面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型構(gòu)建方法

施佳宏，劉曉軍+，劉庭煜，陶 飛，胡天亮，孫 錚，徐 俊，戚慶林，5，黃佳圣，朱銘浩，岳士超

(1.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院數(shù)字孿生研究組，北京 100191；3.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；4.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；5.香港理工大學(xué) 工業(yè)與系統(tǒng)工程系，香港 999077)

0 引言

制造業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是我國經(jīng)濟(jì)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型升級(jí)”的主要戰(zhàn)場[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化、定制化發(fā)展的趨勢(shì)越來越明顯，為了適應(yīng)目前多品種、中小批量的產(chǎn)品需要，柔性生產(chǎn)線(Flexible Manufacturing Line, FML)應(yīng)運(yùn)而生[2]，特別是在航空、航天、雷達(dá)制造等行業(yè)，由于產(chǎn)品零件自身的結(jié)構(gòu)特征和科研生產(chǎn)任務(wù)的性質(zhì)，其零件制造呈現(xiàn)出品種多、批量小、周期短等離散型生產(chǎn)模式的特性[3]，導(dǎo)致生產(chǎn)線頻繁變動(dòng)。為確保改造后的生產(chǎn)線能夠滿足生產(chǎn)需求，產(chǎn)前規(guī)劃是改造前必不可少的步驟。生產(chǎn)線仿真關(guān)注生產(chǎn)規(guī)劃[4]這一環(huán)節(jié)，利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線的布局、工藝路徑、物流等進(jìn)行預(yù)規(guī)劃。從實(shí)際的物理生產(chǎn)過程來看，生產(chǎn)線仿真是實(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)線和預(yù)測產(chǎn)能的重要決策依據(jù)[5]。

國外對(duì)生產(chǎn)線仿真技術(shù)的研究起步較早，目前已經(jīng)成熟，在歐美等國家和地區(qū)，生產(chǎn)線仿真軟件已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、造船等領(lǐng)域的生產(chǎn)規(guī)劃[6]，在工廠仿真領(lǐng)域主要有美國的Flexsim[7]、西門子公司的Plant Simulation[8]和芬蘭的Visual Components[9]等。近年來，國內(nèi)的專家學(xué)者也對(duì)生產(chǎn)線仿真軟件的不同層面進(jìn)行了研究，戴曉明等[10]較早開始研究生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真，采用Visual C++和Visual Basic開發(fā)了DEDS Sim軟件，但僅應(yīng)用于某一煉鋼連鑄離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；胡明明等[11]針對(duì)鋼材加工生產(chǎn)的復(fù)雜管理問題，研究設(shè)計(jì)了面向鋼材加工作業(yè)的離散生產(chǎn)仿真軟件；何駿等[12]采用面向?qū)ο蟮姆椒?，通過定義事件類來封裝底層邏輯功能，提供了實(shí)現(xiàn)離散事件通用仿真平臺(tái)的新思路，但其事件類的定義不夠完善。相比國外，國內(nèi)對(duì)生產(chǎn)線仿真技術(shù)的研究起步較晚，研究工作開展得比較分散，尚未形成成熟的通用化生產(chǎn)線仿真平臺(tái)。

目前所用仿真技術(shù)的仿真過程基本獨(dú)立于物理世界，缺少刻畫和反映物理車間中生產(chǎn)線行為、規(guī)則、約束等信息的模型[13]。近年發(fā)展的通過數(shù)字孿生(digital twin)技術(shù)溝通物理世界與信息世界的理論，對(duì)提升生產(chǎn)線仿真技術(shù)有重要作用[14]。數(shù)字孿生用于實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬空間之間的互聯(lián)互通，數(shù)字孿生模型間可交互的特性能夠有效聯(lián)通生產(chǎn)車間[15]，為提高仿真的逼近性提供了新思路。柳林燕等[16]認(rèn)為數(shù)字孿生技術(shù)為車間生產(chǎn)過程的高效運(yùn)行提供了一種技術(shù)手段，其中數(shù)字孿生模型是數(shù)字孿生技術(shù)的核心，是對(duì)生產(chǎn)線現(xiàn)場的實(shí)體映射。數(shù)字孿生建模是通過虛擬模型存儲(chǔ)和管理相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體在虛擬空間的數(shù)字化重現(xiàn)[17]；VRABI等[18]提出數(shù)字孿生模型是通過共享數(shù)字空間來定義模型間的行為交互及相互關(guān)系；SCHLEICH等[19]通過構(gòu)建一種展現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字孿生模型，指出構(gòu)建有效數(shù)字孿生的核心是準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的模型；NEGRI等[20]提出將制造系統(tǒng)中模型的具體行為與核心仿真分開，用于靈活啟動(dòng)數(shù)字孿生模型的特定行為；陶飛等[21]指出虛擬車間的本質(zhì)是模型的集合，數(shù)字孿生模型包括要素、行為、規(guī)則3個(gè)層面，是對(duì)物理車間的數(shù)字化重建，可以真實(shí)地反映物理世界。雖然在專家學(xué)者的廣泛研究下，將數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用于生產(chǎn)車間建模的理論知識(shí)和技術(shù)研究已經(jīng)得到極大拓展，但是目前對(duì)數(shù)字孿生模型的研究處于全要素信息抽象階段，尚未對(duì)專業(yè)領(lǐng)域中數(shù)字孿生模型的構(gòu)建過程進(jìn)行研究，尤其是用于生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生模型的建立。

本文基于數(shù)字孿生模型的幾何、物理、行為、規(guī)則4個(gè)層面，對(duì)面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型的構(gòu)建方法進(jìn)行研究。首先，將物理實(shí)體抽象為數(shù)字空間中集幾何、物理、生產(chǎn)行為和仿真規(guī)則于一體的數(shù)字孿生邏輯模型；然后，從單一模型加工運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換和多模型協(xié)同運(yùn)行仿真的角度，詳細(xì)闡述模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)——有限狀態(tài)機(jī)制下的生產(chǎn)行為以及模型間仿真規(guī)則的行為信息傳遞規(guī)則、同步推進(jìn)規(guī)則、互斥優(yōu)先規(guī)則；最后，設(shè)計(jì)并開發(fā)了通用的生產(chǎn)線仿真原型系統(tǒng)，通過對(duì)某藥廠包裝線進(jìn)行生產(chǎn)仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)組成架構(gòu)

生產(chǎn)過程是一個(gè)涉及多技術(shù)、多維度的復(fù)雜物理過程，在滿足生產(chǎn)線仿真需求的前提下，將生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)劃分為物理實(shí)體層、數(shù)字孿生模型層和系統(tǒng)功能層，如圖1所示。其中，物理實(shí)體層指“人—機(jī)—物—料”等客觀存在的實(shí)體集合，負(fù)責(zé)執(zhí)行車間生產(chǎn)活動(dòng)，并提供物理空間的數(shù)據(jù)信息；數(shù)字孿生模型層是物理實(shí)體層的真實(shí)映射，數(shù)字孿生模型間相互關(guān)聯(lián)協(xié)作，對(duì)物理空間中的各類生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行仿真分析；系統(tǒng)應(yīng)用層中，生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)與各智能制造信息系統(tǒng)進(jìn)行服務(wù)融合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃仿真、設(shè)備效率分析和生產(chǎn)流程優(yōu)化等功能。

物理實(shí)體空間中，與生產(chǎn)線相關(guān)的制造資源包括制造設(shè)備、操作人員、物料和環(huán)境，通過其交互運(yùn)作完成各類生產(chǎn)任務(wù)。傳統(tǒng)的虛擬仿真技術(shù)往往針對(duì)具體場景下的單一目標(biāo)進(jìn)行設(shè)備模型、人員模型、物料模型和環(huán)境模型的獨(dú)立建模[14]，難以滿足制造資源在存在形式和業(yè)務(wù)流程上的多維度和多層次融合，無法完整真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際加工生產(chǎn)過程。生產(chǎn)線仿真過程中，孿生模型面對(duì)不同類型和多樣化功能的物理實(shí)體，需要建立統(tǒng)一的邏輯結(jié)構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)建數(shù)字空間中的數(shù)字孿生邏輯模型。本文根據(jù)陶飛等[22]提出的“幾何—物理—行為—規(guī)則”多維度數(shù)字孿生模型，對(duì)生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型構(gòu)建方法展開研究。利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行物理實(shí)體設(shè)備的虛擬空間建模，通過構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字孿生邏輯模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造資源從物理空間向數(shù)字空間的多維度映射，其中包括幾何、物理屬性對(duì)物理空間中制造設(shè)備的幾何數(shù)據(jù)和物理特征的映射，生產(chǎn)行為對(duì)制造設(shè)備的狀態(tài)變化、產(chǎn)品形態(tài)變化等行為的映射，以及仿真規(guī)則對(duì)物理空間設(shè)備運(yùn)行和演化規(guī)律的映射。因此，面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型是在數(shù)字空間中從幾何參數(shù)、物理屬性、生產(chǎn)行為和仿真規(guī)則4個(gè)維度對(duì)生產(chǎn)制造資源進(jìn)行描述的抽象模型。

2 數(shù)字孿生邏輯模型的構(gòu)建

面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型的構(gòu)建過程如圖2所示。首先，以物理生產(chǎn)線中的實(shí)體為基礎(chǔ)，提取生產(chǎn)過程中物理實(shí)體的尺寸信息、車間布局設(shè)計(jì)和實(shí)體加工方式等生產(chǎn)信息，作為數(shù)字孿生邏輯模型的幾何參數(shù)和物理屬性；然后，根據(jù)物理實(shí)體在實(shí)際生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的生產(chǎn)行為，構(gòu)建基于事件驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，使數(shù)字孿生邏輯模型具有行為特征、響應(yīng)機(jī)制，以及進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能力；最后，在幾何屬性、物理屬性和生產(chǎn)行為的基礎(chǔ)上，建立生產(chǎn)物理實(shí)體的數(shù)字孿生邏輯模型的仿真規(guī)則，通過制定模型間的同步推進(jìn)規(guī)則和互斥優(yōu)先規(guī)則，利用邏輯管道將仿真過程中產(chǎn)生的行為信息傳遞給相關(guān)聯(lián)的模型，從而使各類模型設(shè)備具備演化、運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。

物理實(shí)體主要包括加工設(shè)備、自動(dòng)導(dǎo)引小車(Automated Guided Vehicle，AGV)、倉庫、傳送帶、上/下料機(jī)、物料產(chǎn)品等，從實(shí)際生產(chǎn)層面來看，不同物理實(shí)體設(shè)備通過不同行為動(dòng)作進(jìn)行不同加工工藝，最終完成產(chǎn)品加工；然而從生產(chǎn)線仿真層面來看，由于忽略了生產(chǎn)加工動(dòng)作，同一類型的制造設(shè)備具有相似的屬性信息，實(shí)現(xiàn)相同的行為功能，即每一類模型是所有實(shí)現(xiàn)相同邏輯功能的物理實(shí)體設(shè)備的抽象。針對(duì)生產(chǎn)線仿真層面，數(shù)字孿生邏輯模型的構(gòu)建方法是可重復(fù)利用的通用化孿生模型構(gòu)建方法，其中每一個(gè)數(shù)字孿生邏輯模型是某一類生產(chǎn)制造設(shè)備在數(shù)字空間的具象化表達(dá)。因此，面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型是將邏輯上完成相似功能的物理實(shí)體進(jìn)行歸類處理，抽象化各類實(shí)體制造設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)過程中的幾何參數(shù)、物理屬性、生產(chǎn)行為和仿真規(guī)則，從而構(gòu)建生產(chǎn)要素?cái)?shù)字孿生邏輯模型(Twin Logical Model,TLM)。

面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型是數(shù)字空間中實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體及過程的屬性、方法、行為等特性的數(shù)字化建模，具備在實(shí)際生產(chǎn)過程中對(duì)人、機(jī)、物、環(huán)境等生產(chǎn)車間物理實(shí)體進(jìn)行尺寸、位置描述的幾何屬性(Geometric Properties, GP)，對(duì)設(shè)備加工方式、狀態(tài)進(jìn)行顯示的物理屬性(Physical Properties,PP)，對(duì)生產(chǎn)車間行為的順序性、聯(lián)動(dòng)性進(jìn)行刻畫的生產(chǎn)行為(Production Behavior,PB)以及根據(jù)車間運(yùn)轉(zhuǎn)和演化規(guī)律建立的仿真規(guī)則(Simulation Rule, SR)。因此，將面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型描述為

TLM={GP,PP,PB,SR}。

在面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型中，幾何屬性用于描述生產(chǎn)要素物理實(shí)體在數(shù)字空間中幾何參數(shù)的映射，對(duì)數(shù)字空間中孿生模型的布局安排、物流路徑、加工流程起作用，其中包括用于生產(chǎn)車間物理實(shí)體的幾何尺寸和幾何形狀描述，用于物流路徑的幾何位置描述，以及用于記錄生產(chǎn)過程中與當(dāng)前模型加工工序相鄰的生產(chǎn)要素信息的前驅(qū)模型集和后續(xù)模型集。幾何屬性描述為

GP={GS,GSA,GPT,PMS,BMS}。

式中：GS為幾何尺寸；GSA為幾何形狀；GPT為幾何位置； PMS為前驅(qū)模型集；BMS為后續(xù)模型集。

在面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型中，物理屬性用于認(rèn)證生產(chǎn)要素邏輯模型在邏輯空間中的身份信息，并還原實(shí)際生產(chǎn)要素的部分加工參數(shù)，主要包括類型編號(hào)、要素名稱、物理參數(shù)和生產(chǎn)加工狀態(tài)。其中：類型編號(hào)是所有生產(chǎn)要素?cái)?shù)字孿生邏輯模型的標(biāo)識(shí)；要素名稱用于區(qū)分同一種制造設(shè)備抽象模型的不同數(shù)字孿生邏輯模型；物理參數(shù)主要包括傳輸速度、切削力、最大容量等數(shù)據(jù)，不同數(shù)字孿生邏輯模型的物理參數(shù)不同；生產(chǎn)加工狀態(tài)為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不同時(shí)刻的狀態(tài)。物理屬性描述為

PP={TPID,Name,PPSEq,MSS}

式中：TPID為類型編號(hào)；Name為數(shù)字孿生邏輯模型名稱；PPSEq為不同類型生產(chǎn)要素的物理參數(shù)；MSS為模型狀態(tài)集。

在面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型中，生產(chǎn)行為指在外部指令激勵(lì)下，生產(chǎn)資源產(chǎn)生的相應(yīng)動(dòng)作的抽象，主要包括制造設(shè)備抽象模型的計(jì)時(shí)器信息，以及完成加工、達(dá)到最大裝載容量等相關(guān)消息。其中：計(jì)時(shí)器信息記錄每個(gè)數(shù)字孿生邏輯模型進(jìn)入仿真和結(jié)束仿真的時(shí)刻，以及仿真過程中的時(shí)間；事件為觸發(fā)條件，用于觸發(fā)仿真過程中生產(chǎn)行為的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。生產(chǎn)行為描述為

PB={IST,OST,CST,PDS,MESEq}。

式中：IST為進(jìn)入仿真的時(shí)刻；OST為結(jié)束仿真的時(shí)刻；CST為當(dāng)前仿真時(shí)間；PDS為當(dāng)前生產(chǎn)制造設(shè)備的加工狀態(tài)；MESEq為不同數(shù)字孿生邏輯模型的相關(guān)消息。

在面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型中，仿真規(guī)則是生產(chǎn)要素在生產(chǎn)過程中的所有事件運(yùn)轉(zhuǎn)過程的抽象封裝。當(dāng)實(shí)例化模型接收到消息時(shí)，從邏輯事件響應(yīng)列表中選擇與其對(duì)應(yīng)的事件響應(yīng)進(jìn)行處理。仿真規(guī)則實(shí)現(xiàn)了孿生模型間的可交互特性，有效聯(lián)通了生產(chǎn)線中的不同模型，是數(shù)字孿生邏輯模型動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心。仿真規(guī)則主要包括生產(chǎn)要素的所有生產(chǎn)行為抽象和邏輯仿真所需的輔助事件響應(yīng)。仿真規(guī)則描述為

SR={LBEEq,AER}。

式中：LBEEq是不同制造設(shè)備的事件響應(yīng)抽象；AER是輔助事件響應(yīng)。

3 數(shù)字孿生邏輯模型的生產(chǎn)行為

生產(chǎn)行為是實(shí)際生產(chǎn)加工資源的行為抽象，因?yàn)檫壿媽用婧雎粤藢?shí)際制造設(shè)備的加工動(dòng)作，所以物理實(shí)體的數(shù)字孿生邏輯模型主要通過生產(chǎn)行為描述生產(chǎn)過程中相應(yīng)要素的行為狀態(tài)。根據(jù)ROCHA等[23]將UML序列圖擴(kuò)展繪制成有限狀態(tài)機(jī)(Finite State Machine，F(xiàn)SM)的過程，本文通過有限狀態(tài)機(jī)對(duì)數(shù)字孿生邏輯模型內(nèi)部行為和外部輸入事件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移進(jìn)行建模，描述模型在其生命周期內(nèi)經(jīng)歷的有限狀態(tài)序列，以及抽象模型因外部事件觸發(fā)狀態(tài)改變的所有情況。

單一生產(chǎn)制造加工設(shè)備在某道加工工序過程中共有空閑待機(jī)、正常作業(yè)和阻塞等待3種生產(chǎn)狀態(tài)。其中：空閑待機(jī)指物料還未進(jìn)入制造設(shè)備時(shí)的待機(jī)狀態(tài)；正常作業(yè)指物料進(jìn)入制造設(shè)備后的加工狀態(tài)；阻塞等待指物料完成加工后未被及時(shí)取出時(shí)的等待狀態(tài)。然而，僅通過這3種基本狀態(tài)無法保證邏輯仿真的正確性，因此邏輯模型引入完成加工這一輔助仿真狀態(tài)。完成加工是瞬時(shí)狀態(tài)，邏輯模型完成加工任務(wù)后將進(jìn)入該狀態(tài)，做出簡單的事件響應(yīng)后立刻轉(zhuǎn)換為基本狀態(tài)。通過有限狀態(tài)機(jī)構(gòu)建的加工設(shè)備模型生產(chǎn)行為的有限狀態(tài)模型如圖3所示，其中qi為模型狀態(tài)，ei為觸發(fā)事件，δi為事件響應(yīng)動(dòng)作。

根據(jù)表1中狀態(tài)、事件、動(dòng)作和轉(zhuǎn)換的定義，加工設(shè)備有限狀態(tài)模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如下：

表1 狀態(tài)、事件和動(dòng)作

(1)當(dāng)仿真時(shí)間到達(dá)加工設(shè)備模型所設(shè)置的仿真進(jìn)入時(shí)間e1時(shí)，加工設(shè)備模型進(jìn)入邏輯仿真空間δ1，其初始狀態(tài)為空閑待機(jī)狀態(tài)q1。

(2)當(dāng)物料模型的實(shí)例化對(duì)象到達(dá)指定加工位置e2時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，加工設(shè)備實(shí)例化對(duì)象進(jìn)入正常作業(yè)狀態(tài)q2，并開始對(duì)物料進(jìn)行加工δ2。

(3)當(dāng)加工時(shí)間到達(dá)設(shè)置的加工時(shí)長e3時(shí)，加工設(shè)備模型結(jié)束加工任務(wù)δ3，并發(fā)送加工任務(wù)完成信號(hào)δ4，此時(shí)加工設(shè)備模型進(jìn)入完成加工狀態(tài)q3，若此時(shí)能夠直接取出加工完成的物料e4，則加工設(shè)備模型進(jìn)行卸料操作δ5，返回至空閑待機(jī)狀態(tài)q1，等待下一個(gè)加工任務(wù)到來；若當(dāng)前無法直接取出加工完成的物料e5，則加工設(shè)備實(shí)例化對(duì)象進(jìn)入阻塞等待狀態(tài)q4，直到取出加工完成的物料e4，加工設(shè)備模型卸料δ4并返回至空閑待機(jī)狀態(tài)q1。

4 數(shù)字孿生邏輯模型的仿真規(guī)則

在實(shí)際生產(chǎn)線加工過程中，各類制造設(shè)備通過中控系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)度指令完成各自的生產(chǎn)任務(wù)并進(jìn)行相應(yīng)的信息反饋。然而，在生產(chǎn)仿真過程中不是中控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)所有生產(chǎn)資源有序執(zhí)行，而是生產(chǎn)資源在綜合考慮自身幾何屬性、物理屬性和生產(chǎn)行為的基礎(chǔ)上，自發(fā)地根據(jù)仿真規(guī)則實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自主運(yùn)作，從而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線的中控系統(tǒng)正確和合理地進(jìn)行預(yù)仿真和預(yù)驗(yàn)證。因此，在將反饋信息包含于生產(chǎn)行為信息的基礎(chǔ)上，仿真規(guī)則需實(shí)現(xiàn)抽象模型間的信息交互，從而保證邏輯仿真的正確映射。仿真規(guī)則包括：不同數(shù)字孿生邏輯模型間的行為信息傳遞規(guī)則、解決仿真過程中事件驅(qū)動(dòng)模型狀態(tài)轉(zhuǎn)換先后問題的同步推進(jìn)規(guī)則，以及處理同級(jí)模型間資源競爭問題的互斥優(yōu)先規(guī)則。

4.1 行為信息傳遞規(guī)則

在上述生產(chǎn)行為基礎(chǔ)上，通過邏輯鏈路模型進(jìn)行不同模型生產(chǎn)相關(guān)行為信息傳遞的過程如圖4所示。邏輯鏈路是加工工序相鄰抽象模型間連接的邏輯管道，在數(shù)字空間中表現(xiàn)為一個(gè)有向連接。通過邏輯管道相連的兩個(gè)實(shí)例化對(duì)象間自動(dòng)建立前驅(qū)和后續(xù)關(guān)系，以進(jìn)行仿真信息交互。其中，前驅(qū)和后續(xù)關(guān)系是相對(duì)的，前驅(qū)模型提供當(dāng)前模型前一道加工工序的模型，后續(xù)模型提供當(dāng)前模型后一道加工工序的實(shí)例化模型。當(dāng)模型對(duì)某些事件做出響應(yīng)時(shí)，其狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)換這一事件以信號(hào)的形式傳輸至邏輯管道，其前驅(qū)模型與后續(xù)模型讀取邏輯管道中的事件信號(hào)后觸發(fā)事件響應(yīng)，做出相應(yīng)的動(dòng)作并改變其狀態(tài)。以此類推，完成整個(gè)邏輯仿真。

因?yàn)橥瓿擅康拦ば蛩璧臅r(shí)間不同、各生產(chǎn)要素成本存在差異等原因，提供每道加工工序的生產(chǎn)要素?cái)?shù)量不盡相同，所以抽象模型的信息交互存在兩種不同的情況，分別為兩個(gè)單一模型相連的一對(duì)一模式和單一模型和多個(gè)模型同時(shí)相連的一對(duì)多模式。一對(duì)一模式下采用同步推進(jìn)機(jī)制進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，一對(duì)多模式下采用互斥優(yōu)先機(jī)制進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

4.2 同步推進(jìn)規(guī)則

在一對(duì)一模式下，數(shù)字孿生邏輯模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換取決于自身的仿真規(guī)則以及另一個(gè)模型傳輸?shù)氖录盘?hào)。LETTIERI等[24]將操作系統(tǒng)中生產(chǎn)者—消費(fèi)者模型的概念融入通信雙方消息發(fā)送或接收過程中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信雙方的同步運(yùn)行。本文采用生產(chǎn)者—消費(fèi)者模型描述等待和通知機(jī)制。生產(chǎn)者即上述通過邏輯鏈路連接的前驅(qū)生產(chǎn)資源，消費(fèi)者即后續(xù)生產(chǎn)資源。生產(chǎn)者只需關(guān)注是否可以發(fā)出物料，不用關(guān)注具體的消費(fèi)者；消費(fèi)者不用關(guān)注具體的生產(chǎn)者，只需關(guān)注是否有物料可以接收進(jìn)行加工。因?yàn)楹笠坏拦ば虻膱?zhí)行需要完成前一道工序的物料加工，所以將前一道工序的數(shù)字孿生邏輯模型視為生產(chǎn)者，后一道工序的數(shù)字孿生邏輯模型視為消費(fèi)者。在邏輯仿真過程中，當(dāng)生產(chǎn)者尚未傳入事件信號(hào)時(shí)消費(fèi)者無法進(jìn)行信號(hào)解析，當(dāng)消費(fèi)者尚未完成前一個(gè)信號(hào)解析時(shí)生產(chǎn)者無法直接傳入下一個(gè)信號(hào)，即一對(duì)一模式下的信息交互存在明顯的先后順序，這種先后順序與實(shí)例化對(duì)象屬性中的加工時(shí)長相關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)過程中存在生產(chǎn)時(shí)間等于消費(fèi)時(shí)間、生產(chǎn)時(shí)間大于消費(fèi)時(shí)間和生產(chǎn)時(shí)間小于消費(fèi)時(shí)間3種情況，結(jié)合生產(chǎn)要素有限狀態(tài)模型中的空閑待機(jī)、正常工作和阻塞等待3種基本狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，建立如下生產(chǎn)者消費(fèi)者狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間關(guān)系：

生產(chǎn)時(shí)間等于消費(fèi)時(shí)間

(1)

生產(chǎn)時(shí)間大于消費(fèi)時(shí)間

(2)

生產(chǎn)時(shí)間小于消費(fèi)時(shí)間

(3)

式中：Tpk為生產(chǎn)者工作時(shí)間；Tck為消費(fèi)者工作時(shí)間；Tpt為生產(chǎn)者等待時(shí)間；Tct為消費(fèi)者等待時(shí)間；Tpb為生產(chǎn)者阻塞時(shí)間；Tcb為消費(fèi)者阻塞時(shí)間。

根據(jù)上述三態(tài)轉(zhuǎn)換與對(duì)應(yīng)的時(shí)間關(guān)系，采用同步推進(jìn)機(jī)制解決事件信號(hào)的傳入與解析問題，上述3種情況的運(yùn)轉(zhuǎn)情況如圖5所示。

(1)生產(chǎn)時(shí)間等于消費(fèi)時(shí)間 如圖5a所示，整個(gè)過程不存在等待和阻塞時(shí)間，前驅(qū)生產(chǎn)者完成生產(chǎn)后，向邏輯管道傳入生產(chǎn)完成信號(hào)，消費(fèi)者隨即解析前驅(qū)發(fā)出的生產(chǎn)完成信號(hào)，同時(shí)向邏輯管路傳入等待消費(fèi)信號(hào)；生產(chǎn)者解析后續(xù)消費(fèi)者的可接收信號(hào)后發(fā)出貨物，消費(fèi)者進(jìn)入消費(fèi)時(shí)間；生產(chǎn)者再次進(jìn)入生產(chǎn)時(shí)間，等下一次生產(chǎn)者完成生產(chǎn)時(shí)消費(fèi)者正好完成消費(fèi)，再次進(jìn)入上述信號(hào)傳入解析過程。

(2)生產(chǎn)時(shí)間小于消費(fèi)時(shí)間 如圖5b所示，整個(gè)過程不存在待機(jī)時(shí)間，生產(chǎn)者的工作時(shí)間與阻塞時(shí)間之和等于消費(fèi)者的工作時(shí)間。

(3)生產(chǎn)時(shí)間大于消費(fèi)時(shí)間 如圖5c所示，整個(gè)過程不存在阻塞時(shí)間，消費(fèi)者的工作時(shí)間與等待時(shí)間之和等于生產(chǎn)者的工作時(shí)間。

4.3 互斥優(yōu)先規(guī)則

在一對(duì)多模式下，存在單一生產(chǎn)者和多個(gè)消費(fèi)者相連以及多個(gè)生產(chǎn)者和單一消費(fèi)者相連的情況，因?yàn)閱挝患庸r(shí)間內(nèi)一個(gè)生產(chǎn)者只能生產(chǎn)一個(gè)物料且該物料只能被一個(gè)消費(fèi)者使用，所以在一對(duì)多模式中，多個(gè)消費(fèi)者和多個(gè)生產(chǎn)者的情況下均會(huì)產(chǎn)生競爭關(guān)系。本文采用互斥優(yōu)先機(jī)制解決同種抽象模型中多個(gè)數(shù)字孿生邏輯模型間的競爭關(guān)系，具體如圖6所示。

在邏輯生產(chǎn)線構(gòu)建過程中，各模型通過幾何尺寸GP中的前驅(qū)模型集PMS和后續(xù)模型集BMS，記錄與當(dāng)前模型之間具有生產(chǎn)者—消費(fèi)者關(guān)系的對(duì)象、事件信號(hào)傳輸接收優(yōu)先級(jí)及其此時(shí)的工作狀態(tài)。如圖6a所示，在單一生產(chǎn)者與多個(gè)消費(fèi)者相連的情況下，當(dāng)生產(chǎn)者完成加工后，查詢其后續(xù)對(duì)象工作狀態(tài)集，將完成物料加工這一事件信號(hào)傳輸給后續(xù)對(duì)象工作狀態(tài)集中優(yōu)先級(jí)最高且處于空閑等待狀態(tài)的消費(fèi)者；當(dāng)生產(chǎn)者完成該事件信號(hào)傳輸后，其余消費(fèi)者無法獲得該事件信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了事件信號(hào)的互斥解析。如圖6b所示，在多個(gè)生產(chǎn)者與單一消費(fèi)者相連的情況下，當(dāng)所有生產(chǎn)者同時(shí)完成加工并在邏輯管道中傳入完成物料加工這一事件信號(hào)時(shí)，消費(fèi)者查詢其前驅(qū)對(duì)象工作狀態(tài)集，從優(yōu)先級(jí)最高的生產(chǎn)者邏輯管道中讀取事件信號(hào)進(jìn)行解析，其余生產(chǎn)者的事件信號(hào)仍然保存在相應(yīng)的邏輯管道中，實(shí)現(xiàn)了事件信號(hào)的優(yōu)先解析。

5 實(shí)例驗(yàn)證

基于上文面向生產(chǎn)線邏輯仿真的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法的研究，對(duì)以數(shù)字孿生邏輯模型為核心的生產(chǎn)線仿真原型系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。以某藥廠凍干針劑生產(chǎn)線中的包裝線為例驗(yàn)證生產(chǎn)線仿真過程，并通過原型系統(tǒng)的界面操作展現(xiàn)數(shù)字孿生邏輯模型的幾何屬性、物理屬性、生產(chǎn)行為和仿真規(guī)則。

5.1 數(shù)字孿生邏輯模型的構(gòu)建

常用生產(chǎn)要素的數(shù)字孿生邏輯模型是采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，在數(shù)字空間建立如圖7所示的生產(chǎn)設(shè)備模型。其中，物料產(chǎn)品抽象模型(MaterialsWidget)、物流運(yùn)輸設(shè)備抽象模型(LogisticWidget)、生產(chǎn)加工設(shè)備抽象模型(StationWidget)和輔助加工設(shè)備抽象模型(SuppleWidget)是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要素的邏輯功能構(gòu)建的抽象模型，其實(shí)現(xiàn)功能不再贅述。而仿真時(shí)鐘抽象模型(ClockWidget)、屬性窗口抽象模型(AttribleWindow)和邏輯鏈路抽象模型(LinkWidget)是為輔助后續(xù)邏輯仿真而構(gòu)建的輔助抽象模型，其中ClockWidget用于模擬生產(chǎn)線邏輯仿真過程中的時(shí)間，按時(shí)向不同對(duì)象發(fā)出開始工作的信號(hào)；AttribleWindow用于對(duì)生產(chǎn)要素抽象模型在加工過程中的屬性參數(shù)進(jìn)行可視化和修改；LinkWidget用于構(gòu)建物理實(shí)體制造設(shè)備抽象數(shù)字孿生邏輯模型間的前驅(qū)與后續(xù)關(guān)系。

基于上文構(gòu)建的數(shù)字孿生邏輯模型，進(jìn)行生產(chǎn)線邏輯仿真原型系統(tǒng)開發(fā)，其軟件界面如圖8所示。生產(chǎn)線邏輯仿真原型系統(tǒng)包括界面的基本工具欄、可拖動(dòng)創(chuàng)建生產(chǎn)線的數(shù)字孿生邏輯模型庫和可安排各設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行的仿真時(shí)鐘。在生產(chǎn)線搭建中，串行設(shè)備間運(yùn)行采用同步推進(jìn)規(guī)則，并行設(shè)備協(xié)作采用互斥優(yōu)先規(guī)則。在仿真過程中，數(shù)字孿生邏輯模型的生產(chǎn)行為中定義的空閑待機(jī)、正常作業(yè)和阻塞3種狀態(tài)通過信號(hào)燈表現(xiàn)。

5.2 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)階段的調(diào)整

生產(chǎn)線仿真的目的是對(duì)需要加工工件的順序進(jìn)行合理安排，進(jìn)而將生產(chǎn)加工任務(wù)分配給各生產(chǎn)加工設(shè)備，使各生產(chǎn)加工設(shè)備的任務(wù)負(fù)荷和作業(yè)節(jié)拍盡可能相同，達(dá)到平衡設(shè)備作業(yè)負(fù)荷、減少生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間、提高生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的目的。

通過生產(chǎn)線仿真原型系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)過程仿真，可以明顯地觀測到生產(chǎn)線設(shè)計(jì)初始階段各設(shè)備的運(yùn)行情況，并針對(duì)出現(xiàn)的問題地調(diào)整生產(chǎn)線設(shè)計(jì)。本文根據(jù)生產(chǎn)線仿真的運(yùn)行情況，對(duì)一組由“上料—加工—包裝—下料”4個(gè)過程組成的生產(chǎn)過程，因生產(chǎn)時(shí)間變化和生產(chǎn)線設(shè)計(jì)不妥而出現(xiàn)的“長時(shí)間阻塞”和“長時(shí)間空閑”情況進(jìn)行有效調(diào)整。

(1)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)長時(shí)間阻塞

生產(chǎn)過程中將上料機(jī)、加工設(shè)備和下料機(jī)對(duì)物料產(chǎn)品的加工時(shí)間設(shè)置為4 min，將包裝設(shè)備的加工時(shí)間設(shè)置為12 min，生產(chǎn)過程串聯(lián)運(yùn)行，其生產(chǎn)線仿真過程如圖9a所示?？梢娪捎诎b設(shè)備加工時(shí)間與其余設(shè)備加工時(shí)間相比較長，使前驅(qū)設(shè)備處于阻塞狀態(tài)，后續(xù)設(shè)備處于等待狀態(tài)，造成生產(chǎn)設(shè)備作業(yè)負(fù)荷不平衡，生產(chǎn)時(shí)間過長。

針對(duì)上述問題對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行再設(shè)計(jì)，其仿真過程如圖 9b所示，即增加原本阻塞工序的加工設(shè)備數(shù)量，使其進(jìn)行并行生產(chǎn)，從而平衡生產(chǎn)設(shè)備作業(yè)負(fù)荷，縮短生產(chǎn)加工時(shí)間。

(2)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)長時(shí)間空閑

生產(chǎn)過程中將上料機(jī)、加工設(shè)備、包裝設(shè)備和下料機(jī)對(duì)物料產(chǎn)品的加工時(shí)間設(shè)置為4 min，且加工過程中有兩臺(tái)加工設(shè)備并行運(yùn)轉(zhuǎn)，其生產(chǎn)線仿真過程如圖10a所示?？梢娂庸ぴO(shè)備2一直處于空閑狀態(tài)，造成生產(chǎn)資源和生廠車間空間浪費(fèi)。

針對(duì)上述問題對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行再設(shè)計(jì)，其仿真過程如圖10b所示，即移除一個(gè)加工設(shè)備，使整條產(chǎn)線串行運(yùn)轉(zhuǎn)，各設(shè)備持續(xù)保持正常加工狀態(tài)，從而有效節(jié)約了生產(chǎn)資源，提高了生產(chǎn)效率。

5.3 生產(chǎn)線仿真過程的驗(yàn)證

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，以某藥廠凍干針劑生產(chǎn)線中的包裝線為例驗(yàn)證生產(chǎn)線仿真過程。因?yàn)閮龈舍槃┢矿w積小、加工速度快，不易觀察，且生產(chǎn)過程中均以批次為單位，所以仿真過程中將600瓶作為一批進(jìn)行生產(chǎn)過程邏輯仿真。整個(gè)包裝線由物料產(chǎn)品、物流運(yùn)輸設(shè)備、生產(chǎn)加工設(shè)備和輔助加工設(shè)備組成，其中：物料產(chǎn)品為600瓶凍干針劑為一批的加工對(duì)象；物料運(yùn)輸設(shè)備為3條傳送帶；生產(chǎn)加工設(shè)備包括為瓶體貼標(biāo)簽的貼標(biāo)機(jī)、為瓶體塑膜的泡罩包裝機(jī)、為盒體塑膜的泡罩包裝機(jī)、進(jìn)行盒體裝箱的開裝箱一體機(jī)和對(duì)箱體進(jìn)行封裝的封箱機(jī)；輔助加工設(shè)備包括用于瓶體上料的上料機(jī)和用于箱體運(yùn)送的碼垛機(jī)器人。根據(jù)上述包裝線生產(chǎn)流程，在已開發(fā)的仿真軟件原型系統(tǒng)中搭建包裝線生產(chǎn)流程邏輯模型，其生產(chǎn)流程和數(shù)字孿生邏輯模型仿真流程如圖11所示。在數(shù)字孿生邏輯模型的實(shí)例化階段，以貼標(biāo)機(jī)為例，其中：設(shè)備名稱、設(shè)備型號(hào)(即物理加工方式)為模型的物理屬性；設(shè)備模型的坐標(biāo)位置信息、長度信息，以及與當(dāng)前模型具有前后連接關(guān)系的其他設(shè)備模型組成的模型集為模型的幾何屬性；設(shè)備模型運(yùn)行的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、生產(chǎn)周期和設(shè)備的狀態(tài)信息為生產(chǎn)行為。

根據(jù)圖11中定義的幾何屬性、物理屬性和生產(chǎn)行為進(jìn)入生產(chǎn)線仿真環(huán)節(jié)，包裝線仿真的運(yùn)行過程如圖12所示，圖示通過3 min，4.5 min，6 min，7.5 min，9 min 5個(gè)時(shí)刻展現(xiàn)各邏輯模型的加工情況。不同設(shè)備模型間的狀態(tài)信息按照仿真規(guī)則中的行為信息傳遞規(guī)則進(jìn)行傳遞，例如貼標(biāo)機(jī)作為上料機(jī)的后續(xù)和泡罩機(jī)1的前驅(qū)，將其實(shí)時(shí)狀態(tài)傳入與上料機(jī)相連的邏輯管道，將其加工完成的信號(hào)傳入與泡罩機(jī)相連的邏輯管道。包裝線的前驅(qū)后續(xù)模型間按照同步推進(jìn)規(guī)則進(jìn)行仿真運(yùn)轉(zhuǎn)：

(1)圖12a中，泡罩機(jī)2作為泡罩機(jī)1的消費(fèi)者，由于生產(chǎn)者泡罩機(jī)1尚未完成批次2的加工，無法執(zhí)行盒體塑膜的加工操作，處于空閑待機(jī)狀態(tài)。

(2)圖12b中，上料機(jī)作為貼標(biāo)機(jī)的生產(chǎn)者，由于消費(fèi)者貼標(biāo)機(jī)仍在進(jìn)行批次4的瓶體貼標(biāo)加工，無法發(fā)送生產(chǎn)完的批次5 ，上料機(jī)處于阻塞狀態(tài)。

(3)圖12c中，開裝箱機(jī)作為傳送帶1的消費(fèi)者和傳送帶2的生產(chǎn)者，在完成批次3 的盒體裝箱后，將其發(fā)送給傳送帶2，傳送帶2進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開箱機(jī)發(fā)出可加工信號(hào)，但其生產(chǎn)者傳送帶1尚未完成批次4的物料產(chǎn)品運(yùn)輸，因此開箱機(jī)無物料接收，進(jìn)入空閑待機(jī)狀態(tài)。

(4)圖12d和圖12e中，上料機(jī)將物料產(chǎn)品發(fā)送給后續(xù)的消費(fèi)者貼標(biāo)機(jī)后，從阻塞狀態(tài)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行下一批次的瓶體上料工作。

6 結(jié)束語

本文對(duì)適用于生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型構(gòu)建方法展開研究，根據(jù)已提出的幾何、物理、行為、規(guī)則4個(gè)維度的數(shù)字孿生模型理論建立生產(chǎn)線邏輯仿真的數(shù)字孿生模型。所構(gòu)建的數(shù)字空間的數(shù)字孿生邏輯模型包括幾何屬性、物理屬性、生產(chǎn)行為和仿真規(guī)則4個(gè)層面，重點(diǎn)闡明了利用有限狀態(tài)機(jī)理論闡述的數(shù)字孿生邏輯模型的生產(chǎn)行為，以及Producer/Consumer Model進(jìn)程交互思想闡述的模型間交互的仿真規(guī)則?；谏鲜鰳?gòu)建方法，利用面向?qū)ο蟮乃枷霕?gòu)建各類加工制造設(shè)備實(shí)體的數(shù)字孿生邏輯模型，然后通過仿真軟件，針對(duì)產(chǎn)線設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行生產(chǎn)線再設(shè)計(jì)，并對(duì)某藥廠的包裝線進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

本文所述模型構(gòu)建方法僅針對(duì)數(shù)字孿生邏輯模型，對(duì)實(shí)際物理空間的實(shí)體要素描述不夠全面，數(shù)字空間的孿生模型需要繼續(xù)更新完備。