數字孿生車間系統構建及應用

羅少康，滕文琪

數字孿生車間系統構建及應用

羅少康，滕文琪

（三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

數字孿生技術是實現物理與信息融合的一種有效途徑，是實現工業4.0、中國制造2025、工業互聯網、先進制造伙伴計劃等先進制造方式與戰略的重要手段之一，而車間又是生產制造活動的主要載體。為此，在數字孿生的理論背景下，建立了數字孿生車間總體框架，實現了構建數字孿生車間的三項關鍵技術：車間關鍵要素孿生模型建模方法、車間孿生數據的獲取與傳輸方法、車間虛實結合實時映射模型。最后，通過對車間實際產線進行的數字孿生實現，驗證了所提方案的可行性與正確性，為數字孿生車間的建立提供了技術解決方案。

數字孿生；仿真；孿生模型；實時映射

隨著新一代信息技術（如云計算、物聯網、大數據、人工智能等）的發展，工業4.0[1]、工業互聯網[2]、先進制造伙伴計劃[3]以及中國制造2025[4]等制造模式與戰略先后被各國提出。然而，在實現智能制造的過程中，信息空間與物理空間的交互和共融是一個亟待解決的重要問題，為此提出了數字孿生（Digital Twin，DT）的解決方法[5]。目前，在產品設計[6-7]、設備運維[8-9]、增材制造[10]、生產調度[11]中已經運用了數字孿生技術。

車間是制造活動的主體，數字孿生技術為生產制造過程的智能高效運行提供了一種可行的技術方案。陶飛等[12]提出了數字孿生車間的概念模式，為數字孿生技術的應用和實現提供了理論和方法參考。陳振等[13]提出了涵蓋物理裝配車間、虛擬裝配車間、車間孿生數據及裝配車間服務系統的飛機數字孿生裝配車間架構。王鵬等[14]提出面向數字孿生的動態數據驅動建模與仿真方法，通過隨機有限集對CPS中的物理實體和傳感器進行數據驅動建模。柳林燕等[15]建立了車間生產過程數字孿生系統體系架構，并提出了基于OPC統一架構的車間生產過程物理實體數據獲取方法。

上述研究為數字孿生在生產制造活動方面的應用提供了一定的幫助，但缺少對仿真過程中仿真模型及仿真工具的研究，同時缺少在不改變車間已有物聯感知結構的基礎上實現孿生數據的采集與傳輸方面與孿生模型實時映射方面的解決方案。因此，為實現數字孿生車間，提高生產可視化、智能化，本文在已有研究的基礎上，對數字孿生車間的構建及相關的關鍵技術進行詳細闡述，并通過實際案例進行驗證。

1 數字孿生車間系統體系架構

1.1 體系架構

生產車間是一個多設備、多技術的復雜組織體[16]，在現有理論研究基礎上，本文提出的數字孿生車間總體框架如圖1所示。

圖1 數字孿生車間總體框架

（1）物理實體層

物理實體層是制造車間的主體，主要包括人、機、料、法、環五個大類。人指制造產品的人員，包括操作工人、維修工人等；機指制造產品所用的設備、工裝等輔助生產用具；料指制造產品所使用的物料，包括半成品、原料等用料；法指制造產品所使用的方法，包括工藝指導書、標準工序指引、生產計劃表、檢驗標準、各種操作規程等；環指產品制造過程中所處的環境，包括各種設備的布局，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據組合構成，其中仿真模型是對車間物理實體關鍵物理特征的真實寫照，孿生數據由車間物理實體產生，將仿真模型與孿生數據在邏輯規則下進行結合與匹配，從而形成了孿生模型。

（3）服務層

服務層主要面向用戶，主要負責在孿生數據驅動下為車間服務系統的運行提供相應的支持與服務。

根據上述車間生產過程數字孿生系統的體系結構，為了實現服務層的功能，整個系統的關鍵是實時獲取孿生數據、構建孿生模型和車間物理實體實時映射。

1.2 關鍵技術

（1）車間孿生模型建模

孿生模型的建立需要構建不同領域實體的統一邏輯結構，針對不同類型的物理實體和功能，以及實體產生的數據，構建相應虛擬空間孿生模型。

（2）孿生數據采集與傳輸

車間存在眾多來自不同廠商的各類產品與設備，不同設備的接入方式、數據類型與格式均不相同。為保證孿生模型與物理實體的實時映射，須有安全且穩定的數據采集及傳輸方式。

（3）車間生產過程實時映射

孿生模型對物理實體的實時關鍵動作、關鍵行為和狀態的映射是數字孿生技術的基礎應用。

2 車間關鍵要素孿生模型建模與實現

2.1 車間關鍵要素建模

在生產制造過程中，參與制造活動的關鍵要素分為人員、設備、物料、方法、環境，因此車間生產過程數字孿生模型分別描述為：

＝{,,,,,}

式中：為人員；為人員編號；為人員名稱；為人員當前所在位置；為人員的工種；為人員的技能；為人員的實時狀態。

＝{,,,,,,,,,}

式中：為設備；為設備編號；為設備名稱；為設備型號；為設備類型；為設備尺寸信息；為設備啟停信號；為設備各子節點動作數據；為設備實時加工性能參數；為設備實時狀態；為設備的負荷率。

＝{,,,,,,}

式中：為物料；為產品編號；為產品名稱；為產品型號；為產品當前位置；為產品實時加工工序；為產品下一道加工工序；為產品質量信息。

＝{,,,}

式中：為方法、工藝等；為方法編號；為方法名稱；為方法類型；為方法內容信息。

＝{,,,,}

式中：為環境；為環境編號；為環境名稱；為環境的布局信息；為環境的實時狀態信息；為實時時間。

2.2 車間關鍵要素孿生建模實現

本文通過對車間關鍵要素的分析，劃分了車間生產制造系統各實現領域（人、機、料、法、環），確定了如圖2所示的生產要素建模子對象及其關鍵屬性，以及各子對象相互關聯所需的建模工具。

圖2 孿生模型建模子對象及工具

3 車間物理實體實時數據獲取

工業制造現場存在著大量來自不同廠家及采用不同技術的產品與設備，其接口協議等各不相同。為了解決數字孿生車間中異構設備實時數據的獲取與傳輸問題，需要建立統一的通訊方式。對此，本文開發了輕量化的具有Modbus、Profibus、Pofinet、工業以太網等通訊協議的數據交互軟件，在該軟件的支持下，可在企業原有的物理感知系統架構基礎上，通過與對應設備通訊接口的連接，便可實現與現場控制主機進行通訊、對實時數據進行讀寫等操作。如圖3所示。

4 車間生產過程實時映射

虛擬空間對物理空間的映射是數字孿生車間運行的基礎。實現實時映射后，在虛擬空間中對實時生產狀況的分析與優化將會更加智能化。本文建立的虛實交互映射模型如圖4所示。

圖3 孿生數據的實時獲取、傳輸與存儲

圖4 虛實交互映射模型

5 數字孿生車間系統應用實例

本文以某機加車間為研究對象，其布局、工藝流程如圖5所示。

圖5 生產線工藝流程

（1）孿生模型構建

針對各個作業區設備及人員的屬性及需求建立孿生模型。如圖6所示。

（2）孿生數據實時采集及傳輸

采用數據交互軟件實現對動作信號、狀態信號等數據源的讀取與傳輸。如圖7所示。

（3）實時映射構建

通過建立的數據交互軟件對孿生數據進行實時處理，以驅動孿生模型的實時運行，實現設備、人員、產品等孿生模型狀態與實際生產線的一致。

圖6 孿生模型

6 總結

數字孿生車間作為一種車間運行新模式，對實現工業4.0、工業互聯網、云制造、中國制造2025等先進制造模式和戰略具有重要的推動作用。本文為數字孿生車間的實現提供了方案，提出了數字孿生車間系統架構及技術，提出了孿生模型構建方案，采用的數據交互軟件實現了多源異構數據的獲取與傳輸，同時本文建立的虛實交互映射模型可以有效實現孿生模型對實體的映射。后續將展開對數字孿生服務層的應用研究，利用孿生數據進行生產智能決策等方面的研究工作。

圖7 孿生模型實時數據可視化

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[3]Ben Wang. 制造業的未來——一個新視角[J]. Engineering，2018，4（5）：301-315.

[4]郭朝先，王宏霞. 中國制造業發展與“中國制造2025”規劃[J]. 經濟研究參考，2015，2020（31）：3-13.

[5]陶飛，張萌，程江峰，等. 數字孿生車間——一種未來車間運行新模式[J]. 計算機集成制造系統，2017，23（1）：1-9.

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[8]陳繼文，魏文勝，李鑫，等. 基于數字孿生的工程機械產品健康檢測方法研究[J]. 中國工程機械學報，2020，18（4）：371-376.

[9]譚飏，張宇，劉麗冰，等. 面向動力學特性監測的主軸系統數字孿生體[J]. 中國機械工程，2020（18）：1-9.

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[12]陶飛，劉蔚然，劉檢華，等. 數字孿生及其應用探索[J]. 計算機集成制造系統，2018，24（1）：1-18.

[13]陳振，丁曉，唐健鈞，等. 基于數字孿生的飛機裝配車間生產管控模式探索[J]. 航空制造技術，2018，61（12）：46-50.

[14]王鵬，楊妹，祝建成，等. 面向數字孿生的動態數據驅動建模與仿真方法[J]. 系統工程與電子技術，2020（12）：1-10.

[15]柳林燕，杜宏祥，汪惠芬，等. 車間生產過程數字孿生系統構建及應用[J]. 計算機集成制造系統，2019，25（6）：1536-1545.

[16]Tao F，Zhang M. Digital Twin Shop-floor: A New Shop-floor Paradigm towards Smart Manufacturing[J]. IEEE Access，2017：20418-20427.

Construction and Application of Digital Twin Workshop System

LUO Shaokang，TENG Wenqi

( College of Mechanical and Power Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China )

Digital twin technology is an effective way to realize the integration of physics and information, and one of the important means to realize the advanced manufacturing methods and strategies such as Industry 4.0, Made in China 2025 Plan, Industrial Internet, and Advanced Manufacturing Partnership Program. Also, the workshop is the main carrier of manufacturing activity. Therefore, under the theoretical background of digital twins, the overall framework of digital twin workshops is established, and three key technologies for constructing digital twin workshops are realized: workshop key elements twin modeling method, workshop twin data acquisition and transmission method, workshop VR interaction real-time mapping model. Finally, through the realization of digital twins on the actual production line of the workshop, the feasibility and correctness of the scheme are verified, and a technical solution is provided for the establishment of the digital twin workshop.

digital twin；simulation；twin model；real-time mapping

TH186

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.03.009

1006－0316 (2021) 03－0053－06

2020－08－25

羅少康（1995－），男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向為數字孿生，E-mail：1713130402@qq.com。