面向智能制造的數(shù)字孿生系統(tǒng)！

智能制造所涉及的對(duì)象與系統(tǒng)包括智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)系統(tǒng)、智能生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程，其所相關(guān)的數(shù)字孿生系統(tǒng)可以包括產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)和供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)。由于孿生對(duì)象不同，產(chǎn)品的數(shù)字孿生基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程來(lái)建設(shè)，其模型和數(shù)據(jù)來(lái)源為產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門、制造部門和產(chǎn)品服務(wù)部門，以及用戶。

生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生，其模型和數(shù)據(jù)來(lái)源為工廠設(shè)計(jì)規(guī)劃部門、建筑設(shè)計(jì)院、設(shè)備供應(yīng)商、工廠制造部門以及工廠管理層；供應(yīng)鏈數(shù)字孿生的模型和數(shù)據(jù)來(lái)源是供應(yīng)鏈相關(guān)企業(yè)的管理部門、制造部門以及物流配送企業(yè)。這三者的模型和數(shù)據(jù)來(lái)源不同、更新頻率不同、責(zé)任主體也不同，因此，很難構(gòu)建一個(gè)覆蓋整個(gè)制造過(guò)程和制造要素的數(shù)字孿生系統(tǒng)，只能是三個(gè)相對(duì)獨(dú)立、又互相關(guān)聯(lián)的數(shù)字孿生系統(tǒng)。三個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于圖1所描繪的制造生態(tài)，形成一個(gè)“制造數(shù)字孿生生態(tài)”。

圖1 NIST的制造系統(tǒng)生態(tài)

產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)

圖2展示了產(chǎn)品生命周期的典型階段，一個(gè)產(chǎn)品在其生命周期內(nèi)的演化是一個(gè)分層次、分階段，且相互交互協(xié)同的立體反饋運(yùn)行模型。

圖2 產(chǎn)品全生命周期的信息閉環(huán)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者首先需要充分理解用戶的需求或意愿，需求決定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、配置、功能以及產(chǎn)品微小的差別。而產(chǎn)品是由多個(gè)零部件配置而成，因此需要建立用戶需求與產(chǎn)品配置之間的關(guān)系。通?？蛻艚o出的需求是文字表述的，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段的模型是虛擬的，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系需要在虛擬空間中進(jìn)行映射。在實(shí)際的制造場(chǎng)景中，新一代的產(chǎn)品通常會(huì)根據(jù)需求在舊一代的產(chǎn)品上迭代改進(jìn)。作為前代物理產(chǎn)品所對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，在研發(fā)、制造、使用、報(bào)廢階段中迭代優(yōu)化并附積了大量信息，這些數(shù)字孿生體不會(huì)隨物理產(chǎn)品的消亡而消失，前代產(chǎn)品數(shù)字孿生體能給新一代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供借鑒模型。

作為先于物理產(chǎn)品“出世”的數(shù)字胚胎是產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)積累的開始和統(tǒng)一模型，集成了產(chǎn)品的三維幾何模型、產(chǎn)品關(guān)聯(lián)屬性信息、工藝信息等。同時(shí)，需要專業(yè)工藝人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和工藝知識(shí)進(jìn)行工藝流程的編制，即將產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃旆椒安襟E和工藝參數(shù)，然后將產(chǎn)品數(shù)字胚胎模型和設(shè)計(jì)文檔傳遞到制造階段。

在產(chǎn)品制造階段，產(chǎn)品的制造過(guò)程數(shù)據(jù)（生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)訂單干擾、外協(xié)需求以及產(chǎn)品質(zhì)量等）都實(shí)時(shí)記錄在產(chǎn)品數(shù)字孿生體中，可基于生產(chǎn)約束、生產(chǎn)目標(biāo)、產(chǎn)品工藝等實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品行為和狀態(tài)的生產(chǎn)監(jiān)控和控制，達(dá)到產(chǎn)品的制造情況完全透明化，最終交付給用戶的是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的物理實(shí)例以及和其對(duì)應(yīng)的唯一的產(chǎn)品數(shù)字孿生體，此時(shí)產(chǎn)品數(shù)字孿生體經(jīng)過(guò)生產(chǎn)系統(tǒng)制造完成后已經(jīng)具備和物理產(chǎn)品一樣的實(shí)例行為。

在產(chǎn)品使用和運(yùn)維階段，物理產(chǎn)品的所有使用狀態(tài)變化、組件變更信息、產(chǎn)品性能的退化信息都將反饋到產(chǎn)品數(shù)字孿生體。物理產(chǎn)品在進(jìn)入使用服務(wù)階段往往隨著使用時(shí)間推移和使用次數(shù)增加會(huì)出現(xiàn)組件故障、磨損或損壞的情況而去更換部分組件。而產(chǎn)品數(shù)字孿生體與物理產(chǎn)品始終保持一致，會(huì)自動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)品的組件變更信息。

因此可以看出產(chǎn)品數(shù)字孿生體是產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)中心，刻畫了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)階段、使用服務(wù)到報(bào)廢/回收的所有信息和模型。產(chǎn)品數(shù)字孿生體采用全數(shù)字量表達(dá)產(chǎn)品的幾何特征、性能、狀態(tài)和功能，作為全生命周期信息的唯一依據(jù)。同時(shí)，產(chǎn)品數(shù)字孿生體也是全價(jià)值鏈的信息集成中心，其主要目的在于整個(gè)價(jià)值鏈中的價(jià)值”在時(shí)間和空間上無(wú)縫協(xié)同，這不僅是共享產(chǎn)品的信息，也是一種在空間上基于信息唯一性的全價(jià)值鏈服務(wù)協(xié)同。因此，產(chǎn)品信息能夠在全價(jià)值鏈實(shí)現(xiàn)可追溯/可追蹤性，并能夠返回產(chǎn)品數(shù)字孿生體中，最終將形成信息高度閉環(huán)的產(chǎn)品數(shù)字孿生體，圖3 展現(xiàn)了這一虛實(shí)高度融合過(guò)程。

生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)

生產(chǎn)系統(tǒng)是原材料變成產(chǎn)品的地方，是信息流、能量流和物流相交匯作用的地方。按不同的層次來(lái)劃分，生產(chǎn)系統(tǒng)可以包括工廠、車間、生產(chǎn)線和加工單元。一般來(lái)說(shuō)，本節(jié)所說(shuō)的生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)是指工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)或車間數(shù)字孿生系統(tǒng)。

圖3 產(chǎn)品數(shù)字孿生體全生命周期演變過(guò)程

參照產(chǎn)品全生命周期的概念定義，一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的全生命周期也可以分為規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段、施工建造階段、運(yùn)營(yíng)與維護(hù)階段以及報(bào)廢與改建階段。生產(chǎn)系統(tǒng)的全生命周期每個(gè)階段的目標(biāo)不同，對(duì)信息的需求不同，同時(shí)信息也明顯具有不同的特征。在生產(chǎn)系統(tǒng)全生命周期中，所需承載的信息不斷累積并由前一個(gè)階段傳遞到下一個(gè)階段，而且需要承載面向產(chǎn)品制造過(guò)程多領(lǐng)域、全要素、全業(yè)務(wù)流程的融合信息，這就需要面向生產(chǎn)系統(tǒng)全生命周期的數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)滿足信息流的流動(dòng)性、集成性和可擴(kuò)充性需求。

生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字模型中三維幾何模型部分一般包括廠房基礎(chǔ)設(shè)施模型、生產(chǎn)線設(shè)備模型和物流設(shè)施模型。廠房建筑是工廠或車間的一個(gè)重要基礎(chǔ)設(shè)施，因此，建筑信息模型（BIM）是生產(chǎn)系統(tǒng)模型的一個(gè)重要組成部分。BIM能夠有效地輔助建筑工程領(lǐng)域的信息集成、交互及協(xié)同工作作［51］，可以使得工廠生命周期的信息得到有效的組織和追蹤，保證信息傳遞到下一階段而不發(fā)生“信息流失”及減少信息不一致。BIM可以根據(jù)工廠的不同階段和需求創(chuàng)建，即從工廠規(guī)劃與設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)不同階段，針對(duì)不同的服務(wù)需求建立相應(yīng)的子信息模型。各子信息模型具有自演化和自更新機(jī)制，可以和上一階段信息模型進(jìn)行交互，并對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展和集成形成本階段的子模型數(shù)據(jù)，最終形成面向全生命周期的完整信息模型。

圖4 數(shù)字孿生演化過(guò)程

以智能工廠這一生產(chǎn)系統(tǒng)為例，在工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建的過(guò)程中，參照?qǐng)D4，也有“工廠數(shù)字胚胎的概念。一方面，工廠數(shù)字胚胎包括利用BIM提供精確的三維模型，而相關(guān)的數(shù)字化文檔則可以作為BIM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)中的內(nèi)容；另一方面，工廠數(shù)字胎基于數(shù)字化技術(shù)在工廠設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段對(duì)工廠進(jìn)行提前建模，先于物理工廠誕生，是一種集成生產(chǎn)性能指標(biāo)、產(chǎn)品工藝規(guī)劃和調(diào)度模型的理想化數(shù)字模型。通過(guò)這種理想化數(shù)字模型來(lái)仿真工廠生命周期的制造活動(dòng)，驗(yàn)證工廠整體運(yùn)行的可行性和效率。在工廠施工階段，物理工廠是根據(jù)已經(jīng)得到驗(yàn)證的工廠數(shù)字胚胎建成，這是工廠虛體到實(shí)體的一種孿生映像，同時(shí)，在這個(gè)階段，工廠數(shù)字孿生體也逐漸形成。在工廠運(yùn)營(yíng)階段，工廠數(shù)字孿生體又得到來(lái)自物理工廠的信息反饋更新，進(jìn)入工廠數(shù)字化映射體階段，與物理工廠進(jìn)行信息交互。因此，以BIM和生產(chǎn)系統(tǒng)模型為核心的工廠數(shù)字孿生體，針對(duì)工廠不同階段需要提供的服務(wù)，建立相應(yīng)的子服務(wù)模型，貫穿工廠的全生命周期，支持對(duì)智能工廠中建筑、設(shè)備等工廠實(shí)體信息的存儲(chǔ)、擴(kuò)展和服務(wù)應(yīng)用過(guò)程，如圖5所示。

供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系

在供應(yīng)鏈管理周期中，供應(yīng)鏈中的所有產(chǎn)品（供需關(guān)系中的服務(wù)載體皆為產(chǎn)品） 都會(huì)產(chǎn)生與其動(dòng)態(tài)、性能和狀況相關(guān)的信息，利用這些聚合的海量數(shù)據(jù)，企業(yè)就可以通過(guò)建模和仿真，創(chuàng)建整個(gè)供應(yīng)鏈的數(shù)字孿生。具體地，對(duì)供應(yīng)鏈各個(gè)節(jié)點(diǎn)（倉(cāng)儲(chǔ)、樞紐、運(yùn)輸、配送）和節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)（如倉(cāng)儲(chǔ)的庫(kù)存管理）進(jìn)行模型建立。供應(yīng)鏈上的各節(jié)點(diǎn)是最小的智能體單元，通過(guò)對(duì)這些智能體單元的建模和仿真，以及通過(guò)開放接口將模型串聯(lián)起來(lái)，可以在虛擬空間中使整個(gè)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的功能運(yùn)轉(zhuǎn)。這種理念的實(shí)質(zhì)是形成一個(gè)數(shù)字化版本的供應(yīng)鏈，既為現(xiàn)實(shí)世界的供應(yīng)鏈提供信息，又從現(xiàn)實(shí)世界的供應(yīng)鏈獲取信息。同時(shí)，供應(yīng)鏈數(shù)字孿生體不僅體現(xiàn)供應(yīng)鏈歷史和當(dāng)前狀態(tài)的事實(shí)信息，還體現(xiàn)著未來(lái)的決策和計(jì)劃。

圖5 工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)

供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)的最終目的是通過(guò)實(shí)時(shí)的信息交互實(shí)現(xiàn)服務(wù)協(xié)作和服務(wù)追蹤管理，在供應(yīng)鏈上下游中，每個(gè)工廠是一個(gè)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)（智能體單元），這些工廠形成工廠群數(shù)字孿生協(xié)同域。利用協(xié)同域中的工廠數(shù)字孿生體，建立一致的工廠指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，綜合各個(gè)工廠的協(xié)同目標(biāo)、協(xié)同約束制定伙伴選擇策略，構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)在工廠制造各個(gè)層級(jí)（車間、生產(chǎn)線、設(shè)備）和上下游工廠進(jìn)行業(yè)務(wù)協(xié)同。工廠數(shù)字孿生體的信息視圖發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，如果上游工廠能提供相應(yīng)服務(wù)，下游工廠服務(wù)視圖便可在協(xié)同域中調(diào)用相關(guān)服務(wù)。最后，基于工廠數(shù)字孿生體的信息視圖構(gòu)建面向企業(yè)動(dòng)態(tài)監(jiān)督和評(píng)估機(jī)制的可視化管理模型，工廠群可根據(jù)自身在供應(yīng)鏈的定位和自身工廠制造運(yùn)行特點(diǎn)構(gòu)建可視化服務(wù)信息模型，下游工廠可根據(jù)服務(wù)需求定期通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可視化追蹤對(duì)上游工廠進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)督、評(píng)估和管理，圖6所示為基于產(chǎn)品統(tǒng)一模型的供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。

圖6 基于產(chǎn)品統(tǒng)一模型的供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)