控制提供支持。
（2）硬件裝置構(gòu)成要素的必要性聯(lián)動(dòng)控制能力的發(fā)展
這種聯(lián)動(dòng)控制并不是限定自動(dòng)化產(chǎn)線中某兩個(gè)裝置的固定時(shí)序，其核心目的是增加柔性，目標(biāo)是自動(dòng)線上任何需要建立關(guān)聯(lián)的構(gòu)成要素裝置能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。這方面的分析可以從產(chǎn)品的工藝流程角度入手，按照生產(chǎn)過程中各個(gè)構(gòu)成要素裝置時(shí)序關(guān)系進(jìn)行分析。
（3）以產(chǎn)品性能保證為核心的工藝知識(shí)沉淀及物化能力的發(fā)展
產(chǎn)線對(duì)產(chǎn)品性能保證的技術(shù)提升無止境的，根據(jù)需要可以分析產(chǎn)品的性能指標(biāo)的保證機(jī)制，比如引入機(jī)器視覺、比如引入自適應(yīng)加工等，豐富自動(dòng)線運(yùn)行的知識(shí)基礎(chǔ)上的智能化內(nèi)涵。
（4）多產(chǎn)品混線生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力的發(fā)展
只有當(dāng)自動(dòng)線能夠支持多產(chǎn)品混線生產(chǎn)，自動(dòng)線能夠提供柔性的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力，才能說這條線具有智能化體現(xiàn)。比如自動(dòng)數(shù)控加工線，可以自動(dòng)的獲取狀態(tài)并進(jìn)行分析，可以下發(fā)指令進(jìn)行硬件裝置的工作參數(shù)調(diào)整；比如自動(dòng)數(shù)控加工線，根據(jù)需要為不同的硬件裝置傳遞不同的數(shù)控程序；比如不同產(chǎn)品的工藝流程不同，可以通過柔性的聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)路徑的快速轉(zhuǎn)換，以及不同品種產(chǎn)品在自動(dòng)線上的混流交叉生產(chǎn)。
（5）基于APS的軟硬一體化控制的柔性控制的發(fā)展
如果自動(dòng)線只是生產(chǎn)一種產(chǎn)品，則所有的硬件要素裝置鎖定了某種動(dòng)作指令序列而已。但如果自動(dòng)線是多品種混線的，則動(dòng)作指令序列將具有復(fù)雜的組合聯(lián)調(diào)配置要求。如果這種組合判斷比較簡(jiǎn)單，可以通過PLC或工控軟件來實(shí)現(xiàn)。但如果這種組合判斷比較復(fù)雜，尤其是加入了智能化體現(xiàn)的分析、推理、決策等內(nèi)容，單純的狀態(tài)0-1式或閾值式判斷將無法滿足需求，需要引入復(fù)雜軟件系統(tǒng)的形式進(jìn)行控制，才能滿足需求。并且，這種復(fù)雜軟件控制系統(tǒng)，面對(duì)多產(chǎn)品混流生產(chǎn)的復(fù)雜的生產(chǎn)過程，將是目前傳統(tǒng)的APS向軟硬一體化緊密關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)控制的重要轉(zhuǎn)變和發(fā)展方向。
5結(jié)束語
智能生產(chǎn)管控是提高制造企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行效能的追求目標(biāo)，數(shù)字孿生技術(shù)與智能生產(chǎn)管控具有內(nèi)在統(tǒng)一的有機(jī)聯(lián)系，是推動(dòng)智能生產(chǎn)管控落地的關(guān)鍵使能技術(shù)。
（1）分析了智能生產(chǎn)管控的實(shí)時(shí)狀態(tài)感知、分析推理決策和閉環(huán)控制執(zhí)行的特點(diǎn)；
（2）通過對(duì)標(biāo)數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵與智能生產(chǎn)管控需求特征，實(shí)現(xiàn)了兩者之間有機(jī)融合；
（3）提出了基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)管控應(yīng)用的兩個(gè)重點(diǎn)：智能制造服務(wù)化智能配置管理決策和自適應(yīng)智能加工工藝決策；
（4）結(jié)合我國(guó)制造業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線建設(shè)的需求，結(jié)合德國(guó)工業(yè)4.0理念，融合了軟件定義制造思想，給出了基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線運(yùn)行模式發(fā)展趨勢(shì)的判斷。
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