工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支持下的數(shù)字孿生車間

陸劍峰，王 盛，張晨麟，張 浩

(同濟(jì)大學(xué)CIMS研究中心，上海 201804)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)智能制造正成為各國需要解決的問題，而如何實(shí)現(xiàn)制造的物理空間和信息空間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通是其中的核心問題之一。數(shù)字孿生技術(shù)是解決該問題的有效途徑之一。自2016年以來，Gartner公司一直將數(shù)字孿生技術(shù)作為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一[1]，王肖景等[2]將數(shù)字孿生技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并列為智能制造的七大關(guān)鍵技術(shù)。本文從數(shù)字孿生的產(chǎn)生背景、數(shù)字孿生技術(shù)及其發(fā)展、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概要和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對數(shù)字孿生車間的構(gòu)建支持等四方面進(jìn)行闡述。

1 數(shù)字孿生的產(chǎn)生背景

數(shù)字孿生就是通過數(shù)字化的方式在信息空間創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，并利用數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為。通過虛擬模型和物理實(shí)體之間的信息融合、數(shù)據(jù)交互，為物理實(shí)體提供更多的優(yōu)化決策和風(fēng)險預(yù)估[3-7]。

Michael Grieves于2003年提出的“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”被看作是數(shù)字孿生的雛形，其是為了更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理[4-5]。但是，由于當(dāng)時技術(shù)不夠支持該概念，且人們的認(rèn)知有限，其并未得到足夠的關(guān)注。數(shù)字孿生概念源自美國空軍研究實(shí)驗室于2011年提出的計劃，旨在解決未來復(fù)雜服役環(huán)境下的飛行器維護(hù)問題及壽命預(yù)測問題[8]。自此，數(shù)字孿生這個概念才引起了學(xué)者們的注意，并且得到了不斷補(bǔ)充和完善。隨著人們意識到數(shù)字孿生技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)物理信息系統(tǒng)的便捷，Rios等[9]提出數(shù)字孿生技術(shù)不應(yīng)只是面向飛行器等較為復(fù)雜的產(chǎn)品。人們開始思考數(shù)字孿生的其他應(yīng)用方向，因此數(shù)字孿生技術(shù)被應(yīng)用到了更為通用的產(chǎn)品上。

數(shù)字孿生模型是由物理實(shí)體、虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)系統(tǒng)以及相互之間的連接等五個部分組成的五維結(jié)構(gòu)模型[10]。其中模型和數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生技術(shù)的核心，且孿生數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)物理信息融合問題的關(guān)鍵之一。只有通過物理空間的數(shù)據(jù)，才能夠建立虛擬模型，并且驅(qū)動其運(yùn)行。同樣，也只有信息空間的虛擬模型運(yùn)作后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，才能夠更好地為物理空間的運(yùn)作提供更好的決策和風(fēng)險預(yù)估等。數(shù)字孿生技術(shù)能夠有效地解決信息空間和物理空間信息數(shù)據(jù)難以融合的問題。

2 數(shù)字孿生車間技術(shù)及其發(fā)展

2.1 數(shù)字孿生車間概念及應(yīng)用

車間是制造業(yè)的基礎(chǔ)組成部分，如何實(shí)現(xiàn)智能車間是目前關(guān)注的熱點(diǎn)，數(shù)字孿生車間是實(shí)現(xiàn)智能車間的有效方法之一。陶飛等[11-12]提出了數(shù)字孿生車間的概念，并且認(rèn)為數(shù)字孿生車間是未來車間發(fā)展的新模式，以此來解決物理空間和信息空間交互融合等問題。文獻(xiàn)[11-12]將數(shù)字孿生車間分為物理車間、虛擬車間、孿生數(shù)據(jù)和車間服務(wù)系統(tǒng)等四個部分，并對數(shù)字孿生車間概念、運(yùn)行機(jī)制及關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了較為全面的闡述。Cunbo Zhuang等[13]基于衛(wèi)星裝配車間上數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用模式，提出了其中四個實(shí)時獲取、組織和管理物理裝配車間數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建裝配車間的數(shù)字孿生體，數(shù)字孿生技術(shù)和大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的裝配車間預(yù)測及基于數(shù)字孿生的裝配車間的生產(chǎn)管理和控制服務(wù)。

在整體車間構(gòu)建方面，Hao Zhang等[14]基于數(shù)字孿生技術(shù)，提出了一種個性化快速設(shè)計生產(chǎn)線方法，同時提出了相關(guān)的優(yōu)化算法和三種可實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行技術(shù)支持。朱志民等[15]在軌道交通轉(zhuǎn)向架流水線精益制造中引入了數(shù)字孿生車間概念，為其建設(shè)提供了理論支持。Jiewu Leng等[16]提出了一種基于數(shù)字孿生的信息物理系統(tǒng)，用于大規(guī)模、個性化定制的并行控制智能制造車間。陳振等[17]在分析了現(xiàn)有飛機(jī)裝配車間的特點(diǎn)和問題后，提出了一種飛機(jī)數(shù)字孿生裝配車間架構(gòu)，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。其按照陶飛等提出的數(shù)字孿生車間架構(gòu)，進(jìn)行了架構(gòu)劃分。

車間孿生數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)運(yùn)作的關(guān)鍵，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和實(shí)時傳輸是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間的重要問題之一。Thomas等[18]進(jìn)行了關(guān)于自學(xué)習(xí)工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集及仿真數(shù)據(jù)處理方面的相關(guān)研究。Thomas等[19]在多模態(tài)數(shù)據(jù)采集和評估上也進(jìn)行了相關(guān)的研究。Yi Cai等[20]在制造相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)融合等方面進(jìn)行了數(shù)字孿生數(shù)據(jù)融合相關(guān)的理論研究。Roβmann等[21]提出了一種關(guān)于3D模型實(shí)時數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，能夠為產(chǎn)品的設(shè)計制造等提供新的可行性方案。陶飛等[12]對數(shù)字孿生車間數(shù)據(jù)融合、信息融合等方面展開了討論。

數(shù)字孿生車間的最終目的是實(shí)現(xiàn)對物理車間的運(yùn)行等方面進(jìn)行一定的指導(dǎo)，如實(shí)現(xiàn)車間監(jiān)控、物流指導(dǎo)、故障預(yù)判、設(shè)備維修及設(shè)備維修教學(xué)等。姜康等[22]通過構(gòu)建車間虛擬模型、現(xiàn)場實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，來實(shí)現(xiàn)對車間整體狀態(tài)監(jiān)控。文獻(xiàn)[23-25]中，各學(xué)者也對設(shè)備健康預(yù)測、故障定位等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究。

對于數(shù)字孿生技術(shù)，不同企業(yè)有著不同的看法，也有著不一樣的研究。西門子公司提出了“數(shù)字化雙胞胎(digital twin)”概念[26]，推出了一系列相應(yīng)的開發(fā)軟件，如NX系列，致力于通過幫助企業(yè)構(gòu)建生產(chǎn)系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計到生產(chǎn)過程的全自動化。PTC公司基于數(shù)字孿生開發(fā)了T-System系統(tǒng)，致力于通過實(shí)現(xiàn)物理世界和虛擬世界的連接，為客戶提供產(chǎn)品的售后服務(wù)與支持[27]。達(dá)索公司通過自開發(fā)的軟件3D Experience來實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計的不斷優(yōu)化[28]。GE公司通過數(shù)字孿生來實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品健康狀態(tài)和性能的預(yù)測[29]。

2.2 虛擬車間、數(shù)字化車間、數(shù)字孿生車間的比較

目前，智能車間技術(shù)已經(jīng)從原來的物理空間拓展到了信息空間，其間出現(xiàn)了新的車間相關(guān)概念。虛擬車間、數(shù)字化車間和數(shù)字孿生車間比較[30-32]如表1所示。

表1 虛擬車間、數(shù)字化車間和數(shù)字孿生車間比較

虛擬車間是物理車間在信息空間中的映射，其包括對物理車間全部生產(chǎn)要素的物理刻畫和行為表述，是通過車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動的模型，能夠直觀地展現(xiàn)物理車間的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)字化車間是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)在車間中的綜合應(yīng)用，利用數(shù)控設(shè)備與信息管理系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)計劃的控制和執(zhí)行，以提高系統(tǒng)柔性和設(shè)備效率。而數(shù)字孿生車間是數(shù)字孿生技術(shù)在車間中的應(yīng)用，包含虛擬車間和數(shù)字化車間，其主要是通過物理車間和虛擬車間之間的雙向映射交互，利用數(shù)字孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生車間進(jìn)行迭代優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)車間的生產(chǎn)和管理的最優(yōu)。

數(shù)字孿生車間既包含了虛擬車間，又包含了數(shù)字化物理車間。虛擬車間缺少對實(shí)時數(shù)據(jù)的采集，只能夠虛擬化地表達(dá)車間模型，難以對車間的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行表達(dá)。而數(shù)字化車間實(shí)現(xiàn)了車間數(shù)據(jù)的采集，但是由于缺少有效的車間虛擬模型，降低了對數(shù)據(jù)的利用率，且車間管理系統(tǒng)和物理車間之間難以進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)交互。數(shù)字孿生車間能夠有效地將兩者進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息和物理空間之間的數(shù)據(jù)融合問題。對于數(shù)字孿生車間應(yīng)用而言，目前所需要解決的問題之一是信息空間和物理空間之間的實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞問題，因此在數(shù)字孿生車間的構(gòu)建中加入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速數(shù)據(jù)傳遞和實(shí)時數(shù)據(jù)處理功能，解決數(shù)據(jù)交互延遲等問題。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要素

GE公司于2013年6月提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略隨后于2014年3月聯(lián)合AT&T、思科、IBM和英特爾發(fā)起了美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟。該聯(lián)盟于2015年6月發(fā)布了第一版工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)[33]。2013年1月，美國提出《國家縣級制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)：初步設(shè)計》；2013年4月，德國提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略；2015年5月，中國提出“中國制造2025”； 2015年6月，日本頒布的《2015年版制造業(yè)白皮書》等。各國非常重視工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并將其列為各國的研發(fā)重點(diǎn)[34]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)開始成為全球討論的熱點(diǎn)，同時各國也開始加大了相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，爭取引導(dǎo)和占領(lǐng)相應(yīng)的市場。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合了機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，工業(yè)現(xiàn)場使用傳感器、控制器和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的快速傳遞，利用邊緣計算等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并將其融入到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場與企業(yè)信息系統(tǒng)間信息數(shù)據(jù)的融合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)一體化，推動實(shí)現(xiàn)智能制造[35]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是由感知識別層(由傳感器和控制器組成)、網(wǎng)絡(luò)連接層、云端管理平臺層和數(shù)據(jù)分析層組成的四層架構(gòu)[36]。首先，感知識別層進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)獲取。然后，所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接層傳遞到平臺匯聚層。最后，數(shù)據(jù)經(jīng)過云端平臺進(jìn)行選取、運(yùn)算、存儲后，在數(shù)據(jù)分析層，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等算法進(jìn)行分析，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成可供系統(tǒng)運(yùn)行的參考決策。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)上的應(yīng)用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中重要的第一步[37]。

在車間范圍內(nèi)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)施是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，而物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息處理技術(shù)和安全技術(shù)等也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。由于其要實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，因此低成本、低功率、高精度和高感應(yīng)速度的傳感器和控制器是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所必不可少的。但是現(xiàn)有的生產(chǎn)車間設(shè)備上部署了一定數(shù)量的傳感器，將全部傳感器取代難以實(shí)現(xiàn)且成本巨大，因此需要采用設(shè)備兼容技術(shù)來解決各設(shè)備之間通信問題[38-41]。現(xiàn)有設(shè)備之間采用現(xiàn)場總線進(jìn)行通信。Profibus、CAN、DeviceNet和Modbus等協(xié)議，已經(jīng)很好地實(shí)現(xiàn)了兼容性問題[41-42]。

3.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對數(shù)字孿生車間的構(gòu)建支持

實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間技術(shù)要求之一是實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)融合問題。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)萬物互連，并通過邊緣計算有效地解決車間生產(chǎn)的實(shí)時性和可靠性。物理車間通過傳感層將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳遞到應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等，最后傳遞到虛擬車間。同樣在虛擬車間中的仿真結(jié)果也可以反方向作用到物理車間，通過網(wǎng)絡(luò)層中數(shù)據(jù)快速傳遞能力、結(jié)合計算機(jī)的強(qiáng)大計算能力，最后實(shí)現(xiàn)了物理車間和虛擬車間的實(shí)時同步[43]。車間服務(wù)系統(tǒng)物理車間和虛擬車間之間大量的信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層也可以實(shí)現(xiàn)快速傳遞。

目前，各學(xué)者提出了一系列實(shí)現(xiàn)信息物理空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)能囬g技術(shù)。屈挺等[44]在對企業(yè)目前所面臨的生產(chǎn)系統(tǒng)與物流系統(tǒng)之間的聯(lián)動運(yùn)作問題進(jìn)行分析后，基于數(shù)字孿生技術(shù)，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的多環(huán)節(jié)聯(lián)動運(yùn)作機(jī)制。盧陽光等[45]設(shè)計了一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的汽車工業(yè)敏捷規(guī)劃仿真模型。通過與傳統(tǒng)的規(guī)劃方法比較，證實(shí)了其有效性和高效性。該模型推動了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)同實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)合。丁凱等[46]發(fā)明了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的車間智能制造系統(tǒng)，其構(gòu)建了智能車間制造物聯(lián)網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳遞的實(shí)時性。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所謂的“萬物互聯(lián)”不僅是物理實(shí)體之間的相互聯(lián)接，而且是物理空間和信息空間的相互聯(lián)接[47-48]，同樣也包含信息空間之間的聯(lián)接。對數(shù)字孿生車間內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持。數(shù)字孿生技術(shù)最后需要實(shí)現(xiàn)的是信息空間和物理空間之間的交互融合，而需要達(dá)到該目標(biāo)就必須需要實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)快速處理和傳輸?shù)牡脱訒r，甚至可以忽略延時。數(shù)字孿生技術(shù)中虛擬模型是根據(jù)物理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建，其驅(qū)動需要實(shí)時的物理空間數(shù)據(jù)的傳遞[48-49]。對于數(shù)字孿生車間的外界交互而言，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠幫助多平臺數(shù)字孿生車間、車間和用戶之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，從而實(shí)現(xiàn)真正的萬物互聯(lián)。從這兩方面來看，數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持，而且數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也會促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生車間能夠很好地解決信息空間和物理空間之間的數(shù)據(jù)信息融合問題，但是現(xiàn)有的數(shù)字孿生車間技術(shù)只能夠在理論方面進(jìn)行完善，主要問題是現(xiàn)有的信息技術(shù)難以滿足其部署要求。隨著數(shù)字孿生技術(shù)在車間中的運(yùn)用，數(shù)字孿生車間必然成為未來智能車間的一種重要的實(shí)現(xiàn)方式。

從模型的角度來看，通過各企業(yè)推出的虛擬模型構(gòu)建的軟件生成的模型，其定義格式之間相互不兼容，且各企業(yè)對于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用各有所側(cè)重。如何實(shí)現(xiàn)各軟件格式之間的兼容性將解決目前大企業(yè)各自發(fā)展、小企業(yè)難以發(fā)展的局面。

從數(shù)據(jù)傳輸和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)角度來看，目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)多使用有線傳輸，但是無線更適合變化的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境。傳感器技術(shù)將進(jìn)一步配合無線傳輸?shù)陌l(fā)展，5G無線技術(shù)將加快發(fā)展速度和部署進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)孿生車間中數(shù)據(jù)低延時和高可靠性[50]。

從車間服務(wù)系統(tǒng)來看，像PLM、MES等車間管理系統(tǒng)的應(yīng)用將會不斷地加大部署，并且從基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺向云服務(wù)平臺發(fā)展，以增加服務(wù)系統(tǒng)的靈活性和輕便性。