基于數(shù)字孿生理念的智能工廠(chǎng)與案例分析

林曉清

(武漢理工大學(xué) 圖書(shū)館，湖北 武漢 430070)

智能制造的概念是由美國(guó)的懷特教授和布恩教授在20世紀(jì)80年代首次提出[1]。智能制造技術(shù)是世界制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)[2]。智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，不斷自行升級(jí)優(yōu)化的信息化制造。信息化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，給現(xiàn)有的制造業(yè)帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)[3]。從20世紀(jì)中葉到90年代中期，信息化表現(xiàn)為以計(jì)算、通訊和控制應(yīng)用為主要特征的數(shù)字化階段；從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及應(yīng)用，信息化進(jìn)入了以萬(wàn)物互聯(lián)為主要特征的網(wǎng)絡(luò)化階段[4]；當(dāng)前，在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集群突破、融合應(yīng)用的基礎(chǔ)上[5]，人工智能實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性突破，信息化進(jìn)入了以新一代人工智能技術(shù)為主要特征的智能化階段。各制造大國(guó)也緊跟時(shí)代潮流，紛紛推出了國(guó)家層面的先進(jìn)制造戰(zhàn)略，如美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[6]，德國(guó)工業(yè)4.0[7]，中國(guó)制造 2025 和“互聯(lián)網(wǎng)+制造”等。美國(guó)在智能化方面一直處于世界領(lǐng)先地位，智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)以及多功能、自動(dòng)化的傳感器等新一代信息技術(shù)都來(lái)源于美國(guó)[8]。

智能制造是“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略背景下的主攻方向[9]。如何在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能化的感知、人機(jī)交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程和制造裝備智能化，打造真正的智能工廠(chǎng)[10]，實(shí)現(xiàn)智能制造和生產(chǎn)。近些年來(lái)，數(shù)字孿生在越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域得以運(yùn)用。陶飛等[11]根據(jù)數(shù)字孿生理念提出了數(shù)字孿生車(chē)間；美國(guó)國(guó)防部將數(shù)字孿生理念引入到航空航天領(lǐng)域[12]；PTC公司則基于數(shù)字孿生理念運(yùn)用于產(chǎn)品售后服務(wù)與支持，為客戶(hù)帶來(lái)更好的售后體驗(yàn)[13]。

數(shù)字孿生雖然在一些領(lǐng)域有一定的運(yùn)用，但很多相關(guān)研究還只是停留在理論層面，實(shí)際運(yùn)用案例很少。筆者根據(jù)數(shù)字孿生理念對(duì)某公司汽車(chē)混流裝配線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃，闡述了數(shù)字孿生在汽車(chē)裝配工廠(chǎng)中運(yùn)用的具體步驟與數(shù)據(jù)分析結(jié)果。將數(shù)字孿生的理念與實(shí)踐相結(jié)合，為人們繼續(xù)深入研究數(shù)字孿生提供參考依據(jù)。

1 數(shù)字孿生與智能工廠(chǎng)

1.1 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)如下[14]：①利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的虛擬模型是對(duì)物理對(duì)象的真實(shí)映射，并對(duì)物理對(duì)象的各類(lèi)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知并集成融合；②通過(guò)參與物理對(duì)象的全生命周期，不斷積累相關(guān)信息，并與其共同進(jìn)化；③虛擬空間的數(shù)字化模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)中的物理對(duì)象準(zhǔn)確描述，而且能夠控制物理對(duì)象的運(yùn)行過(guò)程，孿生數(shù)據(jù)能夠促使物理對(duì)象不斷優(yōu)化，直到最優(yōu)。數(shù)字孿生連接物理空間與信息空間的方式如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生理念示意圖

1.2 數(shù)字孿生與現(xiàn)代工廠(chǎng)的融合

物理工廠(chǎng)與虛擬工廠(chǎng)基于數(shù)字孿生的理念，以數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)為媒介，實(shí)現(xiàn)雙向真實(shí)映射與實(shí)時(shí)交互，打通物理世界和信息世界之間的桎梏，實(shí)現(xiàn)物理工廠(chǎng)與虛擬工廠(chǎng)的融合并產(chǎn)生孿生數(shù)據(jù)，在孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)的全生產(chǎn)要素在物理工廠(chǎng)、虛擬工廠(chǎng)、工廠(chǎng)服務(wù)系統(tǒng)間的迭代運(yùn)行，最終使物理工廠(chǎng)不斷得到進(jìn)化，直到工廠(chǎng)生產(chǎn)和管控達(dá)到最優(yōu)的一種工廠(chǎng)運(yùn)行新模式。物理工廠(chǎng)和虛擬工廠(chǎng)交互融合示意圖如圖2所示。

圖2 物理工廠(chǎng)和虛擬工廠(chǎng)交互融合示意圖

2 數(shù)字孿生系統(tǒng)的組成

數(shù)字孿生和工廠(chǎng)融合的主要系統(tǒng)組成如圖3所示。物理工廠(chǎng)是物理空間內(nèi)工廠(chǎng)的所有生產(chǎn)要素的總和，它是為了完成生產(chǎn)任務(wù)的客觀存在；虛擬工廠(chǎng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)建立起來(lái)的數(shù)字化模型，反映物理工廠(chǎng)的一切生產(chǎn)活動(dòng)，負(fù)責(zé)對(duì)物理工廠(chǎng)的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控；CPS(cyber-physical system)作為一套綜合技術(shù)體系，在智能工廠(chǎng)建設(shè)過(guò)程中為狀態(tài)感知-數(shù)據(jù)分析-資源決策-規(guī)劃執(zhí)行提供技術(shù)支持，協(xié)助構(gòu)建物理空間與信息空間各要素相互映射、實(shí)時(shí)交互、高效協(xié)同、共同進(jìn)化的復(fù)雜系統(tǒng)，尋找工廠(chǎng)內(nèi)資源配置的最優(yōu)解；工廠(chǎng)孿生數(shù)據(jù)是物理工廠(chǎng)、虛擬工廠(chǎng)和工廠(chǎng)服務(wù)系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，它是隨著智能工廠(chǎng)不斷進(jìn)化的。

3 數(shù)字孿生與工廠(chǎng)融合運(yùn)用案例

3.1 數(shù)字孿生理念與汽車(chē)混流裝配線(xiàn)融合的方法

針對(duì)混流裝配線(xiàn)運(yùn)行機(jī)制復(fù)雜問(wèn)題，采用仿真手段進(jìn)行分析，先是基于Sketchup構(gòu)建靜態(tài)3D模型，還原生產(chǎn)線(xiàn)環(huán)境，確定場(chǎng)地、物料等約束條件；再通過(guò)傳感器等實(shí)時(shí)感知物理工廠(chǎng)內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并上傳至虛擬工廠(chǎng)進(jìn)行仿真和迭代優(yōu)化；虛擬工廠(chǎng)對(duì)物理工廠(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)物理工廠(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控。

圖3 數(shù)字孿生與工廠(chǎng)融合的主要系統(tǒng)組成

下面的案例是通過(guò)對(duì)某公司汽車(chē)混流裝配線(xiàn)的調(diào)研，基于數(shù)字孿生理念，對(duì)這條生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程分析并進(jìn)行規(guī)劃，把裝配線(xiàn)與數(shù)字孿生理念融合。在案例中僅以?xún)?nèi)飾、底盤(pán)、終一、終二工段進(jìn)行分析，以下是數(shù)字孿生理念與汽車(chē)混流裝配線(xiàn)的融合采取的方法和步驟。

根據(jù)實(shí)際作業(yè)流程，構(gòu)建各工站的動(dòng)態(tài)模型，分析整個(gè)工段運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)員工作業(yè)、物料配送進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果生成的數(shù)據(jù)與物理汽車(chē)裝配線(xiàn)建立聯(lián)系，指導(dǎo)物理裝配線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程；同時(shí)物理汽車(chē)裝配線(xiàn)產(chǎn)生的感知數(shù)據(jù)上傳到虛擬汽車(chē)裝配線(xiàn)進(jìn)行仿真模擬，產(chǎn)生數(shù)據(jù)。二者數(shù)據(jù)不斷交互，共同進(jìn)化。物理裝配線(xiàn)和虛擬裝配線(xiàn)二者數(shù)據(jù)交互的本質(zhì)是建立起與信息世界的聯(lián)系。

3.2 虛擬汽車(chē)裝配線(xiàn)建立的步驟

3.2.1 混流裝配線(xiàn)靜態(tài)建模

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪，利用Sketchup的線(xiàn)條、圓弧、推拉、路徑跟隨等工具，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的幾何建模。生產(chǎn)線(xiàn)旁料架、生產(chǎn)線(xiàn)旁布局的實(shí)物與3D建模對(duì)比圖如圖4和圖5所示。

圖4 料架實(shí)物與3D模型對(duì)比圖

圖5 生產(chǎn)線(xiàn)旁布局對(duì)比圖

3.2.2 混流裝配線(xiàn)動(dòng)態(tài)建模

使用Flexsim建立一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的3D計(jì)算機(jī)數(shù)字孿生模型，用更短的時(shí)間、更低的成本來(lái)研究系統(tǒng)。通過(guò)創(chuàng)建實(shí)體、實(shí)體連接、參數(shù)設(shè)置、可視化仿真，為后面數(shù)字孿生分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2.3 基于Flexsim的混流裝配線(xiàn)仿真

通過(guò)靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)建模，以完成各工段仿真模型的建立。Flexsim的仿真流程如圖6所示。通過(guò)對(duì)仿真運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而指導(dǎo)裝配線(xiàn)并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

圖6 Flexsim仿真流程圖

本次仿真運(yùn)行時(shí)間為一個(gè)班次，每班次的工作時(shí)間為10 h，即將單次仿真的終止時(shí)間設(shè)置為36 000 s。

對(duì)于混流裝配線(xiàn)，主要研究裝配線(xiàn)平衡和投產(chǎn)排序。裝配線(xiàn)平衡主要研究各工位作業(yè)時(shí)間，而汽車(chē)總裝以人工裝配為主，反映在Flexsim仿真中即各工位操作員的作業(yè)狀態(tài)；投產(chǎn)排序?qū)ρb配線(xiàn)的影響，主要為各工位的作業(yè)負(fù)荷和線(xiàn)旁物料的消耗，反映在Flexsim仿真中即為各工位操作員的作業(yè)狀態(tài)和暫存區(qū)物料的實(shí)時(shí)消耗狀況。仿真運(yùn)行36 000 s后，通過(guò)Flexsim的Dashboard和統(tǒng)計(jì)與報(bào)告等功能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析。

(1)操作員實(shí)時(shí)狀態(tài)分析。通過(guò)圖7可知，B073L_2，B073R_1，B073R_2，B075L_1，B075R_1等工位操作員的空閑率較低，作業(yè)強(qiáng)度大，且取料、步行時(shí)間占比較大，為瓶頸工位。由圖8可知，這些瓶頸工位作業(yè)負(fù)荷波動(dòng)大，生產(chǎn)線(xiàn)平衡狀況差。

圖7 操作員實(shí)時(shí)狀態(tài)

圖8 操作員狀態(tài)平衡墻

(2)物料實(shí)時(shí)消耗分析。由圖9可知，生產(chǎn)線(xiàn)總共上線(xiàn)車(chē)輛為372輛，裝配完畢下線(xiàn)的車(chē)輛為366輛，有6輛車(chē)停留在生產(chǎn)線(xiàn)上。其中，車(chē)型1(CN112)生產(chǎn)和車(chē)型2(CN113)生產(chǎn)各123輛，車(chē)型3(CN180S)生產(chǎn)120輛。

另外，由圖9可知，物料B073L_2_9053315(前地板孔蓋)消耗量最大為494；其次為物料B073L_2_24542553(尾門(mén)內(nèi)板孔塞)、B073R_1_23933512(導(dǎo)向環(huán)蓋)、B077R_2_23934016(導(dǎo)向環(huán)蓋)消耗量為246；其他物料消耗較均衡為123。為緩解物料供應(yīng)壓力，投產(chǎn)排序時(shí)不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)排產(chǎn)CN112、CN180S兩種車(chē)型。

圖9 物料消耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3 數(shù)字孿生與汽車(chē)裝配線(xiàn)融合結(jié)果

汽車(chē)裝配線(xiàn)的生產(chǎn)要素?cái)?shù)字信息可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳到虛擬汽車(chē)裝配線(xiàn)，虛擬裝配線(xiàn)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模擬汽車(chē)裝配線(xiàn)實(shí)際的運(yùn)作情況進(jìn)行仿真優(yōu)化，并實(shí)時(shí)調(diào)控實(shí)際汽車(chē)裝配線(xiàn)的運(yùn)作，實(shí)際汽車(chē)裝配線(xiàn)與虛擬汽車(chē)裝配線(xiàn)通過(guò)實(shí)時(shí)的信息交互不斷進(jìn)化，使整個(gè)汽車(chē)裝配線(xiàn)的效益最大化。

4 總結(jié)

(1)物理世界和信息世界的聯(lián)通與融合是智能制造可以廣泛應(yīng)用的桎梏。數(shù)字孿生是連接物理世界與信息世界的通道。

(2)數(shù)字孿生與現(xiàn)代工廠(chǎng)的融合，打通了物理世界與信息世界的通道。根據(jù)物理工廠(chǎng)建立虛擬工廠(chǎng)，實(shí)現(xiàn)物理工廠(chǎng)與虛擬工廠(chǎng)(信息世界)的信息互聯(lián)與共享，二者并行存在，共同進(jìn)化。

(3)通過(guò)對(duì)某汽車(chē)混流裝配線(xiàn)智能制造案例的分析，得出了數(shù)字孿生與裝配線(xiàn)融合的方法，為數(shù)字孿生的實(shí)踐運(yùn)用提供了參考。