工廠(chǎng)數字孿生系統的特點(diǎn)

1 多領(lǐng)域數字孿生系統交互特征

在制造數字孿生生態(tài)系統中，一個(gè)工廠(chǎng)數字孿生系統和產(chǎn)品數字孿生系統、供應鏈數字孿生系統相互獨立且交互，共同形成制造數字孿生生態(tài)，而工廠(chǎng)數字孿生系統本身也可以看作是包括了產(chǎn)品數字孿生系統、工廠(chǎng)數字孿生系統的數字孿生生態(tài)，同時(shí)也和供應鏈上其他數字孿生系統實(shí)現互動(dòng)。不同數字孿生系統之間的集成和演化共同形成了智能制造系統能力。

2 數據-知識混合驅動(dòng)服務(wù)特征

知識服務(wù)是融入用戶(hù)之中并貫穿于用戶(hù)決策過(guò)程的服務(wù)，智能工廠(chǎng)數字孿生系統需要將系統服務(wù)以最便捷、最直觀(guān)的形式提供給用戶(hù)，并直接與用戶(hù)交互。智能工廠(chǎng)中全面感知的制造數據連接著(zhù)生產(chǎn)過(guò)程與生產(chǎn)決策，并通過(guò)生產(chǎn)大數據的分析與統計、信息的邏輯建模驅動(dòng)生產(chǎn)決策的生成可以有效地提高生產(chǎn)管控能力、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，需要滿(mǎn)足智能工廠(chǎng)數字孿生系統中“物理資源一模型一數據一知識一服務(wù)”多層級映射關(guān)系以及數據一知識混合驅動(dòng)服務(wù)機制來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)大規模定制化服務(wù)的需求。

3 服務(wù)驅動(dòng)管理特征

生產(chǎn)任務(wù)的動(dòng)態(tài)變化、生產(chǎn)/物流任務(wù)目標/約束多樣性、生產(chǎn)要素不齊套、生產(chǎn)能力限制等會(huì )導致智能工廠(chǎng)制造能力和質(zhì)量的不穩定。因此工廠(chǎng)數字孿生系統需要形成制造運行管理過(guò)程中所需的智能服務(wù)，并需要進(jìn)一步進(jìn)行服務(wù)融合來(lái)滿(mǎn)足智能生產(chǎn)、精準管控等實(shí)際需求。工廠(chǎng)數字孿生系統服務(wù)融合與協(xié)同應形成“服務(wù)動(dòng)態(tài)調度機制→服務(wù)匹配組合→服務(wù)組合可靠性評估”層級反饋關(guān)系。同時(shí)智能工廠(chǎng)受生產(chǎn)能力限制，需借助工廠(chǎng)數字孿生系統與外部制造系統提供的制造服務(wù)進(jìn)行配置與交互。

4 柔性特征

工廠(chǎng)數字孿生系統內的資源、信息和服務(wù)在時(shí)間和空間上具有動(dòng)態(tài)演變特性，同時(shí)，面向大規模定制化服務(wù)，以及系統故障等擾動(dòng)，都會(huì )對生產(chǎn)系統的柔性提出新的要求。當發(fā)生需求變化等各類(lèi)擾動(dòng)時(shí)，工廠(chǎng)數字孿生系統內的資源流與信息流都需要快速地、高效地調整運行，保證數字孿生系統提供的服務(wù)與客戶(hù)需求動(dòng)態(tài)匹配。

5 人機-物-信息協(xié)同共融特征

CPS和數字孿生技術(shù)是智能制造系統重要使能技術(shù)，CPS目的是使得信息空間和物理空間完美映射和深度融合以實(shí)現個(gè)性化產(chǎn)品制造過(guò)程中實(shí)時(shí)仿真和管理智能化。在復雜產(chǎn)品的智能工廠(chǎng)中，完全無(wú)人化的制造過(guò)程難以實(shí)現。充分利用人的感知能力和學(xué)習能力，“人在復雜制造環(huán)節”中可以充當機器難以實(shí)現的智能車(chē)間執行環(huán)節。人感知到的信息、決策思維以及執行能力作為智能車(chē)間中增強部分，發(fā)揮著(zhù)不可或缺的作用，最終實(shí)現智能工廠(chǎng)中“人-機物-信息”協(xié)同共融。人-信息物理的關(guān)系框架如圖1所示。

數字孿生技術(shù)構建了智能制造工廠(chǎng)中物理實(shí)體與數字孿生虛體之間的虛實(shí)映射，并通過(guò)數字孿生建模、數據接口通信、實(shí)時(shí)同步仿真、智能決策優(yōu)化以及實(shí)時(shí)主動(dòng)控制這一閉環(huán)執行邏輯，實(shí)現數據-知識混合驅動(dòng)的智能制造空間自治管控。實(shí)時(shí)同步仿真是實(shí)現智能決策與主動(dòng)控制的核心，通過(guò)多學(xué)科、多物理量、多模態(tài)、多尺度、多概率仿真模型結合來(lái)自真實(shí)物理空間中的狀態(tài)、事件、行為等數據進(jìn)行仿真，并將仿真結果導入智能決策模型進(jìn)行綜合評價(jià)、優(yōu)化與預測，以生成控制指令與決策信息用于物理實(shí)體的實(shí)時(shí)主動(dòng)控制。因此，數字孿生技術(shù)是智能工廠(chǎng)支撐物理空間、信息空間與業(yè)務(wù)交互空間泛在融合的核心使能技術(shù)。

工廠(chǎng)數字生系統的總體架構

參考數字孿生系統的通用結構，結合工廠(chǎng)數字孿生系統的特點(diǎn)，其總體架構如圖2所示。工廠(chǎng)數字孿生系統包括智能實(shí)體工廠(chǎng)、工廠(chǎng)數字孿生體和孿生服務(wù)系統，工廠(chǎng)數字孿生體由虛擬工廠(chǎng)和數字孿生引擎組成。

實(shí)體工廠(chǎng)是實(shí)際存在的工廠(chǎng)，包括車(chē)間、生產(chǎn)線(xiàn)、在制品、產(chǎn)品、人員等。實(shí)體工廠(chǎng)需要有數字接口，能及時(shí)采集各類(lèi)運行數據上傳給數字孿生體，并且具有一定智能化執行功能，能接受數字孿生體發(fā)送來(lái)的控制指令進(jìn)行優(yōu)化運行。

虛擬工廠(chǎng)，是指工廠(chǎng)相關(guān)的數字模型以及相關(guān)的信息系統。智能工廠(chǎng)的運行離不開(kāi)信息系統的驅動(dòng)，信息系統完成了工廠(chǎng)各級管理、運行控制功能，因此，智能工廠(chǎng)是一個(gè)信息物理系統(CPS)。工廠(chǎng)相關(guān)數字模型，除了工廠(chǎng)數字模型(工廠(chǎng)DMU)外，還包括產(chǎn)品數字模型和管理模型，這些模型是工廠(chǎng)運行所必需的。其他模型包括智能工廠(chǎng)監控所需要的如環(huán)境控制、能源管理、安全防護等方面的模型。

數字孿生引擎是連接物理工廠(chǎng)和虛擬工廠(chǎng)，形成數字孿生系統，并提供基于數字孿生高級服務(wù)功能的軟件平臺，因此也是數字孿生體的一個(gè)部分。工廠(chǎng)數字孿生引擎包括數據融合、模型融合兩個(gè)基本部分，通過(guò)模型和數據的融合，實(shí)現系統自組織、自調節、自更新、自?xún)?yōu)化的智能功能，以及工廠(chǎng)運行管控等實(shí)時(shí)監控功能并且對產(chǎn)品數字孿生體進(jìn)行更新。

工廠(chǎng)的智能功能主要從三個(gè)方面體現:系統自組織、系統自調節/自更新以及系統自?xún)?yōu)化，其中系統自組織包括客戶(hù)訂單需求解析、供應鏈評估優(yōu)化、生產(chǎn)/物流計劃生成和生產(chǎn)仿真；系統自調節/自更新包括工廠(chǎng)多層次監控、動(dòng)態(tài)調度策略更新、基于模型自更新等；系統自?xún)?yōu)化包括基于知識的數據分析、模型訓練與優(yōu)化以及動(dòng)態(tài)調度策略與方法。智能功能經(jīng)過(guò)服務(wù)演化和封裝發(fā)布到應用終端，與用戶(hù)進(jìn)行最直觀(guān)的交互。

工廠(chǎng)數字孿生服務(wù)系統，是基于數字孿生引擎提供的包括供應鏈管理、設計優(yōu)化等功能的服務(wù)，是工廠(chǎng)數字孿生系統所具有的外在功能接口。通過(guò)服務(wù)的形式向外發(fā)布，并且支持各類(lèi)應用的開(kāi)發(fā)和運行。智能工廠(chǎng)數字孿生系統服務(wù)包括：供應鏈管理、產(chǎn)品裝配優(yōu)化及指導、產(chǎn)品質(zhì)量控制、實(shí)時(shí)物流規劃及配送指導、能效優(yōu)化等服務(wù)，參與到工廠(chǎng)的管理系統中，有效地、智能地驅動(dòng)工廠(chǎng)管理。而隨著(zhù)AR/VR/MR等技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)應用的普及，通過(guò)基于新技術(shù)的人機交互服務(wù)，可以便于數字孿生應用系統提供更高級的人機交互接口，能讓人更方便、精準地參與到制造活動(dòng)中，實(shí)現智能工廠(chǎng)中“人-機-物-信息”協(xié)同共融。

需要說(shuō)明的是，“工廠(chǎng)”是一個(gè)比較寬泛的名詞，工廠(chǎng)的規模、組成差別很大，因此，圖2給出的只是一個(gè)工廠(chǎng)數字孿生系統的通用參考架構，不同的工廠(chǎng)根據其自身特點(diǎn)，會(huì )有不同。

相對工廠(chǎng)的復雜來(lái)說(shuō)，車(chē)間規?？煽?。因此，“車(chē)間數字孿生系統”是在工程實(shí)施中比較好的應用切入口。車(chē)間數字孿生系統的架構可以參考圖2來(lái)設計只是在車(chē)間數字孿生系統中，ERP、PLM等系統都算作外在系統，相互關(guān)系可以參考圖3。

來(lái)源：數字孿生體實(shí)驗室