工業互聯網支持下的數字孿生車間

陸劍峰，王 盛，張晨麟，張 浩

(同濟大學CIMS研究中心，上海 201804)

0 引言

隨著新一代信息技術的發展，如何實現智能制造正成為各國需要解決的問題，而如何實現制造的物理空間和信息空間的數據互聯互通是其中的核心問題之一。數字孿生技術是解決該問題的有效途徑之一。自2016年以來，Gartner公司一直將數字孿生技術作為十大戰略科技發展趨勢之一[1]，王肖景等[2]將數字孿生技術和工業互聯網技術并列為智能制造的七大關鍵技術。本文從數字孿生的產生背景、數字孿生技術及其發展、工業互聯網技術概要和工業互聯網技術對數字孿生車間的構建支持等四方面進行闡述。

1 數字孿生的產生背景

數字孿生就是通過數字化的方式在信息空間創建物理實體的虛擬模型，并利用數據模擬物理實體在現實環境中的行為。通過虛擬模型和物理實體之間的信息融合、數據交互，為物理實體提供更多的優化決策和風險預估[3-7]。

Michael Grieves于2003年提出的“與物理產品等價的虛擬數字化表達”被看作是數字孿生的雛形，其是為了更好地實現產品全生命周期管理[4-5]。但是，由于當時技術不夠支持該概念，且人們的認知有限，其并未得到足夠的關注。數字孿生概念源自美國空軍研究實驗室于2011年提出的計劃，旨在解決未來復雜服役環境下的飛行器維護問題及壽命預測問題[8]。自此，數字孿生這個概念才引起了學者們的注意，并且得到了不斷補充和完善。隨著人們意識到數字孿生技術對于實現物理信息系統的便捷，Rios等[9]提出數字孿生技術不應只是面向飛行器等較為復雜的產品。人們開始思考數字孿生的其他應用方向，因此數字孿生技術被應用到了更為通用的產品上。

數字孿生模型是由物理實體、虛擬模型、孿生數據、服務系統以及相互之間的連接等五個部分組成的五維結構模型[10]。其中模型和數據是數字孿生技術的核心，且孿生數據是實現物理信息融合問題的關鍵之一。只有通過物理空間的數據，才能夠建立虛擬模型，并且驅動其運行。同樣，也只有信息空間的虛擬模型運作后產生的數據，才能夠更好地為物理空間的運作提供更好的決策和風險預估等。數字孿生技術能夠有效地解決信息空間和物理空間信息數據難以融合的問題。

2 數字孿生車間技術及其發展

2.1 數字孿生車間概念及應用

車間是制造業的基礎組成部分，如何實現智能車間是目前關注的熱點，數字孿生車間是實現智能車間的有效方法之一。陶飛等[11-12]提出了數字孿生車間的概念，并且認為數字孿生車間是未來車間發展的新模式，以此來解決物理空間和信息空間交互融合等問題。文獻[11-12]將數字孿生車間分為物理車間、虛擬車間、孿生數據和車間服務系統等四個部分，并對數字孿生車間概念、運行機制及關鍵技術等方面進行了較為全面的闡述。Cunbo Zhuang等[13]基于衛星裝配車間上數字孿生技術的應用模式，提出了其中四個實時獲取、組織和管理物理裝配車間數據關鍵技術，構建裝配車間的數字孿生體，數字孿生技術和大數據驅動下的裝配車間預測及基于數字孿生的裝配車間的生產管理和控制服務。

在整體車間構建方面，Hao Zhang等[14]基于數字孿生技術，提出了一種個性化快速設計生產線方法，同時提出了相關的優化算法和三種可實現的關鍵技術進行技術支持。朱志民等[15]在軌道交通轉向架流水線精益制造中引入了數字孿生車間概念，為其建設提供了理論支持。Jiewu Leng等[16]提出了一種基于數字孿生的信息物理系統，用于大規模、個性化定制的并行控制智能制造車間。陳振等[17]在分析了現有飛機裝配車間的特點和問題后，提出了一種飛機數字孿生裝配車間架構，并對其中的關鍵技術進行了研究。其按照陶飛等提出的數字孿生車間架構，進行了架構劃分。

車間孿生數據是整個系統運作的關鍵，如何實現數據的實時采集和實時傳輸是實現數字孿生車間的重要問題之一。Thomas等[18]進行了關于自學習工廠生產數據的實時采集及仿真數據處理方面的相關研究。Thomas等[19]在多模態數據采集和評估上也進行了相關的研究。Yi Cai等[20]在制造相關的傳感器數據和數據融合等方面進行了數字孿生數據融合相關的理論研究。Roβmann等[21]提出了一種關于3D模型實時數據管理的數據庫架構，能夠為產品的設計制造等提供新的可行性方案。陶飛等[12]對數字孿生車間數據融合、信息融合等方面展開了討論。

數字孿生車間的最終目的是實現對物理車間的運行等方面進行一定的指導，如實現車間監控、物流指導、故障預判、設備維修及設備維修教學等。姜康等[22]通過構建車間虛擬模型、現場實時狀態數據驅動模型，來實現對車間整體狀態監控。文獻[23-25]中，各學者也對設備健康預測、故障定位等方面進行了相關的研究。

對于數字孿生技術，不同企業有著不同的看法，也有著不一樣的研究。西門子公司提出了“數字化雙胞胎(digital twin)”概念[26]，推出了一系列相應的開發軟件，如NX系列，致力于通過幫助企業構建生產系統模型，實現從產品設計到生產過程的全自動化。PTC公司基于數字孿生開發了T-System系統，致力于通過實現物理世界和虛擬世界的連接，為客戶提供產品的售后服務與支持[27]。達索公司通過自開發的軟件3D Experience來實現對產品設計的不斷優化[28]。GE公司通過數字孿生來實現對產品健康狀態和性能的預測[29]。

2.2 虛擬車間、數字化車間、數字孿生車間的比較

目前，智能車間技術已經從原來的物理空間拓展到了信息空間，其間出現了新的車間相關概念。虛擬車間、數字化車間和數字孿生車間比較[30-32]如表1所示。

表1 虛擬車間、數字化車間和數字孿生車間比較

虛擬車間是物理車間在信息空間中的映射，其包括對物理車間全部生產要素的物理刻畫和行為表述，是通過車間現場數據進行驅動的模型，能夠直觀地展現物理車間的運行狀態。數字化車間是數字化、網絡化等技術在車間中的綜合應用，利用數控設備與信息管理系統的集成，實現對生產計劃的控制和執行，以提高系統柔性和設備效率。而數字孿生車間是數字孿生技術在車間中的應用，包含虛擬車間和數字化車間，其主要是通過物理車間和虛擬車間之間的雙向映射交互，利用數字孿生數據驅動數字孿生車間進行迭代優化運行，實現車間的生產和管理的最優。

數字孿生車間既包含了虛擬車間，又包含了數字化物理車間。虛擬車間缺少對實時數據的采集，只能夠虛擬化地表達車間模型，難以對車間的實時狀態進行表達。而數字化車間實現了車間數據的采集，但是由于缺少有效的車間虛擬模型，降低了對數據的利用率，且車間管理系統和物理車間之間難以進行實時的數據交互。數字孿生車間能夠有效地將兩者進行結合，實現信息和物理空間之間的數據融合問題。對于數字孿生車間應用而言，目前所需要解決的問題之一是信息空間和物理空間之間的實時數據傳遞問題，因此在數字孿生車間的構建中加入工業互聯網平臺。通過工業互聯網技術的快速數據傳遞和實時數據處理功能，解決數據交互延遲等問題。

3 工業互聯網技術概述

3.1 工業互聯網技術要素

GE公司于2013年6月提出了工業互聯網戰略隨后于2014年3月聯合AT&T、思科、IBM和英特爾發起了美國工業互聯網聯盟。該聯盟于2015年6月發布了第一版工業互聯網參考架構[33]。2013年1月，美國提出《國家縣級制造創新網絡：初步設計》；2013年4月，德國提出“工業4.0”戰略；2015年5月，中國提出“中國制造2025”； 2015年6月，日本頒布的《2015年版制造業白皮書》等。各國非常重視工業互聯網技術，并將其列為各國的研發重點[34]。工業互聯網等技術開始成為全球討論的熱點，同時各國也開始加大了相關技術的研發，爭取引導和占領相應的市場。

工業互聯網融合了機器學習、大數據、物聯網、通信技術和網絡技術等，工業現場使用傳感器、控制器和數據傳輸技術進行信息數據的快速傳遞，利用邊緣計算等先進數據處理方法對數據進行整合，并將其融入到工業生產現場。通過網絡技術，實現工業生產現場與企業信息系統間信息數據的融合，實現工業一體化，推動實現智能制造[35]。

工業互聯網是由感知識別層(由傳感器和控制器組成)、網絡連接層、云端管理平臺層和數據分析層組成的四層架構[36]。首先，感知識別層進行設備數據獲取。然后，所獲取的數據經由網絡連接層傳遞到平臺匯聚層。最后，數據經過云端平臺進行選取、運算、存儲后，在數據分析層，利用機器學習等算法進行分析，進而轉變成可供系統運行的參考決策。工業物聯網是物聯網在工業上的應用。工業互聯網是物聯網應用中重要的第一步[37]。

在車間范圍內，工業互聯網技術實施是在工業物聯網的基礎上實現，而物聯網的基礎是網絡技術，因此網絡通信技術、信息處理技術和安全技術等也是工業互聯網的關鍵技術。由于其要實現“萬物互聯”，因此低成本、低功率、高精度和高感應速度的傳感器和控制器是實現物聯網技術所必不可少的。但是現有的生產車間設備上部署了一定數量的傳感器，將全部傳感器取代難以實現且成本巨大，因此需要采用設備兼容技術來解決各設備之間通信問題[38-41]。現有設備之間采用現場總線進行通信。Profibus、CAN、DeviceNet和Modbus等協議，已經很好地實現了兼容性問題[41-42]。

3.2 工業互聯網對數字孿生車間的構建支持

實現數字孿生車間技術要求之一是實現實時數據融合問題。工業互聯網技術通過物聯網等技術來實現萬物互連，并通過邊緣計算有效地解決車間生產的實時性和可靠性。物理車間通過傳感層將數據通過網絡層傳遞到應用層進行數據處理等，最后傳遞到虛擬車間。同樣在虛擬車間中的仿真結果也可以反方向作用到物理車間，通過網絡層中數據快速傳遞能力、結合計算機的強大計算能力，最后實現了物理車間和虛擬車間的實時同步[43]。車間服務系統物理車間和虛擬車間之間大量的信息數據通過網絡層也可以實現快速傳遞。

目前，各學者提出了一系列實現信息物理空間數據傳輸的車間技術。屈挺等[44]在對企業目前所面臨的生產系統與物流系統之間的聯動運作問題進行分析后，基于數字孿生技術，提出了一種物聯網驅動的多環節聯動運作機制。盧陽光等[45]設計了一種基于工業物聯網的汽車工業敏捷規劃仿真模型。通過與傳統的規劃方法比較，證實了其有效性和高效性。該模型推動了工業物聯網技術和數字孿生技術同實際生產的結合。丁凱等[46]發明了一種基于數字孿生技術的車間智能制造系統，其構建了智能車間制造物聯網，能夠實現數據信息傳遞的實時性。

工業互聯網所謂的“萬物互聯”不僅是物理實體之間的相互聯接，而且是物理空間和信息空間的相互聯接[47-48]，同樣也包含信息空間之間的聯接。對數字孿生車間內部結構而言，數字孿生技術的應用需要物聯網技術的支持。數字孿生技術最后需要實現的是信息空間和物理空間之間的交互融合，而需要達到該目標就必須需要實現信息數據快速處理和傳輸的低延時，甚至可以忽略延時。數字孿生技術中虛擬模型是根據物理空間數據進行創建，其驅動需要實時的物理空間數據的傳遞[48-49]。對于數字孿生車間的外界交互而言，工業互聯網技術能夠幫助多平臺數字孿生車間、車間和用戶之間實現數據的交互，從而實現真正的萬物互聯。從這兩方面來看，數字孿生技術的實現離不開工業互聯網技術的支持，而且數字孿生技術的實現也會促進工業互聯網技術的發展和應用推廣。

4 結束語

數字孿生車間能夠很好地解決信息空間和物理空間之間的數據信息融合問題，但是現有的數字孿生車間技術只能夠在理論方面進行完善，主要問題是現有的信息技術難以滿足其部署要求。隨著數字孿生技術在車間中的運用，數字孿生車間必然成為未來智能車間的一種重要的實現方式。

從模型的角度來看，通過各企業推出的虛擬模型構建的軟件生成的模型，其定義格式之間相互不兼容，且各企業對于數字孿生技術的應用各有所側重。如何實現各軟件格式之間的兼容性將解決目前大企業各自發展、小企業難以發展的局面。

從數據傳輸和工業互聯網角度來看，目前工業互聯網多使用有線傳輸，但是無線更適合變化的工業生產現場環境。傳感器技術將進一步配合無線傳輸的發展，5G無線技術將加快發展速度和部署進度，實現孿生車間中數據低延時和高可靠性[50]。

從車間服務系統來看，像PLM、MES等車間管理系統的應用將會不斷地加大部署，并且從基于工業互聯網平臺向云服務平臺發展，以增加服務系統的靈活性和輕便性。