面向“中國(guó)制造2025”的家具數(shù)字孿生車間構(gòu)建與關(guān)鍵技術(shù)展望

■歐陽(yáng)周洲，吳義強(qiáng),2,3，陶 濤,2,3，戴向東，黃艷麗，陳星艷,2,3，王 迅，郝紹平，詹秀麗

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.農(nóng)林生物質(zhì)綠色加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410004；3.木竹資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙 410004）

制造業(yè)是立國(guó)之本、興國(guó)之路、強(qiáng)國(guó)之基[1]。隨著信息技術(shù)不斷賦能傳統(tǒng)制造業(yè)，家具制造也步入了“智能時(shí)代”。在新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革與我國(guó)加快高質(zhì)量發(fā)展的歷史性交匯點(diǎn)上，面對(duì)“雙碳”戰(zhàn)略的新要求，智能制造已經(jīng)成為了我國(guó)家具制造業(yè)進(jìn)一步釋放動(dòng)能的重要抓手。

智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統(tǒng)與模式的總稱[2]。智能制造的基礎(chǔ)是借助計(jì)算機(jī)的算力對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行組織，信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）提供了一種融合物理與虛擬空間的體系架構(gòu)，是智能制造的核心要素[3]，數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是實(shí)踐CPS的關(guān)鍵使能技術(shù)[4]。智能制造涵蓋了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化三種基本范式[5]，數(shù)字孿生技術(shù)能夠有力推動(dòng)三種基本范式的發(fā)展進(jìn)程，助力制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[6]。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

■圖1 數(shù)字孿生的五維模型

數(shù)字孿生概念可以追溯到2003年Michael Grieves博士在密歇根大學(xué)產(chǎn)品生命周期管理（PLM）課程提出的“鏡像空間模型”（Mirrored Spaces Model）以及后續(xù)在《產(chǎn)品生命周期管理：推動(dòng)下一代精益思維》（Product Lifecycle Management: Driving the Next Generation of Lean Thinking）一書中定義的“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model）[7]；2010年，NASA在航天領(lǐng)域提出了“數(shù)字孿生體”的概念[8]；隨后，該技術(shù)逐步轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，受到大型工業(yè)制造企業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注與廣泛實(shí)踐。權(quán)威信息技術(shù)研究與咨詢公司高德納曾于2017-2019年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為頂級(jí)戰(zhàn)略性技術(shù)[9]。

自2017年起，有關(guān)數(shù)字孿生的研究迅速升溫，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者分別從不同的角度嘗試對(duì)這一概念進(jìn)行闡釋，但目前尚未形成公認(rèn)的定義。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有闡釋進(jìn)行歸納、分析，這項(xiàng)技術(shù)可以大致解釋為：利用數(shù)字技術(shù)對(duì)物理實(shí)體的特征、行為、過(guò)程和性能等進(jìn)行多維度、多尺度的刻畫、建模和動(dòng)態(tài)仿真，并且可在其生命周期內(nèi)不斷更新[10]。

早期的研究普遍認(rèn)為數(shù)字孿生是由虛擬空間和實(shí)體空間共同組成的信息物理系統(tǒng)（CPS）[11]，其基本模型為三維模型，包括了物理實(shí)體、虛擬模型以及二者之間的連接[12]，隨著理論技術(shù)的拓展以及應(yīng)用需求的升級(jí)，有關(guān)學(xué)者在此基礎(chǔ)上又拓展了服務(wù)和數(shù)據(jù)兩個(gè)維度，形成了由物理實(shí)體（PE）、虛擬模型（VE）、服務(wù)（Ss）、孿生數(shù)據(jù)（DD）、交互連接（CN）構(gòu)成的五維模型[13]，如圖1所示。在數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，信息物理融合是基礎(chǔ)，多維虛擬模型是引擎，孿生數(shù)據(jù)是驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互連接是動(dòng)脈，服務(wù)應(yīng)用是目的，全要素物理實(shí)體是載體[14]。

通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理實(shí)體和過(guò)程的虛擬復(fù)現(xiàn)，推動(dòng)構(gòu)建基于模型的企業(yè)（Model-Based Enterprise，MBE）[15]，突破傳統(tǒng)制造依賴于物理原型、物理實(shí)驗(yàn)或小批量試制的局限，提供更全面的測(cè)量、分析和預(yù)測(cè)方法，全面推動(dòng)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字化，因此被廣泛應(yīng)用于物理實(shí)體的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造和服務(wù)應(yīng)用等全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)之中[16]。

2 家具制造過(guò)程中存在的問(wèn)題

家具制造業(yè)是傳統(tǒng)制造業(yè)的典型代表，業(yè)內(nèi)通過(guò)構(gòu)建企業(yè)OA、ERP、CRM、MES等信息系統(tǒng)以固化流程，基本實(shí)現(xiàn)了信息化，并借助一系列節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣泛的數(shù)據(jù)采集，形成可視化的業(yè)務(wù)報(bào)表，逐步探索數(shù)字化，但相關(guān)實(shí)踐活動(dòng)還處于初級(jí)階段，尚有大量的瓶頸問(wèn)題亟待攻克。從生產(chǎn)線生命周期的角度來(lái)看，可以將家具制造過(guò)程劃分為產(chǎn)線規(guī)劃、生產(chǎn)控制與流程再造三個(gè)主要的階段[17]，每一個(gè)階段都存在不同的問(wèn)題。

2.1 家具制造產(chǎn)線規(guī)劃存在的問(wèn)題

（1）規(guī)劃考慮不周全

家具產(chǎn)線規(guī)劃是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，全屋定制引起的產(chǎn)品品類增加進(jìn)一步加劇了規(guī)劃的復(fù)雜度[18]。傳統(tǒng)的規(guī)劃極易忽略一些次要流程和細(xì)節(jié)邏輯，造成車間物流動(dòng)線混亂、規(guī)劃與實(shí)際偏差過(guò)大等現(xiàn)象[19]，給后續(xù)的生產(chǎn)執(zhí)行遺留大量問(wèn)題。例如生產(chǎn)廢料和余料的轉(zhuǎn)運(yùn)與處置，墊板、托盤等原材料和半成品容器的流轉(zhuǎn)與儲(chǔ)存，轉(zhuǎn)運(yùn)通道的流量預(yù)估與形態(tài)設(shè)計(jì)等，都是容易引發(fā)設(shè)計(jì)缺陷的環(huán)節(jié)。

（2）規(guī)劃分析精度低

傳統(tǒng)的產(chǎn)線規(guī)劃方法大量運(yùn)用“均值”進(jìn)行測(cè)算，掩蓋了多品種、小批量場(chǎng)景下不同產(chǎn)品的加工差異，忽視了制造過(guò)程中普遍存在的各類擾動(dòng)，缺乏對(duì)客觀規(guī)律的總結(jié)，因此得到的模型存在大量失真現(xiàn)象，規(guī)劃過(guò)于理想化，造成規(guī)劃設(shè)計(jì)產(chǎn)能的不匹配現(xiàn)象[20]。

（3）規(guī)劃調(diào)整效率低

家具產(chǎn)線的構(gòu)建是反復(fù)論證，不斷迭代的過(guò)程。在最終定案前，每進(jìn)行一次調(diào)整，都會(huì)帶來(lái)“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的更新。傳統(tǒng)的家具產(chǎn)線規(guī)劃大量依靠人工進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與驗(yàn)證，不僅效率低下，而且極易出錯(cuò)，造成了迭代周期的延長(zhǎng)。

■圖2 FDTS系統(tǒng)架構(gòu)圖

（4）規(guī)劃成果不直觀

隨著生產(chǎn)線復(fù)雜度的不斷提升以及多重流程的不斷疊加，平面圖紙的局限性越來(lái)越明顯，且受制于不同規(guī)劃軟件之間的隔閡，圖紙與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和匹配也存在較大難度，規(guī)劃成果不能直觀的體現(xiàn)出來(lái)，團(tuán)隊(duì)溝通成本急劇增加。

2.2 家具制造生產(chǎn)控制存在的問(wèn)題

（1）生產(chǎn)計(jì)劃粒度粗

由于缺乏全面、及時(shí)、精確的數(shù)據(jù)支撐，絕大多數(shù)家具企業(yè)的計(jì)劃體系僅能面向車間以天為單位制定生產(chǎn)計(jì)劃，工序、設(shè)備和工人等基礎(chǔ)單元的任務(wù)分配還依賴于車間人工實(shí)現(xiàn)，常常造成生產(chǎn)資源浪費(fèi)，規(guī)劃產(chǎn)能難以實(shí)現(xiàn)。

（2）生產(chǎn)擾動(dòng)預(yù)測(cè)難

家具制造過(guò)程中的擾動(dòng)因素繁多，容易造成生產(chǎn)停頓?；诰彺娴膫鹘y(tǒng)方法需要占用大量空間，引起在制品積壓，延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。如果能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)線監(jiān)控，在擾動(dòng)產(chǎn)生質(zhì)變前進(jìn)行干預(yù)，就能夠有效避免擾動(dòng)帶來(lái)的生產(chǎn)停滯。然而，當(dāng)前家具制造過(guò)程中的監(jiān)控還比較粗糙，擾動(dòng)預(yù)測(cè)手段比較原始，必要的干預(yù)嚴(yán)重滯后，難以實(shí)現(xiàn)事先規(guī)避。

（3）生產(chǎn)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)化

家具制造過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)生產(chǎn)資源的配置大面積依托人工來(lái)開(kāi)展，這種經(jīng)驗(yàn)化的決策模式在大規(guī)模生產(chǎn)場(chǎng)景下幾乎不可能在短時(shí)間內(nèi)尋得最優(yōu)的組合，造成了家具企業(yè)利潤(rùn)的大量流失。

（4）生產(chǎn)控制不靈活

傳統(tǒng)方法構(gòu)建的靜態(tài)生產(chǎn)模型在柔性化的家具制造中難以應(yīng)對(duì)工序之間的銜接、突發(fā)事件的處置、加工工藝的更新等動(dòng)態(tài)問(wèn)題。面對(duì)產(chǎn)能、成本、周期等不同的控制目標(biāo)時(shí)，管理人員難以基于動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)靈活切換資源配置模式。

2.3 家具制造流程再造存在的問(wèn)題

（1）全局層面優(yōu)化難

家具制造融合了離散型制造、流程型制造、大規(guī)模個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造等多種模式，各個(gè)環(huán)節(jié)之間耦合關(guān)系強(qiáng)，牽一發(fā)而動(dòng)全身。家具企業(yè)流程再造的最大痛點(diǎn)，就是缺乏著眼于全局的改善工具與指標(biāo)體系，總是陷入局部最優(yōu)解的困境，產(chǎn)生新的瓶頸，嚴(yán)重影響了改善的實(shí)效。

（2）數(shù)據(jù)分散應(yīng)用難

經(jīng)過(guò)數(shù)字化、信息化的改造，規(guī)模以上家具制造企業(yè)已基本構(gòu)建起企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)與信息系統(tǒng)。然而絕大多數(shù)家具企業(yè)的信息系統(tǒng)來(lái)源于不同的供應(yīng)商，系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)互通存在困難，數(shù)據(jù)口徑也不一致。流程再造依賴的生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分散在不同信息系統(tǒng)之中，查詢速度慢，數(shù)據(jù)精度低，數(shù)據(jù)資源轉(zhuǎn)化與應(yīng)用的難度較大。

（3）傳統(tǒng)改善深入難

隨著家具企業(yè)基于價(jià)值流程圖（Value Stream Mapping，VSM）展開(kāi)精益改善[21-22]的逐步深入，產(chǎn)線優(yōu)化進(jìn)入了“深水區(qū)”，依托人的主觀思考來(lái)實(shí)施改善的模式難以向更精細(xì)的方向推進(jìn)，在缺少全面數(shù)據(jù)積累和高效分析工具的制約下，傳統(tǒng)的改善手段已經(jīng)難以給家具制造過(guò)程帶來(lái)長(zhǎng)足進(jìn)步。

（4）優(yōu)化效果評(píng)估難

流程再造的效果評(píng)價(jià)一直以來(lái)都是制造業(yè)的一個(gè)痛點(diǎn)。一方面，生產(chǎn)線各項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)性長(zhǎng)期被忽視，缺乏衡量制造系統(tǒng)全局效益的量化指標(biāo)；另一方面，改善活動(dòng)的效果預(yù)測(cè)方式過(guò)于粗糙，參考價(jià)值不強(qiáng)，許多問(wèn)題只有在調(diào)整物理實(shí)體產(chǎn)線后才暴露出來(lái)。

在新興的信息技術(shù)已經(jīng)為傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)普遍提升的大背景下，家具制造過(guò)程中存在的問(wèn)題可以概括為：不全面、不精準(zhǔn)、不及時(shí)和不直觀。數(shù)字孿生技術(shù)在家具制造過(guò)程中的應(yīng)用，就是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建基于家具生產(chǎn)制造全過(guò)程的、高保真實(shí)時(shí)交互的可視化三維模型，對(duì)于推動(dòng)家具制造的精細(xì)化管理與系統(tǒng)化改善具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

■圖3 家具數(shù)字孿生車間“數(shù)字生命體”模型

3 家具數(shù)字孿生車間的構(gòu)建

家具制造業(yè)是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)管理與制造執(zhí)行主要依托于人，細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)在技術(shù)層面上沒(méi)有顯現(xiàn)出代差，制造水平整體趨同，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)白熱化，因此各大家具制造企業(yè)都迫切期盼通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新謀求破局。數(shù)字孿生技術(shù)能夠從根本上解決家具制造過(guò)程中的諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，因此基于該項(xiàng)技術(shù)開(kāi)展深度重構(gòu)，必然成為家具產(chǎn)業(yè)邁向智能制造的關(guān)鍵一環(huán)。

3.1 家具數(shù)字孿生車間的概念

數(shù)字孿生車間（Digital Twin Shopfloor，DTS）概念于2017年提出，是指在新技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，物理與虛擬車間信息實(shí)時(shí)交互，全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成，并在孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，車間生產(chǎn)管理與控制在物理車間、虛擬車間以及車間服務(wù)系統(tǒng)之間迭代運(yùn)行，在一定條件和目標(biāo)下實(shí)現(xiàn)車間最優(yōu)化運(yùn)行的新模式[23]。這一概念落實(shí)到家具制造領(lǐng)域，就是家具數(shù)字孿生車間（Furniture Digital Twin Shop-floor，F(xiàn)DTS）。

FDTS的構(gòu)建，目的在于應(yīng)用先進(jìn)的工藝技術(shù)、感知技術(shù)、通信技術(shù)、仿真技術(shù)、分析技術(shù)、控制技術(shù)、展示技術(shù)，在物理車間的基礎(chǔ)上，于虛擬空間中搭建高保真、高置信度的虛擬車間，并根據(jù)車間需求設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)交互平臺(tái)，建立泛在融合的智能制造空間（Smart Manufacturing Space，SMS）[24]，基于人工智能全面解決家具制造過(guò)程中不全面、不精準(zhǔn)、不及時(shí)、不直觀的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

3.2 家具數(shù)字孿生車間的系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)數(shù)字孿生的五維模型，可以將FDTS的系統(tǒng)架構(gòu)劃分為物理層、模型層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和交互層五個(gè)層次，各層次之間的內(nèi)涵及關(guān)系如圖2所示。

物理層是家具制造的實(shí)體部分，包括產(chǎn)品、物料、設(shè)備、工裝、容器、人員、工藝、環(huán)境等因素，既是基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的直接來(lái)源，又是智能生產(chǎn)決策執(zhí)行的終端。

模型層是基于家具制造的實(shí)體部分在虛擬空間中的映射，不僅包含了廠房柱網(wǎng)、生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品物料、工裝容器等物理實(shí)體的三維模型，同時(shí)還涵蓋了加工工藝、物料流轉(zhuǎn)、分揀倉(cāng)儲(chǔ)、人員安排、工序配合等邏輯模型。這些模型一方面反映了家具制造實(shí)體部分各要素之間的位置、大小等空間聯(lián)系，同時(shí)給出了這些要素之間在業(yè)務(wù)層面的配合關(guān)系，都是如實(shí)映射物理實(shí)體形態(tài)特征和運(yùn)行邏輯的必要條件。

服務(wù)層是生產(chǎn)管理人員直接接觸的前端，由一系列供人操作和為決策提供依據(jù)的人機(jī)界面構(gòu)成。這些界面囊括了PC端和移動(dòng)端，只集成具體崗位所需要的數(shù)據(jù)，并通過(guò)可視化的方式呈現(xiàn)。

數(shù)據(jù)層匯集了整個(gè)家具數(shù)字孿生車間中的制造大數(shù)據(jù)。不僅包括存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，還涵蓋可供挖掘與分析的數(shù)據(jù)中臺(tái)，進(jìn)而統(tǒng)一數(shù)據(jù)口徑，提升數(shù)據(jù)提取和分析的效率，避免重復(fù)的企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

交互層主要是借助各類數(shù)據(jù)接口、傳輸協(xié)議以及先進(jìn)的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)層次、系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，達(dá)到數(shù)據(jù)和指令及時(shí)上傳與下達(dá)的目的[25]。

3.3 家具數(shù)字孿生車間的關(guān)鍵組成

家具數(shù)字孿生車間的關(guān)鍵組成可以描述為“三個(gè)系統(tǒng)+一種資源+一套管路”的“數(shù)字生命體”，即物理車間系統(tǒng)（Physical Shop-floor System，PSS）、虛擬車間系統(tǒng)（Virtual Shop-floor System，VSS）、車間服務(wù)系統(tǒng)（Shop-floor Service System，SSS）、孿生數(shù)據(jù)資源（Digital Twin Data，DTD）與交互連接管路（Interactive connection Vessels，ICV）。從“數(shù)字生命體”的角度來(lái)理解，三個(gè)系統(tǒng)是“器官”，孿生數(shù)據(jù)是“血液”，交互連接是“血管”，如圖3所示。

3.3.1 物理車間系統(tǒng)

家具制造是實(shí)體產(chǎn)品的制造，物理車間是實(shí)體的家具產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)制造的根本，涵蓋了家具制造車間中客觀存在的各項(xiàng)因素。

■圖4 FDTS的實(shí)施路徑

物理車間是最主要的數(shù)據(jù)感知窗口，通過(guò)產(chǎn)品和物料上的二維碼、RFID標(biāo)簽等特征標(biāo)記以及部署在設(shè)備上的各類傳感器，采集實(shí)時(shí)的、多源的、異構(gòu)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)；對(duì)于部分簡(jiǎn)單且時(shí)效性要求較高的質(zhì)量事件、安全事件，或者獨(dú)立性較強(qiáng)的檢測(cè)方法，如通過(guò)機(jī)器視覺(jué)判斷刀具磨損情況[26]等，直接由物理車間進(jìn)行即時(shí)處理；接受和執(zhí)行來(lái)自數(shù)字孿生系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的指令，根據(jù)指令的要求完成生產(chǎn)任務(wù)。

3.3.2 虛擬車間系統(tǒng)

虛擬車間是物理車間在虛擬環(huán)境下的鏡像，最大限度的刻畫物理車間中各種因素的三維模型與邏輯結(jié)構(gòu)，并能夠以較高的匹配度對(duì)真實(shí)的生產(chǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。虛擬車間是基于計(jì)算機(jī)的算力實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置的集中體現(xiàn)，是家具數(shù)字孿生車間的技術(shù)核心[27]。

在產(chǎn)線規(guī)劃與流程再造階段，借助虛擬車間，可以在不具備新的硬件設(shè)備、空間布局和物流系統(tǒng)的測(cè)試條件，或者測(cè)試成本過(guò)高，或是存在多種方案需要評(píng)估擇優(yōu)的情況下支持生產(chǎn)決策，從而規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷帶來(lái)的巨大成本浪費(fèi)[28]。在生產(chǎn)控制階段，虛擬車間可以對(duì)家具產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的工藝規(guī)劃、計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)調(diào)度、緩存分揀、設(shè)備運(yùn)行、物流動(dòng)線等各項(xiàng)行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)描述，從而精確掌握在一定的約束條件下，生產(chǎn)線內(nèi)部各組成部分之間的關(guān)系，預(yù)先驗(yàn)證生產(chǎn)方案，在生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)警各類擾動(dòng)并通過(guò)重調(diào)度進(jìn)行干預(yù)[29]。

3.3.3 車間服務(wù)系統(tǒng)

服務(wù)系統(tǒng)是FDTS與人進(jìn)行直接交互的端口，除開(kāi)發(fā)人員外，其他人員對(duì)于FDTS的運(yùn)用都依托于服務(wù)系統(tǒng)中封裝的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)系統(tǒng)直接面向車間管理和操作人員，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，各種功能界面基于人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，力圖為操作人員提供一個(gè)安全、便捷、專注的人機(jī)互動(dòng)接口，以利于信息的快速、精準(zhǔn)錄入以及制造數(shù)據(jù)、分析結(jié)論的可視化呈現(xiàn)；針對(duì)家具制造的特點(diǎn)和各個(gè)崗位的職能需求，服務(wù)系統(tǒng)中以車間布局、工藝規(guī)劃、計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)調(diào)度、擾動(dòng)監(jiān)控、物料管理、質(zhì)量管理、人員管理、設(shè)備管理、能耗管理、環(huán)境管理等具體功能進(jìn)行分類，并進(jìn)一步分化為集成各個(gè)崗位實(shí)際需求的操作界面；除業(yè)務(wù)功能外，服務(wù)系統(tǒng)還具備對(duì)FDTS中各類模型、數(shù)據(jù)、邏輯、權(quán)限進(jìn)行維護(hù)的管理功能。

3.3.4 孿生數(shù)據(jù)

工業(yè)4.0時(shí)代下，數(shù)據(jù)的價(jià)值甚至高于石油，是企業(yè)的核心驅(qū)動(dòng)力。擁有全面、精準(zhǔn)、及時(shí)數(shù)據(jù)的家具制造企業(yè)必然搶占時(shí)代的先機(jī)。

孿生數(shù)據(jù)是FDTS運(yùn)行的基礎(chǔ)，物理車間、虛擬車間、服務(wù)系統(tǒng)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能都需要依托孿生數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從數(shù)據(jù)管理層面來(lái)看，孿生數(shù)據(jù)除了聚合各類數(shù)據(jù)以外，還應(yīng)具備數(shù)據(jù)清洗與結(jié)構(gòu)化的功能，從而確保數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

3.3.5 交互連接管路

FDTS這一“數(shù)字生命體”的活力，具體體現(xiàn)在孿生數(shù)據(jù)“血液”在物理車間系統(tǒng)、虛擬車間系統(tǒng)、車間服務(wù)系統(tǒng)三大“器官”之間進(jìn)行“營(yíng)養(yǎng)交換”，這就依托于交互連接管路，否則就極易形成“數(shù)據(jù)孤島”，造成“器官”壞死。

交互連接管路的主要作用，就是將物理車間、虛擬車間和車間服務(wù)三大系統(tǒng)連接在一起，使得各個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)能夠快速、準(zhǔn)確、安全的流轉(zhuǎn)起來(lái)，同時(shí)打通FDTS前端的研發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)和后端的物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、營(yíng)銷管理系統(tǒng)，并延伸到企業(yè)管理系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)家具企業(yè)制造相關(guān)數(shù)據(jù)的全面互聯(lián)互通。

3.4 家具數(shù)字孿生車間的實(shí)施路徑

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合家具企業(yè)特征對(duì)制造過(guò)程實(shí)踐FDTS，是家具制造企業(yè)的頂層戰(zhàn)略。由于業(yè)內(nèi)探索還處于起步階段，為了取得家具制造企業(yè)自上而下的全面理解與支持，必須秉持謹(jǐn)慎而樂(lè)觀的態(tài)度，由點(diǎn)及面的開(kāi)展探索，逐步積累經(jīng)驗(yàn)，以“三步走”的策略來(lái)實(shí)施：首先以工序?yàn)榛A(chǔ)，然后逐步擴(kuò)展到車間，最后覆蓋整個(gè)家具企業(yè)生產(chǎn)制造體系。

FDTS構(gòu)建與應(yīng)用伴隨著家具企業(yè)制造體系的工藝水平、管理模式的進(jìn)化同步進(jìn)行，是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程，為了保障FDTS能夠持續(xù)支持家具企業(yè)制造水平的提升，有必要建立一支自有的、專業(yè)的、可靠的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，始終以企業(yè)實(shí)際為落腳點(diǎn)，開(kāi)展研究和探索工作。

根據(jù)當(dāng)前家具制造企業(yè)的實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，綜合家具產(chǎn)業(yè)細(xì)分領(lǐng)域的不同特點(diǎn)，F(xiàn)DTS的實(shí)施可以劃分為8個(gè)步驟，如圖4所示

（1）問(wèn)題分析

從智能制造的視角出發(fā)，對(duì)家具企業(yè)生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行全面分析，重點(diǎn)歸納制約家具企業(yè)效能充分發(fā)揮的各類因素，并參照其它行業(yè)的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造性探索數(shù)字化、信息化、智能化的解決方案。

（2）目標(biāo)構(gòu)建

結(jié)合企業(yè)自身的生產(chǎn)制造能力、數(shù)字化和信息化水平、企業(yè)資源狀況等現(xiàn)實(shí)因素，高層、中層和基層共同參與，管理、技術(shù)、運(yùn)營(yíng)聯(lián)合規(guī)劃下，劃定企業(yè)構(gòu)建FDTS的邊界，明確業(yè)務(wù)層面的具體需求，確立建設(shè)的目標(biāo)。

（3）現(xiàn)狀固化

家具制造企業(yè)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，往往出現(xiàn)工藝路徑不清晰、生產(chǎn)步調(diào)不一致、管理邏輯不明確等現(xiàn)象，因此在項(xiàng)目實(shí)施前需要對(duì)目標(biāo)產(chǎn)線的具體生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全面復(fù)盤，將其模式、邏輯、數(shù)據(jù)以成文的形式進(jìn)行全面固化，作為FDTS構(gòu)建的依據(jù)。

（4）總體規(guī)劃

根據(jù)固化下來(lái)的模式、邏輯和采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)合企業(yè)自身的特點(diǎn)，以建設(shè)目標(biāo)為指導(dǎo)，進(jìn)行總體框架的搭建，明確FDTS應(yīng)當(dāng)包括的功能模塊，對(duì)模塊的復(fù)用性和擴(kuò)展性提出具體要求。

（5）功能設(shè)計(jì)

重點(diǎn)就數(shù)據(jù)需求及數(shù)據(jù)采集、處理的方法，仿真模型構(gòu)建的深度，系統(tǒng)之間交互連接，前端呈現(xiàn)的具體形式，維護(hù)與更新的便捷設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問(wèn)題提出明確的解決思路。

（6）系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是FDTS的具體開(kāi)發(fā)過(guò)程。物理層主要關(guān)注數(shù)據(jù)需求的內(nèi)容、數(shù)據(jù)采集的方法、傳感器的部署；模型層重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)要素三維模型的搭建、制造邏輯的復(fù)現(xiàn)以及約束條件的定義；服務(wù)層需要明確操作者的真實(shí)需求，并結(jié)合人機(jī)工學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)層解決數(shù)據(jù)預(yù)處理與結(jié)構(gòu)化的問(wèn)題，構(gòu)建數(shù)據(jù)中臺(tái)；連接層就大數(shù)據(jù)的及時(shí)、精確、安全傳輸展開(kāi)探索。

（7）整體調(diào)試

串聯(lián)各個(gè)模塊，對(duì)采用的各類傳感器、接口、傳輸方式進(jìn)行測(cè)試，對(duì)三維模型、邏輯模型進(jìn)行評(píng)估和校正，對(duì)FDTS各項(xiàng)服務(wù)的性能進(jìn)行優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠在高保真的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。

（8）維護(hù)更新

維護(hù)更新是系統(tǒng)交付后持續(xù)開(kāi)展的工作，除了維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所必須的運(yùn)維外，還包括了根據(jù)實(shí)體車間的不斷變化而進(jìn)行的調(diào)整，以確保虛擬車間能夠時(shí)刻反映物理車間的真實(shí)情況。此外，隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)FDTS進(jìn)行更新，以提高系統(tǒng)的擬合度、響應(yīng)速度等性能，也是維護(hù)更新的重要內(nèi)容。

4 家具數(shù)字孿生車間關(guān)鍵技術(shù)方向

結(jié)合當(dāng)前家具制造業(yè)的現(xiàn)實(shí)狀況以及其它行業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)的成熟案例，F(xiàn)DTS的規(guī)劃、實(shí)踐與應(yīng)用亟需在五個(gè)方面取得技術(shù)突破。

4.1 多源異構(gòu)制造數(shù)據(jù)的采集與處理

形成科學(xué)的數(shù)據(jù)體系，并通過(guò)多種手段，突破技術(shù)瓶頸，繞過(guò)商業(yè)壁壘，重點(diǎn)解決加工工時(shí)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、人員效率數(shù)據(jù)、工序產(chǎn)能數(shù)據(jù)等采集不到、采集不準(zhǔn)、采集不全、采集不用的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)粒度達(dá)到最基本的生產(chǎn)單元的大數(shù)據(jù)采集。

4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的家具制造過(guò)程虛擬仿真建模與驗(yàn)證

一方面要求家具制造企業(yè)深刻理解以電子鋸、封邊機(jī)、加工中心、立體倉(cāng)庫(kù)、分揀倉(cāng)庫(kù)為代表的復(fù)雜裝備的內(nèi)部邏輯[30-31]，并在虛擬空間中最大限度的還原；另一方面要求家具制造企業(yè)全面厘清并標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，采用先進(jìn)的仿真建模軟件對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行3D復(fù)現(xiàn)，并構(gòu)建起科學(xué)的模型評(píng)價(jià)體系。

4.3 車間智能運(yùn)行監(jiān)控與動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)

借助各種傳感設(shè)備，對(duì)家具制造車間的生產(chǎn)效率、人員狀態(tài)、質(zhì)量水平等進(jìn)行全面而細(xì)致的把握，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理車間生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)映射；應(yīng)用人工智能算法，基于約束理論在實(shí)際生產(chǎn)的條件下進(jìn)行靈活的計(jì)劃排產(chǎn)與動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)調(diào)度，突破粗放的經(jīng)驗(yàn)化管理的限制，將生產(chǎn)管理貫徹到每一個(gè)基本單元，從而緩解擾動(dòng)帶來(lái)的影響，確保生產(chǎn)過(guò)程的流暢與產(chǎn)線整體的高效運(yùn)行。

4.4 基于數(shù)字孿生的家具制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理

重點(diǎn)通過(guò)部署在設(shè)備上的各類傳感器，識(shí)別關(guān)鍵指標(biāo)的變化，借助設(shè)備的數(shù)字孿生模型，評(píng)估設(shè)備的劣化程度、耗材的使用狀況、刀具的加工精度、故障出現(xiàn)的主要原因等，并根據(jù)車間的生產(chǎn)計(jì)劃、任務(wù)分配和人員配置，基于維修成本、備件庫(kù)存和設(shè)備可靠性對(duì)維修活動(dòng)進(jìn)行智能調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修，彌補(bǔ)事后維修和計(jì)劃性維修的不足，降低因頻繁維修或缺乏維護(hù)給生產(chǎn)進(jìn)度帶來(lái)的影響。

4.5 家具制造工藝參數(shù)智能優(yōu)化決策

通過(guò)為家具產(chǎn)品、原輔材料以及加工過(guò)程進(jìn)行數(shù)字孿生建模，以更為細(xì)致的方式量化工藝指標(biāo)，進(jìn)一步解決以天然木材為代表的家具材料差異化的理化性能與工藝參數(shù)的匹配問(wèn)題，使得加工過(guò)程可以圍繞材料的種類和內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)的開(kāi)展，因材施藝，最大限度的降低因工藝參數(shù)不合理而造成的崩缺、壓痕、鼓包、流掛等質(zhì)量問(wèn)題，提升產(chǎn)品合格率。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生作為智能制造領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，將對(duì)家具產(chǎn)業(yè)大幅提升產(chǎn)品品質(zhì)、交付能力、客戶體驗(yàn)和盈利水平發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用。這里提出了“家具數(shù)字孿生車間（FDTS）”的概念，并結(jié)合數(shù)字孿生的理論與家具智能制造的實(shí)際，對(duì)FDTS的系統(tǒng)架構(gòu)、核心功能和實(shí)施路徑進(jìn)行了初步規(guī)劃，提出了實(shí)施FDTS所需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，目的在于積極推動(dòng)家具制造業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、升級(jí)技術(shù)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換增長(zhǎng)動(dòng)力，向智能化、綠色化、高端化方向發(fā)展。