柔性制造系統(tǒng)數(shù)字孿生建模與應(yīng)用*

閆海蘭，尚坡利，楊亞龍

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，蘭州 730060；2.蘭州近代物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

德國的“工業(yè)4.0”、日本的“重振制造業(yè)”等先進(jìn)的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，旨在通過提高操作技術(shù)的自動化程度，實現(xiàn)制造業(yè)的智能化發(fā)展[1]。我國的廣大制造企業(yè)也在“中國制造2025”、兩化融合及“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家戰(zhàn)略的推動下，將新一代信息技術(shù)應(yīng)用到先進(jìn)制造的關(guān)鍵業(yè)務(wù)領(lǐng)域，如管理、生產(chǎn)、服務(wù)和生產(chǎn)等，進(jìn)而有效提升了企業(yè)綜合競爭力[2]。但隨著市場的個性化需求日益增長，制造企業(yè)的柔性化定制生產(chǎn)普遍存在著物流規(guī)劃不合理、生產(chǎn)能力評估不充分、工藝布局不合理和質(zhì)量穩(wěn)定性不足等問題。數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)[3]將虛擬空間和物理空間結(jié)合起來，在虛擬空間再現(xiàn)真實生產(chǎn)制造場景，是企業(yè)柔性化制造中不可或缺的技術(shù)[4-5]。

2003年Michael Grieves教授首先對數(shù)字孿生進(jìn)行了定義，即“孿生體”[6]指所有用來模擬物理產(chǎn)品狀態(tài)的模型或樣機(jī)。然而這一概念在當(dāng)時沒有得到進(jìn)一步的發(fā)展，直到2010年美國國家航天局和美國空軍提出了一種多概率、多物理場、多尺度的未來飛行器數(shù)字孿生模型[7]。2011年Michael Grieves教授對數(shù)字孿生[8]又給出了更詳細(xì)的解釋，它包括：實體產(chǎn)品和虛擬產(chǎn)品，以及兩者之間進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交互的通道。數(shù)字孿生的特征為：“實時／準(zhǔn)實時”、“雙向”和“全生命周期”。數(shù)字孿生[9-11]是一種集成多尺度、多物理量、多學(xué)科和多概率的仿真過程，在虛擬空間中利用傳感器更新、運行歷史、物理模型等數(shù)據(jù)實現(xiàn)映射，進(jìn)而監(jiān)控該實體設(shè)備的運行過程。

本文引入數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型。利用該數(shù)字孿生模型對建設(shè)前的方案進(jìn)行虛擬仿真和調(diào)試，驗證其合理性。并通過反復(fù)調(diào)整和迭代優(yōu)化建設(shè)前的方案，可很大程度上縮短柔性制造系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)和投產(chǎn)的時間。利用數(shù)字孿生還可以在柔性制造系統(tǒng)建設(shè)運行時對實體設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控，了解各設(shè)備的運行狀態(tài)。

1 基于數(shù)字孿生的柔性制造系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

柔性制造系統(tǒng)數(shù)字孿生模型可實現(xiàn)以下功能。

（1）評估柔性制造系統(tǒng)的性能

柔性制造的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)該對工件的到位信號、工件的合格率信號、工件的材質(zhì)顏色等信號、氣缸的到位信號、限位信號等信號進(jìn)行實時監(jiān)控，對超范圍的參數(shù)進(jìn)行提醒和報警。并通過系統(tǒng)的穩(wěn)定度、系統(tǒng)的精確率和產(chǎn)品的合格率等，對生產(chǎn)系統(tǒng)的性能情況進(jìn)行評估。

（2）制定并優(yōu)化柔性制造系統(tǒng)的運行策略

數(shù)字孿生體與物理實體之間的雙向作用，可為柔性制造系統(tǒng)運行策略制定提供有效的信息支持。即將物理實體的參與設(shè)備、運行約束條件、動作時序等信息作用于系統(tǒng)數(shù)字孿生體，并在數(shù)字孿生體上進(jìn)行調(diào)試運行，通過不斷迭代優(yōu)化制定柔性制造系統(tǒng)的最佳運行策略。

（3）模擬故障狀態(tài)與快速推演故障預(yù)案

數(shù)字孿生體可用于模擬故障狀態(tài)，即通過改變數(shù)字孿生體的運行時序或參數(shù)。在數(shù)字孿生體的模擬故障狀態(tài)下，可快速仿真模擬已經(jīng)制定好的故障預(yù)案，判斷故障預(yù)案的有效性和可行性。

1.2 總體架構(gòu)

柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)如圖1所示，包括：數(shù)字孿生層、服務(wù)應(yīng)用層及物理層。

圖1 總體架構(gòu)

物理層主要由電氣子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和機(jī)械子系統(tǒng)3大部分組成。機(jī)械子系統(tǒng)由加工單元（鉆床、銑床）、立體倉庫（原料庫、成品庫、廢品庫）、龍門吊、視覺比對單元、熱處理單元和裝配加工單元等組成。還包括每個單元及整體的動作過程。電氣子系統(tǒng)利用傳感器采集工業(yè)現(xiàn)場信息，并保存到控制子系統(tǒng)的存儲器中，控制子系統(tǒng)執(zhí)行程序，進(jìn)而驅(qū)動機(jī)械子系統(tǒng)按約束條件運行。

數(shù)字孿生模型包括數(shù)據(jù)模型、邏輯模型和幾何模型。數(shù)據(jù)模型主要是將物理模型中的傳感器信號、狀態(tài)信號等映射到數(shù)字孿生模型中。邏輯模型用于映射物理層的實際運動過程，轉(zhuǎn)化為數(shù)字孿生層的運動行為。幾何模型，保證數(shù)字孿生模型與實際柔性制造系統(tǒng)在顏色、材質(zhì)屬性、形狀、尺寸大小等方面具有高相似度。

服務(wù)層主要由遠(yuǎn)程控制和同步仿真兩部分組成。同步仿真可以對物理系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時監(jiān)控，作為性能評估的參考。遠(yuǎn)程控制則是通過數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)送信號控制實際系統(tǒng)，實現(xiàn)反向控制，用于異常處理。物理層和數(shù)據(jù)孿生層是通過WiFi或以太網(wǎng)通行完成信息交互，并利用數(shù)據(jù)庫存儲或讀取數(shù)據(jù)。

2 柔性制造數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)感知和傳輸

近年來，隨著傳感器性能的逐漸提升，新型的傳感器具有耐腐蝕、抗高溫、采樣頻率高、采集數(shù)據(jù)大量增加等特點，柔性制造系統(tǒng)利用這些傳感器將大量的相關(guān)數(shù)據(jù)提供給數(shù)字孿生體。因此，傳感器的性能決定了數(shù)字孿生體的最終效果，這些新型的傳感器為數(shù)字孿生提供保障。

傳感器采集的信號主要有兩種，一是開關(guān)量信號，二是模擬量信號。可通過可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)、分布式控制（DCS）系統(tǒng)等進(jìn)行采集這些傳感器信號。而這兩種信號的采樣周期不一樣，通常模擬量信號的采樣周期為分鐘級、開關(guān)量信號的采樣周期為秒級甚至毫秒級。因此，為了解決這些問題學(xué)者們采用了各種方法。如對概率主元分（PPCA）[12]等概率框架下的統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法進(jìn)行集成，對二采樣率數(shù)據(jù)使用因子分析（FA）[13]。對多采樣率數(shù)據(jù)利用多個卡爾曼濾波器進(jìn)行信息融合[14]等。以及對完成自動化的數(shù)據(jù)利用TOSCA將分析算法與數(shù)據(jù)集成相互關(guān)聯(lián)起來[15]。將圖像、文本轉(zhuǎn)換為向量表達(dá)形式的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行建模的方法也可作為借鑒應(yīng)用于工業(yè)中。

物理實體與孿生模型間數(shù)據(jù)的傳輸是通過第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）進(jìn)行傳輸?shù)摹?G因其大帶寬、低延時、低功耗等特點，是實現(xiàn)數(shù)字孿生的必要技術(shù)。

2.2 模型構(gòu)建

柔性制造的數(shù)字孿生系統(tǒng)需真實、全面、綜合的反映物理系統(tǒng)。本文對孿生模型的構(gòu)建主要從邏輯模型、數(shù)據(jù)模型和幾何模型3個方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

（1）通過建立幾何模型，保證數(shù)字孿生模型與實際柔性制造系統(tǒng)在顏色、材質(zhì)屬性、形狀、尺寸大小等方面具有高相似度。本文采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模。SolidWorks軟件包括零件建模、模具設(shè)計、裝配設(shè)計和運動仿真等，是非常優(yōu)秀的三維設(shè)計軟件。功能強(qiáng)大、易學(xué)易用、技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks軟件的3大特點。在建模時需要對三維模型進(jìn)行簡化處理，保留主要部件如運動軸、工件、電機(jī)、熱處理裝置等，簡化與仿真無關(guān)的部件。為詳細(xì)描述柔性制造系統(tǒng)屬性參數(shù)，建模時將屬性參數(shù)綁定到三維模型上。柔性制造系統(tǒng)的每個單元都可以看做多個部件通過某種約束條件有機(jī)的聯(lián)系在一起，構(gòu)成一個具有某種邏輯關(guān)系的運動系統(tǒng)。

（2）邏輯模型主要是用來建立與實體模型一致的動態(tài)加工過程，構(gòu)建虛擬柔性制造系統(tǒng)。邏輯模型還要實現(xiàn)數(shù)字孿生模型的同步仿真和遠(yuǎn)程控制。為了使虛擬系統(tǒng)能準(zhǔn)確模擬運行過程，需要將實體模型的各類代碼，如梯形圖等進(jìn)行識別與解析，代碼解析如圖2所示。

圖2 代碼解析

（3）數(shù)據(jù)模型主要是將物理模型中的傳感器信號、狀態(tài)信號等映射到數(shù)字孿生模型中。由于本文利用PLC控制柔性制造系統(tǒng)，所以通過PLC采集傳感器信號并暫存到輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)寄存器中，接著利用OPC通信建立與上位機(jī)OCTOPUZ的連接。OPC是目前使用比較廣泛的基于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信方法，它提取了數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備（如PLC），和數(shù)據(jù)接收設(shè)備（如HMI）的執(zhí)行細(xì)節(jié)，因此不需要了解彼此的本地通信協(xié)議和內(nèi)部數(shù)據(jù)組織形式就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)接入流程如圖3所示，首先確定從實體設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)信息，并確定數(shù)據(jù)映射關(guān)系。其次將數(shù)據(jù)映射關(guān)系和外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定從外部系統(tǒng)需要抽取的相關(guān)信息。然后將仿真數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，匹配為對。若兩者數(shù)據(jù)存在沖突，則消解沖突在虛擬系統(tǒng)中增加或刪除相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號。若兩者數(shù)據(jù)不存在沖突，則進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

圖3 數(shù)據(jù)接入流程

3 應(yīng)用案例

本文以亞龍公司的YL-268柔性制造生產(chǎn)線為例，該生產(chǎn)線由立體倉庫、加工單元、輸送單元、視覺比對單元、熱處理單元、裝配加工單元等組成。其工藝流程為：從立體倉庫的原料庫中取出工件，搬至輸送皮帶上并運送至加工單元，加工完成后運送至視覺比對單元，比對不合格的工件直接運送至廢品庫，比對合格的工件運送至熱處理單元進(jìn)行加熱和冷卻處理，處理完成后運送至裝配單元進(jìn)行裝配，裝配完成后運送至成品庫。

明確了柔性制造系統(tǒng)的組成和工作流程后，再明確柔性制造系統(tǒng)各個單元機(jī)理模型、可獲取的數(shù)據(jù)、新增轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)等。最后制定該柔性制造系統(tǒng)數(shù)字孿生體的需求分析和實現(xiàn)策略。

3.1 柔性制造生產(chǎn)線數(shù)字建模

根據(jù)現(xiàn)有測量方法，完成對柔性制造系統(tǒng)實體對象的空間運動、幾何結(jié)構(gòu)、幾何關(guān)聯(lián)等幾何屬性的獲取。利用SolidWorks實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)幾何模型的構(gòu)建。并對各設(shè)備空間幾何模型進(jìn)行匹配連接，

實現(xiàn)幾何模型數(shù)字化精準(zhǔn)復(fù)刻。在OCTOPUZ中導(dǎo)入已建立好的幾何模型。PLC采集現(xiàn)場信息并保存在寄存器中，并與上位機(jī)OCTOPUZ進(jìn)行OPC通信，實現(xiàn)對柔性制造系統(tǒng)外部信號的提取和映射，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的控制和信息的采集。并使用Python語言在OCTOPUZ平臺上開發(fā)包含模塊功能和人機(jī)交互界面的系統(tǒng)程序進(jìn)行驗證。柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生建模效果如圖4所示，為了得到良好的可視化效果，選擇不同的幀時，將同一段代碼執(zhí)行20次運動仿真，從表1可知模型運動效果在13 ms左右時最好。并與物理實體設(shè)備相比較可知，柔性制造系統(tǒng)數(shù)字孿生模型在形狀、模型的精細(xì)度等方面具有高保證度。

表1 運行仿真幀時

圖4 柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生建模效果

3.2 模型測試驗證

本文從模型的相對位置、數(shù)據(jù)采集量、模型響應(yīng)延遲等方面來驗證柔性制造控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型的性能。通過對數(shù)字孿生模型測量可知，每個部件都是1∶1還原實體模型部件，且每個單元部件的連接以及單元之間的連接完全與實體模型一致，滿足實體模型的相對位置關(guān)系。實體設(shè)備與數(shù)字孿生模型采集到的信號，如軸的原點檢測信號、軸的極限信號、氣缸的極限信號等達(dá)到完全同步。且系統(tǒng)運行時，實際觀測到的仿真運動無明顯延遲。因此將數(shù)字孿生模型與生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)同步運行、實時監(jiān)控，可實現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計、制造過程中的虛擬仿真，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型可以為系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。一方面對數(shù)字孿生模型監(jiān)測到的生產(chǎn)異常進(jìn)行診斷，并按“問題分析——模型構(gòu)建——算法設(shè)計——優(yōu)化分析”的流程進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。另一方面利用聚類分析、關(guān)聯(lián)分析、優(yōu)化算法等方法，參考大數(shù)據(jù)的研究思路，對過程相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)對生成過程的優(yōu)化。

4 結(jié)束語

將新一代信息技術(shù)應(yīng)用到先進(jìn)制造的關(guān)鍵業(yè)務(wù)領(lǐng)域，有效提升企業(yè)綜合競爭力是必然趨勢。數(shù)字孿生將被模擬對象和仿真模型融合起來，在虛擬空間再現(xiàn)真實生產(chǎn)制造場景，在柔性制造系統(tǒng)全生命周期數(shù)字化管理中發(fā)揮了重要作用。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，按1∶1的比例構(gòu)建了柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字模型，使實體設(shè)備和數(shù)字模型的功能相同。并利用該數(shù)字模型在柔性制造系統(tǒng)建設(shè)前進(jìn)行虛擬調(diào)試，迭代優(yōu)化并最終獲得最佳建設(shè)方案。在柔性制造系統(tǒng)的運行過程中實時監(jiān)控實體設(shè)備，實時了解各設(shè)備的運行狀態(tài)。