基于數(shù)字孿生的前紡絲車間運行架構(gòu)

葉 磊，徐 慧，王 勇，張文琦，魏 星

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

制造業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位不言而喻，一個國家的制造業(yè)水平可以衡量一個國家的綜合實力，以及這個國家的科技創(chuàng)新、社會發(fā)展的程度。我國制造業(yè)一直以成本低廉和產(chǎn)量巨大而著稱。但時代不斷向前邁進，全球的科技發(fā)展速度來到了一個高峰，面對人民的需求日益多樣性，以及各界對低碳制造的呼吁，響應黨對可持續(xù)發(fā)展的號召，新一代信息技術(shù)技術(shù)，比如物聯(lián)網(wǎng)、云計算等都加快了落地應用的速度。制造業(yè)和信息業(yè)從未像如今這么緊密過，各國對出現(xiàn)的新機遇和就業(yè)崗位都在積極應對。德國提出“工業(yè)4.0”計劃，中國提出“中國制造2025”，重心都是在物聯(lián)、智能仿真、工業(yè)大數(shù)據(jù)，都是希望抓住這次改革契機，實現(xiàn)對“智能制造”跨度到“智能智造”。

智能制造是一個多學科、多領(lǐng)域交叉融匯的一個領(lǐng)域，想要在這個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性進展是很有難度的，但是智能制造的規(guī)模如此龐大，一旦改革帶來的效益也是巨量的。數(shù)字孿生是今年來的大熱，它可以實現(xiàn)物理空間和信息空間的實時交互，快速得到多領(lǐng)域的關(guān)注。數(shù)字孿生的重點是將工業(yè)涉及到的產(chǎn)品，從幾何等物理特性到工藝生產(chǎn)等行為特征融入到模型當中，最終達到3D監(jiān)控、遠程運維、指導生產(chǎn)、預測性維護、產(chǎn)品再設(shè)計等眾多功能。一直以來，物理空間和信息空間的互聯(lián)都是仿真的“痛點”，數(shù)字孿生的誕生核心就是要解決這個問題，它是智能制造車間的未來發(fā)展趨勢所在。

對于化纖車間，核心就是落絲生產(chǎn)線，數(shù)字孿生的應用一定可以帶來現(xiàn)有模式的突破。將化纖車間的絲餅、各式各樣的設(shè)備、工藝流程的特性，從物理空間無縫銜接到信息化的虛擬空間，構(gòu)造出一個落絲生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體。生產(chǎn)前，在數(shù)字化模型中模擬優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)問題，預測產(chǎn)量、生產(chǎn)所需的物理人力等資源；生產(chǎn)時，實時交互，跟進生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)后，跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量，對設(shè)備預測維護的時間點。

1 數(shù)字孿生

1.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生是近年來的大熱，2020全球物流技術(shù)大會上，中國物流正式發(fā)布了《數(shù)字孿生供應鏈》白皮書。

數(shù)字孿生（Digital twin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

圖1 前紡絲車間的數(shù)字孿生建模

1.2 數(shù)字孿生的內(nèi)涵

數(shù)字孿生剛剛走進人們視野的時候，普遍的把數(shù)字孿生當做仿真。這是一種片面的解讀，實際上，仿真是數(shù)字孿生的一部分。數(shù)字孿生是由模型和數(shù)據(jù)雙重驅(qū)動，它不僅可以仿真、3D可視化，還可以對產(chǎn)品進行能效檢測、預測故障和維護等等功能。準確來說，數(shù)字孿生不單是物理空間的模型在虛擬空間的展示，更是產(chǎn)品的各類屬性、行為模式等等的完全的映射。

既然都是著重物理世界和數(shù)字世界的高度融合，那么數(shù)字孿生和信息物理系統(tǒng)（CPS）是否重合了呢？答案是否定的。CPS是在2006年由美國的科學界提出，以應對目前的計算機學科和自動化學科不能滿足日益復雜的工程應用，它屬于科學范疇。而數(shù)字孿生是工程應用范疇，是豐富CPS的一個模塊，未來也將會有越來越多的新興技術(shù)來完善CPS。

2 數(shù)字孿生前紡絲車間運行機制

2.1 數(shù)字孿生前紡絲車間的組成

數(shù)字孿生的前紡絲車間主要有四個部分組成：真實物理車間生產(chǎn)線、數(shù)字孿生前紡絲車間生產(chǎn)線、信息系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)。

1）物理生產(chǎn)線

物理前紡絲車間由現(xiàn)實中的操作工人、生產(chǎn)的材料絲餅、運行設(shè)備落卷機器人和卷繞機、環(huán)境中的絲箱和絲箱底座等等，在落卷機器人和絲箱底座多處布置了傳感器，由落卷機器人統(tǒng)一傳到虛擬空間。

真實物理車間的生產(chǎn)線必須具備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的讀取能力，通過無線射頻識別技術(shù)（RFID）、過程控制的對象連接與嵌入技術(shù)（OPC）等技術(shù)采集來自真實物理世界的信息，比如讀取托盤號、掃描絲箱碼等等。利用工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)WiFi技術(shù)，組成完整的車間網(wǎng)絡(luò)，各傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時上傳到車間信息服務(wù)平臺，這就是孿生數(shù)據(jù)的一部分，需要長期存儲在設(shè)備中，用于日后糾錯、分析等用途。智能化的車間，必須實現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備、人、環(huán)境之間的全方位交互。只有這樣才能實現(xiàn)設(shè)備按照計劃和實時調(diào)度命令做出反應。

2）數(shù)字孿生體生產(chǎn)線

數(shù)字孿生前紡絲車間可以使用如今的先進技術(shù)，如VR和AR，結(jié)合傳統(tǒng)的建模軟件，在計算機環(huán)境構(gòu)建物理車間的雙胞胎數(shù)字車間，不只是需要對幾何構(gòu)建，也要對機器的動作、生產(chǎn)車間環(huán)境進行虛擬化映射。全要素鏡像是對生產(chǎn)情況的仿真、模擬、調(diào)整的堅實基礎(chǔ)，也會使得實時監(jiān)控的質(zhì)量更高。但數(shù)字孿生前紡絲車間不適宜太龐大，會拖慢系統(tǒng)的運行以及任務(wù)的下發(fā)等等操作。

真實的鏡像模型需要抓住工藝特點和特征行為參數(shù)，包括但不限于車間布局、生產(chǎn)過程、運輸過程。生產(chǎn)前可以使用數(shù)字孿生前紡絲車間對生產(chǎn)進行模擬，預估產(chǎn)量、預測生產(chǎn)所需成本以及可能出現(xiàn)的故障；生產(chǎn)中可以監(jiān)控實時的生產(chǎn)情況，同時積累生產(chǎn)數(shù)據(jù)，用于優(yōu)化預測模型等等。

3）車間信息服務(wù)系統(tǒng)

生產(chǎn)線的信息系統(tǒng)由紡絲機制造企業(yè)的生產(chǎn)流程過程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）等各種系統(tǒng)共同組成，實時處理傳感器上傳的數(shù)據(jù)，清洗和整理后的數(shù)據(jù)提供于數(shù)字孿生前紡絲車間。該系統(tǒng)主要負責下發(fā)的生產(chǎn)方案、統(tǒng)計和計算數(shù)據(jù)等生產(chǎn)資源，配合真實的物理車間優(yōu)化制造數(shù)據(jù)。

前紡絲車間傳輸任務(wù)給信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)收到后，根據(jù)物理車間的現(xiàn)狀配置生產(chǎn)資源并生成生產(chǎn)計劃，這個計劃下一步傳輸?shù)綌?shù)字孿生前紡絲車間進行仿真和優(yōu)化，生成切合實際的計劃用來執(zhí)行。在生產(chǎn)過程中傳感器不斷收集數(shù)據(jù)，信息服務(wù)系統(tǒng)不間斷處理，實時調(diào)整生產(chǎn)資源、生產(chǎn)計劃。

4）孿生數(shù)據(jù)

真實物理車間和數(shù)字孿生前紡絲車間是相互獨立的，是孿生數(shù)據(jù)將它們銜接在一起。它包括真實物理車間抓取的數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生前紡絲車間模擬運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、以及信息系統(tǒng)運作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。物理車間數(shù)據(jù)涵蓋生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)、落絲車和絲箱的狀態(tài)信息等等。生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)包括不限于，訂單完成情況、絲餅等級以及數(shù)量等。

2.2 數(shù)字孿生車間運行機制

真實車間、虛擬車間、信息系統(tǒng)這三者之間都要實時交互，數(shù)字孿生的前紡絲車間按照如下規(guī)則運行：

1）真實車間和信息系統(tǒng)的交互

前紡絲車間生成任務(wù)后，信息系統(tǒng)對現(xiàn)有資源進行統(tǒng)計，在現(xiàn)有的資源配置下，對訂單任務(wù)生成新的可靠的生產(chǎn)計劃。信息系統(tǒng)實時收到落卷機器人上傳的數(shù)據(jù)，對落卷機器人的接絲能力進行評估，再一次優(yōu)化生產(chǎn)計劃。生產(chǎn)時，信息系統(tǒng)統(tǒng)計絲箱情況，以及落絲率，如果個別絲箱狀態(tài)緊張，信息系統(tǒng)需要對生產(chǎn)方案實時修正，優(yōu)先去接未滿絲箱的品種絲餅。

2）數(shù)字前紡絲車間和信息系統(tǒng)的交互

數(shù)字前紡絲車間根據(jù)現(xiàn)有的模型，包括幾何模型和行為模型，對信息系統(tǒng)下達的生產(chǎn)計劃在數(shù)字世界進行仿真，得到可能出現(xiàn)的生產(chǎn)問題，比如落卷機器人無法滿足需求的情況，比如絲箱滿箱降低效率的情況。信息系統(tǒng)通過數(shù)字前紡絲車間對各個環(huán)間有所準備，當生產(chǎn)任務(wù)無法被滿足的時候，可以及時配備專業(yè)操作工人配合生產(chǎn)度過瓶頸期。

3）物理車間與虛擬車間之間的交互

前紡絲車間執(zhí)行由信息系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計劃。生產(chǎn)過程中，落卷機器人依然實時傳輸數(shù)據(jù)給信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)將后續(xù)的任務(wù)放在數(shù)字前紡絲車間模擬?？偠灾?，物理前紡絲車間和數(shù)字前紡絲車間是實時同步更新的。如果在實時任務(wù)計劃與原計劃出現(xiàn)較大的偏差，則對后續(xù)的生產(chǎn)情況在數(shù)字前紡絲車間生產(chǎn)，如果沒有出現(xiàn)大面積卷繞機產(chǎn)出的絲餅不能及時送往絲箱，新生產(chǎn)計劃則覆蓋原生產(chǎn)計劃。相反，出現(xiàn)生產(chǎn)大面積脫節(jié)的情況，數(shù)字前紡絲車間將結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果選擇性放棄部分卷繞機任務(wù)訂單，選擇有工人部分參與生產(chǎn)，以度過生產(chǎn)瓶頸期，并出現(xiàn)系統(tǒng)預警、資源告急提醒，保證后續(xù)的正常生產(chǎn)。數(shù)字前紡絲車間將不斷根據(jù)物理生產(chǎn)車間完善自身行為模型，不斷提高自身的智能性。

3 數(shù)字孿生前紡絲車間模型架構(gòu)

第二章節(jié)分析了前紡絲車間的各模塊之間的交互，第三章從四層架構(gòu)分析前紡絲車間。

圖3 數(shù)字孿生前紡絲車間的四層架構(gòu)

1）第一層是物理層。由卷繞機、絲箱、落卷機器人、人、絲餅等組成，包含物理實體，同時也包含物理實體的活動。通過優(yōu)化現(xiàn)有的資源配置根據(jù)生產(chǎn)的任務(wù)節(jié)點完成實際的生產(chǎn)加工作業(yè)。該層級最重要的技術(shù)為：異構(gòu)多源多模態(tài)數(shù)據(jù)封裝技術(shù)、分布式協(xié)同控制技術(shù)。建設(shè)的時候需要將各設(shè)備的數(shù)據(jù)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的匯總在一起，便于日后的分析使用。

2）第二層是數(shù)字層，也稱為信息層。為真實的前紡絲車間提供維護生產(chǎn)服務(wù)。對物理層傳上來的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、挖掘和分析。數(shù)字層也還是對孿生數(shù)據(jù)進行存儲和融合的平臺。在數(shù)字層可以清晰地看到生產(chǎn)的實時情況、車間實時的運作情況。在該層，對前紡絲車間進行生產(chǎn)運行的優(yōu)化操作。由于信息量龐大，在必要的時候來確定各數(shù)據(jù)塊之間的關(guān)系，邏輯上更清晰明了，如平行關(guān)系，父子關(guān)系，順序關(guān)系。通過清楚地分類，避免數(shù)據(jù)的重復整理，也便于現(xiàn)場工程師在調(diào)試時，最短時間內(nèi)找到自己想要的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實的前紡絲車間中，監(jiān)控軟件對落卷的狀態(tài)信息進行實時監(jiān)控，同時可查詢以往12個月的落卷歷史記錄，打印報表。而例如落卷機器人和絲箱的手動操作記錄、報警記錄、以及各參數(shù)修改記錄，可以查詢過去6個月的數(shù)據(jù)報表。在信息層，可以追溯到同一個絲箱的具體紡位、落次記錄，并提供篩選查詢方式。為防止數(shù)據(jù)在特殊情況下丟失，前紡絲車間通常配備應急服務(wù)器，它具備數(shù)據(jù)庫異地備份的功能。

3）第三層是模型層。在這一層是對真實的前紡絲車間的鏡像，對各設(shè)備進行幾何建模，也對機器進行行為建模。通過模型層可以看見3D化的車間。通常情況下，使用3d Max進行建模，然后簡化模型，最終在Unity 3D平臺進行渲染，搭建前紡絲車間的環(huán)境，提高最終模型的展示效果。通常對于前紡絲車間的環(huán)境，使用面向?qū)ο竽Ｊ降慕?，這在以后對模型管理方面更加便捷。對于落卷機器人等模型可以使用組件的方式掛載在模型中，對其腳本的代碼修改就可以實現(xiàn)單獨模型快的修改、完善、移除等操作。由于前紡絲車間的3D模型數(shù)量眾多，例如大量的絲箱，多臺落卷機器人的情況，加上在Unity 3D中的材質(zhì)選擇，渲染的環(huán)境等，對運行的服務(wù)器顯卡GPU的要求十分的高。同時，模型需要大量的數(shù)據(jù)驅(qū)動，每個時刻都有龐大的數(shù)據(jù)進行傳輸、計算，對服務(wù)器的中央處理器要求也很高。所以在模型搭建的過程中，不僅要考慮到最終呈現(xiàn)的視覺效果，也需要考慮到現(xiàn)場設(shè)備環(huán)境的因素，所以均衡選擇材質(zhì)、優(yōu)化渲染內(nèi)存，以保證實際的前紡絲車間運行的流暢度。總結(jié)為，既要完善顯示效果，也要確保實時交互的順暢。

4）第四層是應用層。該層對前紡絲車間進行智能排產(chǎn)，對絲餅質(zhì)量進行分析管理。同時，能耗的優(yōu)化也是重中之重，化纖車間對電能等一系列的能源消耗很大，制約了生產(chǎn)成本的降低。在應用層，可以對員工進行集中培訓。最終的應用隨著時間的推移擁有無限可能。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生在前紡絲車間的應用未來是極具吸引力的，助力工業(yè)4.0的實現(xiàn)。本文初步探討了數(shù)字孿生在車間建模和信息處理等理論基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生的建立完善是一個長期且復雜的工作，依賴于各個學科各部門之間的合作。數(shù)字孿生在傳統(tǒng)的仿真的基礎(chǔ)上進行了進一步的“拔高”。數(shù)字孿生的拓展功能也很多，比如遠程運維和預測性維護。當出現(xiàn)難度較大或緊急的問題需要處理時，工程師可以遠程對現(xiàn)場的問題進行處理。結(jié)合對數(shù)據(jù)的分析，可以提前對設(shè)備進行維護，有利于最大限度的提高設(shè)備的使用壽命。除此之外，數(shù)字孿生對產(chǎn)品再設(shè)計等都有很好的促進作用，未來還有很多功能等待去探索。