在實(shí)現(xiàn)智能制造的過程中，信息空間與物理空間的交互和共融是一個(gè)亟待解決的重要問題，為此提出了數(shù)字孿生的解決方法。目前，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)維、增材制造、生產(chǎn)調(diào)度中已經(jīng)運(yùn)用了數(shù)字孿生技術(shù)。
車間是制造活動的主體，數(shù)字孿生技術(shù)為生產(chǎn)制造過程的智能高效運(yùn)行提供了一種可行的技術(shù)方案。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，對數(shù)字孿生車間的構(gòu)建及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述，并通過實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證。
1數(shù)字孿生車間系統(tǒng)體系架構(gòu)
1.1體系架構(gòu)
生產(chǎn)車間是一個(gè)多設(shè)備、多技術(shù)的復(fù)雜組織體，在現(xiàn)有理論研究基礎(chǔ)上，本文提出的數(shù)字孿生車間總體框架如圖1所示。
圖1數(shù)字孿生車間總體框架
（1）物理實(shí)體層
物理實(shí)體層是制造車間的主體，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、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，其中仿真模型是對車間物理實(shí)體關(guān)鍵物理特征的真實(shí)寫照，孿生數(shù)據(jù)由車間物理實(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)動下為車間服務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行提供相應(yīng)的支持與服務(wù)。
根據(jù)上述車間生產(chǎn)過程數(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)建孿生模型和車間物理實(shí)體實(shí)時(shí)映射。
1.2關(guān)鍵技術(shù)
（1）車間孿生模型建模
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
車間存在眾多來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）車間生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)映射
孿生模型對物理實(shí)體的實(shí)時(shí)關(guān)鍵動作、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車間關(guān)鍵要素孿生模型建模與實(shí)現(xiàn)
2.1車間關(guān)鍵要素建模
在生產(chǎn)制造過程中，參與制造活動的關(guān)鍵要素分為人員、設(shè)備、物料、方法、環(huán)境，因此車間生產(chǎn)過程數(shù)字孿生模型分別描述為：
H＝
式中：H為人員；ID為人員編號；Name為人員名稱；Location為人員當(dāng)前所在位置；Profession為人員的工種；Technique為人員的技能；State為人員的實(shí)時(shí)狀態(tài)。
E＝
式中：E為設(shè)備；ID為設(shè)備編號；Name為設(shè)備名稱；MNumer為設(shè)備型號；Type為設(shè)備類型；SAS為設(shè)備尺寸信息；Signal為設(shè)備啟停信號；AData為設(shè)備各子節(jié)點(diǎn)動作數(shù)據(jù)；PParameter為設(shè)備實(shí)時(shí)加工性能參數(shù)；State為設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)；LRate為設(shè)備的負(fù)荷率。
M＝
式中：M為物料；ID為產(chǎn)品編號；Name為產(chǎn)品名稱；MNumer為產(chǎn)品型號；Location為產(chǎn)品當(dāng)前位置；RTPProcedure為產(chǎn)品實(shí)時(shí)加工工序；NPProcedure為產(chǎn)品下一道加工工序；QInformation為產(chǎn)品質(zhì)量信息。
P＝
式中：P為方法、工藝等；ID為方法編號；Name為方法名稱；Type為方法類型；CInformation為方法內(nèi)容信息。
S＝
式中：S為環(huán)境；ID為環(huán)境編號；Name為環(huán)境名稱；LInformation為環(huán)境的布局信息；State為環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息；Time為實(shí)時(shí)時(shí)間。
2.2車間關(guān)鍵要素孿生建模實(shí)現(xiàn)
本文通過對車間關(guān)鍵要素的分析，劃分了車間生產(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)要素建模子對象及其關(guān)鍵屬性，以及各子對象相互關(guān)聯(lián)所需的建模工具。
圖2孿生模型建模子對象及工具
3車間物理實(shí)體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取
工業(yè)制造現(xiàn)場存在著大量來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)字孿生車間中異構(gòu)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取與傳輸問題，需要建立統(tǒng)一的通訊方式。
對此，本文開發(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，通過與對應(yīng)設(shè)備通訊接口的連接，便可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場控制主機(jī)進(jìn)行通訊、對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫等操作。如圖3所示。
圖3孿生數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、傳輸與存儲
4車間生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)映射
虛擬空間對物理空間的映射是數(shù)字孿生車間運(yùn)行的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)映射后，在虛擬空間中對實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況的分析與優(yōu)化將會更加智能化。本文建立的虛實(shí)交互映射模型如圖4所示。
圖4虛實(shí)交互映射模型
5數(shù)字孿生車間系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
本文以某機(jī)加車間為研究對象，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。
圖6孿生模型
（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)對動作信號、狀態(tài)信號等數(shù)據(jù)源的讀取與傳輸。如圖7所示。
圖7孿生模型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化
（3）實(shí)時(shí)映射構(gòu)建
通過建立的數(shù)據(jù)交互軟件對孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以驅(qū)動孿生模型的實(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。
6總結(jié)
數(shù)字孿生車間作為一種車間運(yùn)行新模式，對實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云制造、中國制造2025等先進(jìn)制造模式和戰(zhàn)略具有重要的動作用。
本文為數(shù)字孿生車間的實(shí)現(xiàn)提供了方案，提出了數(shù)字孿生車間系統(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)孿生模型對實(shí)體的映射。后續(xù)將展開對數(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。
原文刊載于《機(jī)械》2021年第3期作者：三峽大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院羅少康，滕文琪
