基于數(shù)字孿生車間的虛實融合研究綜述

聶文雪， 陳超， 楊梓豪， 張秋爽， 楊化林， 陳海周

（青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 山東青島 266061）

0 前言

在智能制造業(yè)的發(fā)展過程中， 如何解決車間的物理實體與虛擬實體交互共融成為智能車間的核心問題。 數(shù)字孿生作為現(xiàn)實事物的數(shù)字化映射［1－2］， 該技術(shù)可實現(xiàn)有效的虛實融合。 因此， 數(shù)字孿生車間成為一種新型的車間運行模式［3］， 數(shù)字孿生車間的虛實融合成為一種關(guān)鍵技術(shù)。

近年來， 我國在數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用方面取得了一些進展。 一些高校和研究機構(gòu)致力于研究數(shù)字孿生車間， 并在不同領(lǐng)域進行了一系列實踐。 在汽車制造領(lǐng)域， 研究者們利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)了車身焊接、 裝配等工藝的優(yōu)化與監(jiān)控。 在航空制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)被應(yīng)用于飛機的設(shè)計、 制造和維修過程， 以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 國外在數(shù)字孿生車間的研究和實踐方面也取得了顯著進展。 在歐洲、 美國等發(fā)達國家的制造業(yè)領(lǐng)域， 數(shù)字孿生技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程的模擬、 優(yōu)化和控制。 波音公司使用數(shù)字孿生車間技術(shù)來模擬飛機裝配過程， 以提高生產(chǎn)效率和減少錯誤。 德國的工業(yè)4.0 倡議中也強調(diào)數(shù)字孿生技術(shù)對于智能制造的重要性， 并在推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面取得了顯著進展。 本文作者基于數(shù)字孿生技術(shù)對數(shù)字孿生車間的虛實融合進行研究， 并對未來車間中的虛實融合技術(shù)提出展望。

1 從數(shù)字孿生到數(shù)字孿生車間

1.1 數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生的起源可以追溯到1969 年， 美國NASA阿波羅計劃運用數(shù)字孿生概念［4］。 后來， 學(xué)者們普遍認為這一概念由美國密歇根大學(xué)Michael GRIEVES 教授提出， 當(dāng)時被稱作“鏡像的空間模型”。 在2006年， 又被定義為“信息鏡像模型”［5－7］。 2011 年后，隨著數(shù)字孿生體的首次引用， 數(shù)字孿生逐漸走進公眾視野并被國內(nèi)外企業(yè)接受與推廣， 成為當(dāng)代科技發(fā)展的重要手段［8］。 隨著德國“工業(yè)4.0” 的提出， 智能化已成為當(dāng)今時代發(fā)展的必然趨向。 在此背景下， 數(shù)字孿生作為物理世界的實時鏡像［9］， 成為助力智能化時代發(fā)展的重要抓手。

學(xué)術(shù)界廣泛認定數(shù)字孿生是以數(shù)字化形式使得物理實體的構(gòu)造、 狀態(tài)、 特征、 功能映射到計算機的虛擬實體［10］， 進而充分借助程序化邏輯控制器， 利用虛擬實體的數(shù)據(jù)信息預(yù)測和控制物理實體， 實現(xiàn)虛實結(jié)合， 從而進行虛擬實體與物理實體兩者間的交互反饋， 使得各類工作得到有效的優(yōu)化分析［11］。 數(shù)字孿生概念模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生概念模型［12］Fig.1 Digital twin conceptual model［12］

從功能視角來看， 數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)物理實體與虛擬實體的交互共融。 首先， 數(shù)字孿生是物理實體的真實映射， 可以展現(xiàn)實時動態(tài)［13］； 其次， 該技術(shù)能夠模擬仿真復(fù)雜系統(tǒng)， 使得物理系統(tǒng)更加優(yōu)化［14］。 目前， 很多企業(yè)借助數(shù)字孿生技術(shù)進行模擬仿真、 預(yù)測分析、 質(zhì)量檢測、 設(shè)備維護等工作［15－16］。

1.2 數(shù)字孿生車間

基于數(shù)字孿生技術(shù)的功能特性， 國內(nèi)外學(xué)者將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能制造業(yè)， 數(shù)字孿生車間由此衍生。

傳統(tǒng)的智能車間利用各種現(xiàn)代化的技術(shù)代替勞動力， 節(jié)約人力成本， 提高生產(chǎn)效率， 給人類的生產(chǎn)帶來便捷。 然而， 傳統(tǒng)的智能車間還存在盲區(qū)， 無法使車間外的管理人員及時獲取車間真實生產(chǎn)狀況， 例如設(shè)備運行是否正常、 物料供應(yīng)是否充足、 完工情況是否理想、 排產(chǎn)計劃是否合理等。

在更新型的數(shù)字孿生車間中， 以上問題迎刃而解。 數(shù)字孿生車間在各種先進技術(shù)的支持下， 通過物理車間和虛擬車間的雙向真實映射與多感知實時交互， 通過幾何數(shù)據(jù)、 行為數(shù)據(jù)、 特征數(shù)據(jù)、 指令數(shù)據(jù)的集成與融合［17］， 使得虛擬車間對物理車間的生產(chǎn)動態(tài)進行建模仿真、 預(yù)測評估、 分析優(yōu)化、 精準(zhǔn)管控等工作， 達到車間高效生產(chǎn)、 智能管控和服務(wù)優(yōu)化的目標(biāo)。 由于數(shù)字孿生車間的生產(chǎn)特點， 其關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用掀起智能制造業(yè)中的一番熱潮， 同時引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界更多人的關(guān)注。

1.3 數(shù)字孿生車間的研究應(yīng)用

在學(xué)術(shù)研究層面， 數(shù)字孿生車間的體系架構(gòu)如圖2 所示， 它主要由車間實體、 虛擬模型、 服務(wù)系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)4 個重要部分組成； 數(shù)字孿生車間的運行機制也重點從生產(chǎn)要素管理、 生產(chǎn)活動規(guī)劃和生產(chǎn)過程管控3 個方面進行改進和優(yōu)化； 為更好地實現(xiàn)數(shù)字孿生車間的功能特性， 構(gòu)建虛擬模型、 獲取車間孿生數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)車間生產(chǎn)過程的實時交互是研究整個數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的關(guān)鍵［18］。

圖2 數(shù)字孿生車間的體系架構(gòu)［19］Fig.2 Architecture of digital twin workshop［19］

在工業(yè)應(yīng)用層面， 數(shù)字孿生車間起初用來監(jiān)控和改進車間生產(chǎn)線的生產(chǎn)［20］； 后來為了提前判斷工程師的決策運用在物理車間是否可行， 數(shù)字孿生車間也用來做產(chǎn)品研發(fā)、 優(yōu)化設(shè)計等工作， 大大減少了屢次試錯的成本， 并且可以不斷調(diào)優(yōu)； 現(xiàn)在很多企業(yè)甚至借用數(shù)字孿生車間來檢測產(chǎn)品質(zhì)量和進行設(shè)備維護等。

對于數(shù)字孿生車間的研究及應(yīng)用而言， 目前仍需要加倍克服的難題之一就是物理車間和虛擬車間的交互共融問題， 因此， 有需要對虛實融合技術(shù)做進一步的提升， 使得數(shù)字孿生車間物理實體和虛擬實體交互共融與實時優(yōu)化的問題更加完善。

2 數(shù)字孿生車間的虛實研究對象

所謂虛實相生， “實” 是客觀世界中真實存在的事物， 也可化虛為實； “虛” 是主觀世界中抽象存在的虛境， 也可化實為虛。 在數(shù)字孿生車間的虛實對象中， 實是指物理車間， 虛是指虛擬車間。

2.1 物理車間

物理車間是生產(chǎn)系統(tǒng)中的主體， 主要包括機器人、 機床、 專用設(shè)備、 車間工人等物理實體［21］， 它是虛擬車間數(shù)據(jù)的提供者［22］， 重點負責(zé)日常的生產(chǎn)加工［3，23－25］。

陶飛等人［19］提出的物理車間， 不僅具有傳統(tǒng)車間的功能特性， 還能對海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行實時感知與交互共融。 由于車間的生產(chǎn)要素不同， 數(shù)據(jù)來源較多， 在對物理車間的各項數(shù)據(jù)信息進行感知與獲取時， 車間數(shù)據(jù)具有很大的異構(gòu)性和多源性， 需要采用全要素感知設(shè)備和統(tǒng)一接口， 還需要規(guī)范的通信協(xié)議訪問異構(gòu)系統(tǒng)。 此后， 采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)會進行分類、清洗、 存儲等處理［26］， 最終實現(xiàn)物理車間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與融合， 如圖3 所示。

圖3 物理車間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與融合Fig.3 Integration and fusion of multi－source heterogeneous data in the physical workshop

此外， 物理車間還實現(xiàn)了“人－機－環(huán)境” 的數(shù)據(jù)融合。 雖然物理車間存在眾多不同的生產(chǎn)要素， 但各生產(chǎn)要素之間建立了廣泛的聯(lián)系， 便于數(shù)據(jù)信息在人－機、 機－機之間互聯(lián)互通， 克服了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)和車間各類信息管理系統(tǒng)的通信難題， 也能夠在全局最優(yōu)化的前提下對自身活動進行協(xié)調(diào)管理和優(yōu)化。 與以人為主導(dǎo)元素的傳統(tǒng)車間相比［27］， 物理車間實現(xiàn)了人、 機與環(huán)境的和諧共生， 三者的深度融合達到了無縫銜接。

2.2 虛擬車間

虛擬車間是物理車間以數(shù)字化的形式映射到計算機中的虛擬實體， 其主要任務(wù)是對物理車間的運行狀態(tài)進行模擬、 仿真、 監(jiān)控、 評估、 優(yōu)化以及各種生產(chǎn)動作的管控等［28］。

陸劍峰等［27］提出虛擬車間是物理車間的數(shù)字化模型， 可以直觀地展現(xiàn)物理車間的生產(chǎn)動態(tài)， 包括物理車間生產(chǎn)要素的實體模型、 車間生產(chǎn)行為的真實刻畫、 車間生產(chǎn)運行的演化規(guī)律及規(guī)則等。 虛擬車間的三維模型是將物理車間的實體模型映射到計算機中所得［29］。 物理車間的生產(chǎn)要素不盡相同， 為實現(xiàn)精準(zhǔn)映射［30］， 虛擬車間的數(shù)字化生產(chǎn)要素需要多領(lǐng)域、多尺度融合建模［22］。 在對三維模型進行優(yōu)化后， 實時狀態(tài)數(shù)據(jù)被傳輸?shù)教摂M模型空間中， 并且數(shù)據(jù)不斷更新， 使得物理車間的生產(chǎn)行為活動在計算機中得以重現(xiàn)［31］。 虛擬車間在數(shù)據(jù)驅(qū)動下運行一段時間， 計算機會根據(jù)生產(chǎn)運行歷史數(shù)據(jù)演化出特定的規(guī)律與準(zhǔn)則， 用于數(shù)據(jù)管理、 狀態(tài)評估、 生成計劃、 運行指令和制造服務(wù)系統(tǒng)等。

虛擬車間不僅可以實現(xiàn)對遠端物理車間動態(tài)生產(chǎn)的可視化， 還可對復(fù)雜系統(tǒng)進行仿真［32］。 仿真過程中可以提前發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實生產(chǎn)活動存在的問題， 從而對仿真結(jié)果進行分析并改善。 同時， 其反饋也可以通過通信接口存入數(shù)據(jù)庫［33］。 物理車間模型和虛擬車間模型之間會建立良好的聯(lián)系， 當(dāng)實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)沖突和擾動時， 虛擬車間能夠及時檢測， 并將改進方案同步反饋給實際生產(chǎn)線， 從而實現(xiàn)物理模型和虛擬模型之間的交互以及通信連接［34］。

3 數(shù)字孿生車間的虛實融合系統(tǒng)

要實現(xiàn)虛實對象的交互通信， 必然需要融合系統(tǒng)的支持與服務(wù)， 因此必然存在車間服務(wù)系統(tǒng)。 車間服務(wù)系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)產(chǎn)生， 借助車間孿生數(shù)據(jù)平臺， 可為數(shù)據(jù)驅(qū)動的車間生產(chǎn)提供所需的各類服務(wù)。

3.1 車間孿生數(shù)據(jù)

車間孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生車間中各種數(shù)據(jù)的集合［35］， 搭建數(shù)據(jù)共享平臺的同時也推動了數(shù)字孿生車間的運轉(zhuǎn)［33］。 車間孿生數(shù)據(jù)的主要組成部分為：物理車間數(shù)據(jù)、 虛擬車間數(shù)據(jù)、 車間服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

物理車間數(shù)據(jù)主要有生產(chǎn)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)、 操作工人能力數(shù)據(jù)、 物料資源有限數(shù)據(jù)、 生產(chǎn)行為狀態(tài)數(shù)據(jù)、 生產(chǎn)進度反饋數(shù)據(jù)等［36］。 物理車間的數(shù)據(jù)資源通常借助物聯(lián)感知設(shè)備獲取， 通過統(tǒng)一的通信接口上傳到車間孿生數(shù)據(jù)平臺。 虛擬車間數(shù)據(jù)主要有三維模型數(shù)據(jù)和仿真、 預(yù)測、 評估、 優(yōu)化等數(shù)據(jù)［36］。 虛擬車間數(shù)據(jù)一般通過傳感器收集、 傳輸或直接上傳到孿生數(shù)據(jù)平臺。 通過以上兩類數(shù)據(jù)的整合、 統(tǒng)計、 分析、 歸并、 挖掘等操作［26］， 虛實車間融合數(shù)據(jù)以及各類智能數(shù)據(jù)由此衍生。 車間服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是由以上4 種數(shù)據(jù)整合得到的， 具體類型主要有產(chǎn)品用戶的訂單數(shù)據(jù)、 制造商的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、 生產(chǎn)計劃調(diào)度數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管控數(shù)據(jù)等。 車間服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)上傳到車間孿生數(shù)據(jù)平臺。

車間孿生數(shù)據(jù)將各種數(shù)據(jù)深度融合， 為車間所需的數(shù)據(jù)驅(qū)動提供了支撐服務(wù)， 實現(xiàn)了物理車間、 虛擬車間、 車間服務(wù)系統(tǒng)間的兩兩交互［37－38］。

3.2 車間服務(wù)系統(tǒng)

車間服務(wù)系統(tǒng)以車間孿生數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)， 其核心目標(biāo)是在相關(guān)數(shù)據(jù)集成與融合的基礎(chǔ)上開發(fā)智能管控車間系統(tǒng)的生產(chǎn)服務(wù)， 以及向產(chǎn)品用戶和制造商提供相關(guān)服務(wù)［39］。

基于數(shù)字孿生的智能管控車間系統(tǒng)的生產(chǎn)服務(wù)主要包括對生產(chǎn)設(shè)備、 生產(chǎn)計劃、 生產(chǎn)行為的管控與優(yōu)化等。 首先， 要掌握生產(chǎn)設(shè)備的特性， 確保服務(wù)系統(tǒng)管控生產(chǎn)設(shè)備的可達性； 其次， 生產(chǎn)計劃的服務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息對車間生產(chǎn)計劃實時調(diào)度［39］，計劃數(shù)據(jù)及相關(guān)的孿生數(shù)據(jù)、 預(yù)測數(shù)據(jù)均被傳輸?shù)接糜跀?shù)據(jù)一致性分析處理的模型和算法的孿生數(shù)據(jù)平臺中， 處理后將數(shù)據(jù)輸送到虛擬車間進行模擬仿真； 最后， 模擬準(zhǔn)確無誤后， 通過生產(chǎn)計劃系統(tǒng)傳達到物理車間進行實際生產(chǎn)行為， 從而完成服務(wù)生產(chǎn)的目標(biāo)［40］。 若模擬結(jié)果不理想， 車間服務(wù)系統(tǒng)會重新對生產(chǎn)計劃進行評估、 修正和優(yōu)化［41］。 車間服務(wù)系統(tǒng)中有一個高級調(diào)度模塊， 可根據(jù)產(chǎn)品用戶的訂單、 交貨期限、 生產(chǎn)周期、 生產(chǎn)資源的額度安排車間的生產(chǎn)日程， 并根據(jù)車間的實際生產(chǎn)情況進行調(diào)整［36］。 制造商通過車間服務(wù)系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃調(diào)度可以方便、 準(zhǔn)確、 實時地掌握車間的生產(chǎn)狀況， 從而計劃向產(chǎn)品用戶接單。 圖4 展示了車間服務(wù)系統(tǒng)的工作過程。

圖4 車間服務(wù)系統(tǒng)的工作過程Fig.4 Working process of workshop service system

車間服務(wù)系統(tǒng)以一種新穎的方式將物理車間、 虛擬車間、 智能數(shù)據(jù)有效地融合起來， 組成一個新型的智能管控車間服務(wù)系統(tǒng)。

4 數(shù)字孿生車間的虛實融合技術(shù)

虛實融合是數(shù)字孿生車間中尤為重要的一項技術(shù)， 它將物理車間和虛擬車間連接起來， 是實現(xiàn)兩者間交互融合的有效途徑。 虛實融合技術(shù)主要包括以下3 個方面： 雙向真實映射、 多感知實時交互以及3R技術(shù)（VR 技術(shù)、 AR 技術(shù)、 MR 技術(shù)）。

4.1 雙向真實映射

數(shù)字孿生車間的虛實融合的實現(xiàn)需要虛實車間的雙向真實映射， 從而構(gòu)建高精度模型進行仿真并反向管控物理車間。 從多維度、 多尺度建模是實現(xiàn)目標(biāo)的正確方 向［42－47］。 冷 柏 寒 等［2］從 幾 何、 物 理、 行 為、規(guī)則、 約束等關(guān)鍵維度對物理實體進行數(shù)字孿生模型的創(chuàng)建。

幾何建模方面， 可以采用UG、 SolidWorks、 Pro/Engineer 等計算機輔助設(shè)計軟件對車間物理實體的幾何特征（外形、 公差、 尺寸） 進行確切表達［48］。 其次， 也可以借助CAESES 軟件對車間物理實體進行全參數(shù)化建模及優(yōu)化分析［49］。 在此基礎(chǔ)上， 可以對構(gòu)件進行運動學(xué)的定義和自由度的檢查。

物理建模方面， 需要對車間實體的物理特征（材 質(zhì)、 密 度、 硬 度） 進 行 精 確 描 述［50－52］。 利 用COMSOL Multiphysics 軟件的CAD 導(dǎo)入功能可進一步實現(xiàn)車間實體的物理參數(shù)控制， 也可在該軟件環(huán)境中任意選擇物理場進行仿真， 并能對耦合現(xiàn)象做出分析與解釋。

行為建模方面， 西門子的Process Simulate 仿真軟件可以通過豐富的建模單元對車間物理實體的行為、 移動路徑進行編輯， 并可實現(xiàn)車間生產(chǎn)線的全局動態(tài)仿真［53］， 圖5 所示為機器人點焊引擎蓋仿真。根據(jù)最優(yōu)仿真結(jié)果擬定生產(chǎn)方案， 從而傳遞給物理車間進行實際生產(chǎn)并實時監(jiān)測［54］。

圖5 機器人點焊引擎蓋Fig.5 Robot spot welding engine hood

規(guī)則建模方面， 構(gòu)建物理車間模型需要遵循相關(guān)規(guī)則［55］。 例如： 車間的人、 機、 料要有機結(jié)合； 關(guān)聯(lián)工序要保持平衡及流暢、 要盡量布置“U” 形生產(chǎn)線［56］； 盡可能遵守經(jīng)濟性合理原則， 減少占地空間等。

約束建模方面， 約束是模型必須要滿足的條件［57］。 例如： 約束加工設(shè)備的運作區(qū)間， 防止設(shè)備間的干涉［49］； 約束AGV 小車的行駛路徑， 避免車－車、 車－機、 車－人之間的觸碰［58］； 建立約束方程創(chuàng)造不同時段、 不同車間的工作條件。 模型的約束不僅可以在虛擬車間實現(xiàn)， 也可借助新一代技術(shù)管控物理車間。

多維度、 多尺度建模技術(shù)是減少模型誤差、 提高仿真精度、 確保應(yīng)用性能的基礎(chǔ)［59－61］， 是保證映射真實程度的關(guān)鍵， 是檢驗真實性的標(biāo)桿。 張超等人［62］研究了數(shù)字孿生制造單元的多維度、 多尺度建模方法， 并與云協(xié)同配置方法相結(jié)合構(gòu)建了軟硬件集成的數(shù)字孿生車間， 實現(xiàn)了虛實車間的雙向真實映射。 蔣澤等人［63］在船舶結(jié)構(gòu)虛實融合試驗中提出了多維度、 多尺度建模的關(guān)鍵技術(shù)， 并說明該技術(shù)是構(gòu)建真實準(zhǔn)確的虛擬場景的關(guān)鍵。

4.2 多感知實時交互

在虛實車間交互共融的過程中， 傳感器的多感知與實時交互具有不可替代的作用。 車間傳感器的主要功能是監(jiān)測生產(chǎn)車間信息［64］， 如車間環(huán)境、 生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、 生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量［65］等， 并將感知到的信息轉(zhuǎn)化為電信號輸出， 達到傳輸、 儲存、 顯示和控制的要求。 目前車間傳感器的種類繁多， 其原理、 功能也不盡相同［66－68］。

目前， 視覺傳感器已在車間感知領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它借助圖像處理技術(shù)獲得所需信息， 通常用來幫助機器人識別相關(guān)目標(biāo)并執(zhí)行任務(wù)。 BAVELOS 等［69］的研究表明： 視覺傳感器可以幫助移動機器人導(dǎo)航和定位。

此外， 力敏傳感器也時常用于車間設(shè)備的感知，它將感知的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號， 處理分析后得到結(jié)果， 用來檢測加工設(shè)備的受力情況和形變程度。DE MARIA等［70］利用力敏傳感器充當(dāng)觸覺傳感器， 用來估計與之接觸的剛性物體的幾何形狀。

另外， 嗅覺傳感器已在食品生產(chǎn)車間得到廣泛應(yīng)用， 它是通過捕捉氣體進行感知分析得到結(jié)果［71］，主要用來檢測車間食品的質(zhì)量［72］。 SANAEIFAR 等［73］采用嗅覺傳感器對不同生產(chǎn)階段的葡萄酒進行質(zhì)量控制， 并改進了生產(chǎn)過程， 提高了生產(chǎn)質(zhì)量。

除了傳感器感知， 數(shù)字孿生車間的虛實融合還需要實時交互， 即物理車間的傳感器將感知到的信息轉(zhuǎn)化為電信號并即刻傳輸?shù)教摂M車間， 虛擬車間接收信號并在車間服務(wù)系統(tǒng)分析處理后將指令傳達到物理車間進行管控。 隨著新一代信息技術(shù)的集成， 傳感器具有強大的通信接口功能。 首先， 通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化使得數(shù)據(jù)傳輸更加便捷， 既提高了準(zhǔn)確性也減少了延長時間。 其次， 數(shù)據(jù)的通信功能能直接與計算機連接，減少了數(shù)據(jù)傳輸時間， 提高了數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。 再者，無線傳感的設(shè)計在沒有其他物質(zhì)做媒介的情況下， 節(jié)約了時間， 減少了成本， 使工作更便捷。 袁莉莉等［74］將傳感器及無線傳輸?shù)奶卣饔糜谄囍悄苘囬g，并與車間服務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合， 實現(xiàn)了多感知實時交互。

4.3 VR、 AR、 MR 技術(shù)

在數(shù)字孿生車間虛實融合的過程中， 3R 技術(shù)將虛擬場景以可視化形式呈現(xiàn)［75］， 并增強了真實性。3R 技術(shù)分別以沉浸式、 疊加式、 交互式的特性將用戶帶入虛擬場景中［76］， 感受現(xiàn)場般的真實， 甚至體驗現(xiàn)實中達不到的場景［77－78］。 3R 技術(shù)的組成如圖6所示。

圖6 3R 技術(shù)的組成Fig.6 Composition of 3R technology

VR （虛擬現(xiàn)實技術(shù)） 是一種使用戶沉浸在計算機虛擬環(huán)境中的技術(shù)［79－82］。 在虛實車間交互融合的應(yīng)用中， VR 借助環(huán)境建模技術(shù)真實映射了物理車間［83］， 并伴有計算機產(chǎn)生的多感知屬性， 如視覺、聽覺、 觸覺等一切人具有的感知［84－88］。 VR 技術(shù)允許用戶通過身體運動、 自然語言等方式與虛擬車間中的實體進行交流互動［89－90］， 用戶也可借助外界設(shè)備更好地實現(xiàn)與虛擬車間的交互功能［81，91－94］。 周志國、 曾祥軍［95］曾提出虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的3 個特征， 即VR 技術(shù)的沉浸感、 交互性、 構(gòu)想性。 近年來， LAWSON等［78］的研究表明： 在捷豹路虎的汽車生產(chǎn)制造車間里， VR 技術(shù)的使用可以在產(chǎn)品設(shè)計中節(jié)約大量時間和成本。

AR （增強現(xiàn)實技術(shù)） 就是一種將虛擬元素與現(xiàn)實場景進行疊加的技術(shù)［96－97］。 具體說來， AR 技術(shù)能夠利用三維建模技術(shù)在現(xiàn)實場景中增添虛擬元素［98］，兩者也可進行融合與交互［99］， 但虛擬元素只會固定在某個位置， 無法被現(xiàn)實場景中的物體所遮擋。 借助AR 技術(shù)的特性可解決虛實車間融合過程中的眾多問題。 NEE 等［100］提出在制造產(chǎn)品的設(shè)計、 生產(chǎn)、 包裝、 運輸?shù)裙ぷ髦校?使用AR 技術(shù)可以提前模擬車間、 改進工作方案， 并減少返工機會。 RELJIC＇等［101］的研究發(fā)現(xiàn)； AR 技術(shù)在制造車間的裝配和維護中的應(yīng)用最為突出， 并能夠遠程協(xié)助和培訓(xùn)［102－107］。

MR （混合現(xiàn)實技術(shù)） 融合了VR 和AR［108］， 它能實現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實世界的交互共融， 并借助載體設(shè)備在現(xiàn)實場景中呈現(xiàn)虛擬場景［109］， 從而產(chǎn)生新的環(huán)境。 MR 技術(shù)也可通過肢體動作和自然語言獲取實時數(shù)據(jù)和幫助， 無虛實界限的交流與互動［110－112］。ESPíNDOLA 等［113］研究了如何利用MR 技術(shù)幫助車間設(shè)備維護的工作者。 目前， MR 技術(shù)還可以用于車間的多項工作， 如遠程協(xié)助、 崗位培訓(xùn)、 維護手冊、 故障預(yù)測等。

5 相關(guān)技術(shù)的支撐

隨著科技水平的發(fā)展， 新一代高新技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、 云計算技術(shù)、 人工智能技術(shù)等） 也為實現(xiàn)數(shù)字孿生車間的虛實融合提供了有力支撐［114］。

5.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)被稱之為物物相連、 萬物互連的互聯(lián)網(wǎng)［27］。 它可借助多種裝置和技術(shù)， 包括信息傳感器、射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID） 技術(shù)、 GPS 技 術(shù)、 信 息 采 集 層 技 術(shù)、 二 維 碼 技 術(shù)等［74，115］， 進行目標(biāo)事物的連續(xù)監(jiān)控、 物理環(huán)境的深度感知以及其他物體的實時數(shù)據(jù)采集和交互通信［116］。 該技術(shù)也可通過智能傳感技術(shù)以及和其他網(wǎng)絡(luò)的連接， 實現(xiàn)物與物、 人與人、 人與物的互聯(lián)互通［117］。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可為實現(xiàn)數(shù)字孿生車間的虛實融合提供有效途徑。 構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)的可視化虛擬車間， 利用傳感器從物理車間采集信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)教摂M車間， 可以實時感知車間環(huán)境、 觀察車間生產(chǎn)狀態(tài)、 監(jiān)測車間設(shè)備、 了解完工情況等［118－119］。 在物聯(lián)網(wǎng)支持的車間服務(wù)系統(tǒng)下， 可以合理安排車間的人員信息和生產(chǎn)任務(wù)， 使得企業(yè)實現(xiàn)透明化管理與生產(chǎn)。

5.2 云計算技術(shù)

云計算技術(shù)是一種通過網(wǎng)絡(luò)按需要提供大量計算資源的技術(shù)［120］。 該技術(shù)將偌大的數(shù)據(jù)運算程序拆分成無數(shù)個子程序， 然后交給由多個服務(wù)器組成的龐大系統(tǒng)， 經(jīng)過資料查詢、 精準(zhǔn)計算、 分析處理后將結(jié)果返傳給用戶［121］。 云計算技術(shù)是多種計算機技術(shù)融合并演進的結(jié)果［120］， 主要包括虛擬化技術(shù)、 云計算平臺管理技術(shù)、 分布計算技術(shù)、 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等， 這一技術(shù)的出現(xiàn)改變了信息行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和運作模式。運用云計算技術(shù)來完成任務(wù)具有可擴展性、 可靠性、靈活性、 按需部署、 虛擬化、 性價比高等特點［122］。

在數(shù)字孿生車間虛實融合的過程中， 需要在物理車間底層采集海量數(shù)據(jù)并進行存儲、 計算、 分析、 處理等。 此外， 在虛擬車間進行模擬、 仿真也會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)。 因此， 要實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)字孿生車間的虛實融合， 需要強大的計算與存儲能力的技術(shù)或工具。 而云計算技術(shù)恰好滿足了這一需求， 超大規(guī)模、 高擴展性和可靠性的特點能夠支持海量數(shù)據(jù)的存儲和保障數(shù)據(jù)的安全， 分布式計算、 負載均衡和并行計算的混合使用能夠提高數(shù)據(jù)的計算效率。

5.3 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)是一種模仿人類運用知識完成特定行為的技術(shù)。 該技術(shù)是以計算機為基礎(chǔ)， 并由多學(xué)科、 多專業(yè)交叉融合的產(chǎn)物［123］， 主要包括數(shù)理邏輯、計算機科學(xué)與技術(shù)、 控制論、 生物學(xué)、 哲學(xué)等多學(xué)科。 人工智能技術(shù)的研究內(nèi)容大致有機器學(xué)習(xí)、 邏輯程序設(shè)計、 自然語言處理等多方面［124－125］。 而機器學(xué)習(xí)是人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)， 也是使得人工智能技術(shù)更加智能化的敲門磚［117］。 所以， 應(yīng)該抓住機器學(xué)習(xí)這一關(guān)鍵點， 充分運用該技術(shù)助力數(shù)字孿生車間虛實融合的實現(xiàn)［126］。

機器學(xué)習(xí)是人工智能技術(shù)運用最為廣泛的方法［119］， 它可以利用以往數(shù)據(jù)或經(jīng)驗優(yōu)化計算機算法。 數(shù)字孿生的虛擬車間可以為機器學(xué)習(xí)提供模擬數(shù)據(jù)和仿真經(jīng)驗的需求［127］， 從而優(yōu)化計算機算法并提高智能化水平［121］。 也可將機器學(xué)習(xí)的成果應(yīng)用于虛實車間的融合過程中， 一方面使得生產(chǎn)方案一步到位， 不需要在虛擬車間反復(fù)優(yōu)化分析， 加快實施了物理車間的實際生產(chǎn)計劃； 另一方面節(jié)約了時間和生產(chǎn)的試錯成本。

6 總結(jié)與展望

文中由數(shù)字孿生的概念引出數(shù)字孿生車間的虛實融合問題， 并進行了綜述。 詳盡闡述了虛實研究對象所對應(yīng)的物理車間和虛擬車間的內(nèi)涵及功能特性， 虛實融合系統(tǒng)中以車間孿生數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)并開發(fā)智能管控的車間生產(chǎn)服務(wù)、 為產(chǎn)品用戶和制造商提供相關(guān)服務(wù)的車間服務(wù)系統(tǒng)， 以及虛實融合技術(shù)中雙向真實映射、 多感知實時交互、 3R 技術(shù)的三大關(guān)鍵部分， 及其他相關(guān)技術(shù)的支撐。 期望相關(guān)工作有助于數(shù)字孿生車間中虛實融合問題的研究與發(fā)展。

數(shù)字孿生車間作為智能制造業(yè)的前沿領(lǐng)域， 具有非凡的研究意義和廣闊的發(fā)展前景。 在現(xiàn)階段數(shù)字孿生車間的虛實融合中， 對大量數(shù)據(jù)進行采集、 脫敏、轉(zhuǎn)換、 清洗、 融合等操作需要較長的時間， 還需盡量保證嚴(yán)格意義上的實時性。 此外， 還要提高獲取物理車間各類數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性， 從而驅(qū)動虛擬實體的精準(zhǔn)動作。 再者， 充分發(fā)揮高精建模技術(shù)也是實現(xiàn)虛實車間精確交互與完美融合的關(guān)鍵。 隨著科技水平的提高， 數(shù)字孿生車間的虛實融合會日漸完善， 更加需要持續(xù)關(guān)注。