數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)設(shè)計分析

摘要：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)不斷變革，制造業(yè)迎來了新一輪的產(chǎn)業(yè)革命浪潮，信息技術(shù)與工業(yè)制造相結(jié)合的智能制造逐漸綻放光彩。以智能制造為背景，研究了數(shù)字孿生與車間管理的有機(jī)結(jié)合。基于數(shù)字孿生的基本特征，提出了數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)；融入仿真模擬技術(shù)，構(gòu)建了對應(yīng)的信息模型，系統(tǒng)闡述了基于數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)功能模塊，以某項目為例，驗證了數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)。研究表明，設(shè)計數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)，可有效打造智能制造生產(chǎn)線，連接物理空間和虛擬空間，實現(xiàn)信息的實時交互，為智能制造提供思路和建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；智能車間；管理系統(tǒng)

中圖分類號：U462收稿日期：2024-11-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.034

1前言

云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代信息技術(shù)的融入，推動了制造業(yè)向著智能化方向轉(zhuǎn)型升級，迎來了智能制造。如今，如何攻克物理工廠與虛擬工廠之間的壁壘，滿足工業(yè)生產(chǎn)實時交互、數(shù)據(jù)融合等需求，成為目前的一項技術(shù)難題。數(shù)字孿生技術(shù)支持虛擬和現(xiàn)實之間的雙向映像，能夠滿足信息交互與實時連接的需求，成為推動智能制造發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。因此，本文開展了數(shù)字孿生與制造車間相結(jié)合的研究。

2概念界定

在早期關(guān)于數(shù)字孿生的設(shè)想中，“數(shù)字孿生”這一詞并未被提及。那時的設(shè)想被稱作PLM即產(chǎn)品全生命周期管理，并且在這一設(shè)想中，囊括了構(gòu)建實體的虛擬體用于虛擬測試和仿真這一數(shù)字孿生的全部思想基礎(chǔ)。這一設(shè)想更多是傾向于數(shù)字孿生技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計的有機(jī)結(jié)合。

隨著MBD、MBE概念的提出，數(shù)字孿生得到拓展，參與到了產(chǎn)品的加工全過程中。之后，也有學(xué)者利用傳感器構(gòu)建建筑孿生模型或是有機(jī)結(jié)合三維打印技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生車間的提出，為連接虛擬車間和現(xiàn)實車間提供了理論支撐。有學(xué)者認(rèn)為，在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，車間可實現(xiàn)可視化、數(shù)字化加工。也有學(xué)者認(rèn)為，在車間中，數(shù)字孿生的預(yù)測功能至關(guān)重要，關(guān)系到產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程和制造決策等。

將數(shù)字孿生運用到車間管理系統(tǒng)中，可實現(xiàn)不同生產(chǎn)狀況的虛擬仿真，提升生產(chǎn)車間解決問題的能力，最大限度地提升車間盈利能力、發(fā)揮車間一線生產(chǎn)人員的能力和潛能，從而實現(xiàn)資源最大化利用。目前，數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域的運用尚不成熟，仍需進(jìn)一步研究。

3數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)體系架構(gòu)

數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)是對傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)的一次升級改造，實現(xiàn)了現(xiàn)實與虛擬之間的雙向映射。

層級結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)的架構(gòu)形式，由四個層級組成，分別是包括傳感器、工業(yè)機(jī)器人、皮帶線等在內(nèi)的設(shè)備層、負(fù)責(zé)控制設(shè)備運行狀態(tài)的控制層、負(fù)責(zé)傳遞和反饋數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)層，以及根據(jù)數(shù)據(jù)信息負(fù)責(zé)管控車間設(shè)備的應(yīng)用層。傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)的一大缺陷在于缺少實體車間對應(yīng)的虛擬仿真信息模型，不具備支撐大數(shù)據(jù)信息和虛擬仿真分析生產(chǎn)的能力，實體與虛擬之間的數(shù)據(jù)交互不足。此外，也不具備三維可視化功能，管理的自動化、數(shù)據(jù)化具有局限性。另外，車間生產(chǎn)決策依靠人，決策的獨立性不足、新興技術(shù)的融入受阻，無法將AR、人工智能等技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中[1]。

數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)架構(gòu)，融入了數(shù)字孿生技術(shù)，迎合了智能工廠的相關(guān)要求。在該架構(gòu)下，根據(jù)孿生數(shù)據(jù)可建造生產(chǎn)制造各階段對應(yīng)的虛擬模型，將實體映射到虛擬空間中，用于生產(chǎn)研究，起到完善孿生車間設(shè)備模型的作用，對優(yōu)化設(shè)備性能，提升生產(chǎn)決策的科學(xué)性具有重要意義。圖1是數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)體系架構(gòu)模型示意圖。

如圖1所示，物理車間為孿生車間提供物理設(shè)備的靜態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)靜態(tài)數(shù)據(jù)組建對應(yīng)的孿生模型。孿生車間與物理車間進(jìn)行動態(tài)信息交互，并且動態(tài)執(zhí)行邏輯。孿生數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)預(yù)測，發(fā)揮數(shù)字孿生的預(yù)測功能。同時，數(shù)字孿生車間管理系統(tǒng)會根據(jù)孿生數(shù)據(jù)實現(xiàn)驅(qū)動。孿生數(shù)據(jù)包括多個系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如物理車間、孿生車間、三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。制造執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)指令采集數(shù)據(jù)，三維數(shù)據(jù)孿生可視化支持人機(jī)交互，具備分析虛擬生產(chǎn)數(shù)據(jù)的功能。

4系統(tǒng)主要的功能模塊

數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)集成管理制造階段的各個方面，如訂單下發(fā)、數(shù)據(jù)采集與分析、可視化、設(shè)備運行狀態(tài)管理與反饋等。在設(shè)計數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)時，結(jié)合系統(tǒng)運行特點等，開發(fā)出了幾大主要的功能模塊。

4.1車間基礎(chǔ)信息模塊

車間基礎(chǔ)信息模塊主要負(fù)責(zé)車間設(shè)備基礎(chǔ)信息的采集與管理，為系統(tǒng)運行提供可參考的基礎(chǔ)信息。在這些信息中不乏用于虛擬車間規(guī)劃、構(gòu)建三維可視化虛擬仿真模型的動態(tài)和靜態(tài)信息。比如，展示運行中生產(chǎn)線技術(shù)完成率45%、各生產(chǎn)線設(shè)備運作率85%、倉儲空閑面積33%等。

4.2計劃執(zhí)行模塊

計劃執(zhí)行模塊主要負(fù)責(zé)執(zhí)行和監(jiān)督月生產(chǎn)計劃、臨時生產(chǎn)計劃等，其中，該模塊主要從ERP系統(tǒng)中獲得生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)，之后按照訂單完成時間分解。該模塊會詳細(xì)記錄每個訂單從開始到完成全過程、各方面的信息，包括執(zhí)行訂單的起止時間、異常情況發(fā)生與解決時間、設(shè)備執(zhí)行工藝期間的運行狀態(tài)等。采用條碼掃描技術(shù)，可詳細(xì)記錄每一種物料的損耗情況，形成了面向生產(chǎn)產(chǎn)品的追溯機(jī)制。

4.3生產(chǎn)監(jiān)控模塊

打造智慧工廠，實時監(jiān)控系統(tǒng)必不可少。依靠生產(chǎn)監(jiān)控模塊，可實時、全方位地監(jiān)控生產(chǎn)全過程，包括但不限于訂單執(zhí)行情況、設(shè)備動作。

在開發(fā)數(shù)據(jù)孿生的監(jiān)控系統(tǒng)模塊時，考慮選用WEB分布式部署的B/S架構(gòu)、前端腳本語言JAVASCRIPT和JQUERY等[2]。借助該方案，可實現(xiàn)二次開發(fā)利用，分離部署數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用層。采用WEB瀏覽器，實時顯示和反饋設(shè)備的運行質(zhì)量和狀態(tài)信息，減少系統(tǒng)運行對第三方軟件或硬件的依賴。采用集中式+統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)的方案，滿足數(shù)據(jù)實時采集與傳輸需求。

4.4孿生數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊由三部分組成：

a.設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，主要負(fù)責(zé)設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的全方位、多維度的實時采集以及全面、實時感知。以工業(yè)機(jī)器人為例，實時、直接采集工業(yè)機(jī)器人的動態(tài)位置數(shù)據(jù)，包括但不限于運作期間工作機(jī)器人各關(guān)節(jié)的參數(shù)信息，如關(guān)節(jié)角度、速度等。同時，該模塊也會采集設(shè)備本身的運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等。

b.生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，主要負(fù)責(zé)采集設(shè)備生產(chǎn)階段各種關(guān)鍵參數(shù)信息，如生產(chǎn)訂單執(zhí)行情況、物料信息等。

c.數(shù)據(jù)融合，將多種來源的數(shù)據(jù)整合，奠定模型驅(qū)動、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。其中，以采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)處理為準(zhǔn)，經(jīng)統(tǒng)一處理后的數(shù)據(jù)會被存儲到中央數(shù)據(jù)庫中。隨著數(shù)據(jù)不斷更新，中央數(shù)據(jù)庫中會形成一批又一批的歷史數(shù)據(jù)，在留存期限內(nèi)，這些數(shù)據(jù)將會成為預(yù)測生產(chǎn)的參考，有利于充分發(fā)揮數(shù)字孿生在制造車間管理中的預(yù)測功能。

常見的車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集方式如表1所示。

4.5孿生可視化

在車間中，數(shù)字孿生技術(shù)的運用有效地將實體與虛擬連接到一起，為實體生產(chǎn)管理提供了管理手段，即車間管理人員可利用模型再現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場、監(jiān)控實體生產(chǎn)過程和行為，或是長期保存數(shù)據(jù)。在設(shè)計數(shù)字孿生驅(qū)動車間管理系統(tǒng)時，將產(chǎn)線可視化率控制在98%以上。常見的Web端可視化技術(shù)如表2所示。

5數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)實踐驗證

5.1案例介紹

在智能制造背景下，某企業(yè)認(rèn)識到打造智能車間的重要性，提出依托數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)車間智能管理的專題項目。項目要求以數(shù)字孿生為技術(shù)核心，綜合運用虛擬仿真等技術(shù)，提升車間管理系統(tǒng)的可視化、智能化水平，實現(xiàn)智能管理。

針對項目需求，打造了具有以下功能的基于數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)：

a.個性化訂單功能。

新建的數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)依托互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了用戶個性化訂單的接收和下發(fā)。系統(tǒng)可根據(jù)訂單詳情，操作物理車間和孿生車間組織生產(chǎn)。

b.仿真優(yōu)化。

在正式生產(chǎn)前的調(diào)試階段，孿生車間根據(jù)靜態(tài)信息、生產(chǎn)活動信息等，打造對應(yīng)的信息模型，模擬仿真生產(chǎn)，以優(yōu)化整合生產(chǎn)制造過程。孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)會將接收仿真結(jié)果并調(diào)整和優(yōu)化，以規(guī)避預(yù)測結(jié)果中顯示的可能出現(xiàn)的問題。

c.在整個生產(chǎn)過程中，物理車間與孿生之間進(jìn)行動態(tài)信息交互。

d.設(shè)計了看板系統(tǒng)，滿足人機(jī)交互需求。依托看板系統(tǒng)，孿生車間展示三維可視化模型等信息并監(jiān)控實體生產(chǎn)。車間生產(chǎn)負(fù)責(zé)人可通過看板系統(tǒng)了解實體生產(chǎn)情況，根據(jù)三維可視化模型數(shù)據(jù)明確實體生產(chǎn)中的不足，及時調(diào)整生產(chǎn)決策。

e.動態(tài)跟蹤訂單，了解訂單執(zhí)行進(jìn)度。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、管理日志等，可實時了解訂單執(zhí)行進(jìn)度。

5.2實現(xiàn)流程

按照圖2所示的步驟構(gòu)建了數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)，具體流程如圖2所示。

在構(gòu)建上述項目的數(shù)字孿生車間管理系統(tǒng)時，要注意以下每一個環(huán)節(jié)：

a.收集物理車間設(shè)備基礎(chǔ)信息并構(gòu)建車間信息模型。

b.基于OPCUA構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，服務(wù)于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的感知、采集、分析和存儲。

c.利用WebSocket通信協(xié)議，搭建數(shù)據(jù)實時傳輸機(jī)制。

d.根據(jù)接收的設(shè)備數(shù)據(jù)，獲取孿生場景模型運動。

e.實時、全面分析數(shù)據(jù)，直觀展示分析結(jié)果。

在車間信息建模環(huán)節(jié)，需根據(jù)車間基本要素等比例規(guī)劃虛擬空間，優(yōu)化布局。分析并驗證拓?fù)潢P(guān)系、約束條件的合理性。具體操作是構(gòu)建三維模型并提升模型的組織性；刪減非必要模型和要素，提升孿生車間場景的真實性和渲染度。根據(jù)實體車間的CAD總體布局圖，優(yōu)化孿生車間布局規(guī)劃。以GLB/GLTF格式保存相關(guān)文件，并輕量化處理模型，在將處理后的模型導(dǎo)入到平臺中后，于孿生車間場景中等比例還原實體車間中的設(shè)備，包括外觀、布局、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。之后，數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)備模型，模擬真實生產(chǎn)情景，觀察設(shè)備狀態(tài)[3]。

采用基于OPCUA構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其目的是解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化處理。

采用WebSocket通信協(xié)議，可滿足數(shù)據(jù)的實時傳輸和接收需求，為渲染三維模型提供參考。

5.3系統(tǒng)介紹

利用上述系統(tǒng)架構(gòu)打造了滿足項目功能需求的數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)，系統(tǒng)介紹如下：

a.實體車間與孿生車間的動態(tài)信息交互。

孿生車間中工業(yè)機(jī)器人模型的構(gòu)建依據(jù)是實體車間中工業(yè)機(jī)器人相關(guān)參數(shù)，包括工作狀態(tài)下工業(yè)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度、位置信號等。同時，也根據(jù)實體車間中數(shù)控機(jī)床等配套設(shè)施的基礎(chǔ)參數(shù)構(gòu)建了對應(yīng)的孿生模型，實現(xiàn)了實體車間與孿生車間的加工同步。

b.生產(chǎn)信息顯示。

跟蹤記錄生產(chǎn)裝配操作、生產(chǎn)線質(zhì)量問題等，及時將生產(chǎn)信息反饋給車間生產(chǎn)管理人員，其反饋形式大多是圖表、數(shù)據(jù)形式。

c.系統(tǒng)中的中央數(shù)據(jù)庫支持多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、生產(chǎn)全過程信息的追溯和跟蹤。

5.4驗證結(jié)果

根據(jù)項目需求設(shè)計了數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)，在實踐中進(jìn)行了驗證，其結(jié)果顯示，數(shù)字孿生技術(shù)的運用，保障了各層級間信息的流暢性，實現(xiàn)了統(tǒng)一、規(guī)范化管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)；實現(xiàn)了生產(chǎn)計劃的動態(tài)跟蹤和實時反饋；實現(xiàn)了車間各方面數(shù)據(jù)的實時采集，提升了車間管理人員對工作人員、環(huán)境以及設(shè)備的管控能力；提升了生產(chǎn)車間實時監(jiān)控水平，將產(chǎn)品故障預(yù)警控制在95%以上，車間管理人員可實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)，及時干預(yù)設(shè)備故障，有效地提高了設(shè)備運行效率和質(zhì)量。此外，數(shù)據(jù)報表質(zhì)量全面提升，依靠數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng)可全面掌握關(guān)于車間生產(chǎn)、設(shè)備等多方面的精準(zhǔn)信息，比如，高于60%的物料運轉(zhuǎn)效率、降低20%左右的機(jī)床停機(jī)故障率等。最大限度地提升了數(shù)據(jù)和報表的準(zhǔn)確性以及質(zhì)量。另外，也形成了追溯機(jī)制，促進(jìn)了產(chǎn)品售后服務(wù)質(zhì)量的提升。

在實踐驗證的過程中，也發(fā)現(xiàn)了待完善之處，包括信息采集速度等無法全面支撐數(shù)字孿生的運營、數(shù)字孿生缺乏成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系。對此，需要進(jìn)一步加深關(guān)于數(shù)字孿生與生產(chǎn)車間相結(jié)合的理論和實踐研究，以充分發(fā)揮數(shù)字孿生的應(yīng)用價值[4]。

6結(jié)語

數(shù)字孿生與車間管理的有機(jī)結(jié)合，是對傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)的一次革新。基于數(shù)字孿生的車間管理系統(tǒng)，為實體車間提供了交互映射的孿生車間，改變了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)形式，保障了生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的精度、準(zhǔn)確性和完整性，讓設(shè)備運行狀態(tài)始終處于被監(jiān)控狀態(tài)，最大限度地保障了設(shè)備運行效率和質(zhì)量，也提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量。數(shù)字孿生技術(shù)的運用，有效地提升了制造業(yè)生產(chǎn)的智能化和數(shù)字化水平，對推動制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]段明皞，張南，耿華，等.基于數(shù)字孿生的裝配車間實時監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J].制造業(yè)自動化，2021，43（12）：110-112.

[3]葉炯.基于數(shù)字孿生的智能工廠MES系統(tǒng)研究[D].蕪湖：安徽工程大學(xué)，2022.

[4]劉軒.基于數(shù)字孿生的智能制造生產(chǎn)線平臺構(gòu)建及仿真研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2020.

作者簡介：

楊葵，男，1974年生，工程師，研究方向為汽車電驅(qū)動系統(tǒng)。