數(shù)字孿生車間信息物理融合理論與技術(shù)的分析

王建民 尚立新 劉健 廉小磊

摘要：本文首先論述數(shù)字孿生車間的概念與系統(tǒng)，分析數(shù)字孿生車間信息物理融合理論，結(jié)合信息物理融合關(guān)鍵問題，論述數(shù)字孿生車間信息物理融合技術(shù)，為其推廣應用提供幫助。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生車間;信息物理融合技術(shù);車間模型

在制造業(yè)智能化發(fā)展戰(zhàn)略中，物理與信息兩個空間的數(shù)據(jù)融合為主要難題，數(shù)字孿生技術(shù)可整合物理、虛擬、孿生數(shù)據(jù)及服務系統(tǒng)等內(nèi)容，利用物理空間的數(shù)據(jù)信息，在信息空間構(gòu)建虛擬模型，將虛擬模型運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為參考資料，優(yōu)化物理空間的運行管理決策，實現(xiàn)信息物理的有效融合。

1 數(shù)字孿生車間信息物理融合理論

1.1 數(shù)字孿生車間概念

數(shù)字孿生概念由美國教授Grieves提出，美國國防部將其用于航空航天領(lǐng)域，此后國內(nèi)外專家學者對其開展廣泛研究。結(jié)合前人研究成果，數(shù)字孿生具有物理集成、進化積累、優(yōu)化物理對象等特點，可有效融合物理與信息?；跀?shù)字孿生的特點，有研究學者將其用于制造領(lǐng)域，衍生出數(shù)字孿生車間[1]。數(shù)字孿生車間是指基于先進信息技術(shù)與制造工藝，在物理車間和虛擬車間中形成雙向映射，通過二者數(shù)據(jù)實時交互，全面整合兩個車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程與生產(chǎn)要素，為制造企業(yè)開展車間管理、生產(chǎn)優(yōu)化提供幫助，實現(xiàn)智能化、精細化、精準化車間管控，是一種新型車間運行模式。

1.2 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)

數(shù)字孿生車間包括物理車間、虛擬車間、服務系統(tǒng)及孿生數(shù)據(jù)四部分，結(jié)合制造行業(yè)生產(chǎn)特點，數(shù)字孿生車間系統(tǒng)架構(gòu)可劃分為五個層次，如圖1所示。

在數(shù)字孿生車間系統(tǒng)中，物理層是指物理車間的生產(chǎn)實物及實施的相關(guān)活動，如車間設備、車間工人、車間加工活動等，通過傳感器與執(zhí)行器的應用，實現(xiàn)人一機一物一環(huán)境的整合，全面收集基礎物理數(shù)據(jù);模型層是指虛擬車間的虛擬內(nèi)容及實施的相關(guān)活動，如模型、算法、規(guī)則及仿真加工過程等;數(shù)據(jù)層是指數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的車間孿生數(shù)據(jù)服務平臺，通過與物理層、模型層的數(shù)據(jù)交互，進行數(shù)字孿生車間數(shù)據(jù)的整合、處理等操作;服務層是指基于數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果，為車間生產(chǎn)提供指導與決策等服務，如智能排產(chǎn)、物料配給、能效優(yōu)化等;應用層是指基于服務層的服務內(nèi)容，落實相關(guān)措施，實現(xiàn)智能生產(chǎn)、管控的目標[2]。

2 數(shù)字孿生車間信息物理融合技術(shù)

在數(shù)字孿生車間系統(tǒng)架構(gòu)中，五個層次中各項功能的實現(xiàn)離不開先進技術(shù)，基于數(shù)字孿生車間的運行特點與發(fā)展目標，其信息物理融合技術(shù)涵蓋數(shù)據(jù)融合、物理融合、模型融合及服務融合四種。

2.1 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指將物理車間和虛擬車間的各項數(shù)據(jù)進行整合，通過對車間數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)要素等內(nèi)容的分析，在虛擬車間進行車間運行的仿真模擬，用于車間生產(chǎn)、管理決策。在數(shù)字孿生車間運行期間，關(guān)鍵數(shù)據(jù)融合技術(shù)如圖2所示。

（1）預處理技術(shù)，包括生產(chǎn)技術(shù)、建模技術(shù)與清洗技術(shù)，從多尺度、多學科角度入手，對車間數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)處理，實施異構(gòu)建模、多源建模或多維建模，結(jié)合數(shù)字孿生車間運行要求，應用約簡技術(shù)與清洗技術(shù)，進行孿生車間數(shù)據(jù)的有效處理。

（2）分析技術(shù)，包括關(guān)聯(lián)技術(shù)、聚類技術(shù)與挖掘技術(shù)，將處理后的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，利用數(shù)據(jù)溯源技術(shù)、源數(shù)據(jù)特征提取技術(shù)，進行數(shù)據(jù)的深入挖掘，獲取車間的行為性能等關(guān)鍵信息。

（3）應用技術(shù)，包括迭代技術(shù)、演化技術(shù)與融合技術(shù)，通過數(shù)據(jù)的交互迭代，明確車間數(shù)據(jù)的模態(tài)，對不同特征或類似特征的數(shù)據(jù)進行演化處理，融合所有數(shù)據(jù)的演化規(guī)律，進行特性分析。

2.2 物理融合技術(shù)

物理融合技術(shù)是數(shù)字孿生車間物理層的核心技術(shù)，能夠?qū)⑽锢碥囬g的各項信息整合，優(yōu)化配置物理車間的各項資源，實現(xiàn)人一機一物一環(huán)境的有效融合，為各項物理生產(chǎn)要素的協(xié)調(diào)配合提供支持。為實現(xiàn)物理層各項功能，物理融合技術(shù)應涉及以下內(nèi)容：

2.2.1 智能感知與互聯(lián)技術(shù)

物理車間接口和協(xié)議具有異構(gòu)特征，且生產(chǎn)要素繁雜，干擾來源多，需通過全要素感知模型、傳感器優(yōu)化布局、自適應協(xié)議解析、車間異構(gòu)要素互聯(lián)等智能感知與互聯(lián)技術(shù)，全面獲取物理車間的數(shù)據(jù)信息。

2.2.2 智能傳輸與集成技術(shù)

基于接口與協(xié)議異構(gòu)，物理車間的網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)來源均表現(xiàn)出異構(gòu)特征，且物理車間拓撲呈動態(tài)，加大了數(shù)據(jù)傳輸與集成難度，需應用高性能傳輸協(xié)議、多層次信息聚類與融合及鏈路優(yōu)化調(diào)節(jié)等技術(shù)，保障物理車間采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸。

2.2.3 智能交互與控制技術(shù)

物理車間的生產(chǎn)要素大規(guī)模分布，且不同要素在運動學特性方面存在差異，需通過數(shù)據(jù)一要素行為語義映射、驅(qū)動映射、自適應控制等智能交互與控制技術(shù)，實現(xiàn)物理車間各項生產(chǎn)要素的規(guī)范交互。

2.2.4 智能協(xié)作與共融技術(shù)

物理車間存在諸多不確定性影響因素，且人機物等生產(chǎn)要素間存在較大時間或空間尺度，影響不同要素的協(xié)同效果，需應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡化協(xié)同控制技術(shù)，實現(xiàn)不同生產(chǎn)要素的協(xié)同控制，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量[3]。

2.3 模型融合技術(shù)

模型融合技術(shù)是指基于物理車間的各項信息，進行虛擬車間真實完整映射，要求兩種車間在幾何模型、物理模型、行為規(guī)則等方面保持一致。就此，數(shù)字孿生車間可應用“幾何一物理一行為一規(guī)則”模型融合技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字孿生車間的建設目標。細化來說，模型融合技術(shù)的關(guān)鍵要點如下：

（1）構(gòu)建多維模型，在模型融合中，應綜合考慮物理車間的幾何特征、物理特征、行為模式、運行規(guī)則，真實完整地完成物理車間的描述與仿真;

（2）做好評估與驗證，在模型構(gòu)建完成后，可利用VV&A理論進行評估與驗證，驗證內(nèi)容包括模型演繹過程的準確度、模型仿真的置信度與精度等;

（3）明確關(guān)聯(lián)與映射關(guān)系，在確保模型無誤后，應對不同維度的模型進行整合，明確其關(guān)聯(lián)與映射關(guān)系，構(gòu)成綜合模型，例如，行為模型是在幾何與物理模型的基礎上，添加驅(qū)動與擾動因素，為幾何與物理模型中各項要素賦予行為要素，使其能夠完成復雜行為，為模型仿真模型提供條件;

（4） 一致性分析，在不同維度的模型整合后，需對虛擬車間模型與物理車間進行一致性分析，評估兩者在幾何、物理等維度是否保持一致。

2.4 服務融合技術(shù)

服務融合技術(shù)是指基于數(shù)據(jù)融合結(jié)果，掌握車間運行狀況，對車間生產(chǎn)與管理進行優(yōu)化決策，驅(qū)動虛擬車間的優(yōu)化運行，實現(xiàn)物理車間生產(chǎn)與管理水平提升的目標。細化來說，服務融合技術(shù)的核心理論為數(shù)據(jù)驅(qū)動的服務融合，其涉及關(guān)鍵技術(shù)如下：

2.4.1 服務生產(chǎn)技術(shù)

該技術(shù)的目標在于物理車間與虛擬車間數(shù)據(jù)融合成果到服務的有效轉(zhuǎn)化，制造企業(yè)應按照物理車間、虛擬車間、孿生車間數(shù)據(jù)、應用服務四個維度，進行多層級、多維度映射機制的設置，并引進服務數(shù)字化描述技術(shù)、服務封裝技術(shù)與服務聚合技術(shù)，實現(xiàn)服務生產(chǎn)目標。

2.4.2 智能管理與優(yōu)化技術(shù)

制造企業(yè)應構(gòu)建車間服務模型，對車間服務進行在線監(jiān)測與質(zhì)量評估，并對服務在虛實映射與生產(chǎn)實踐間的匹配進行對比分析，保障車間服務的優(yōu)化配置，提高數(shù)字孿生車間服務的一致性。

2.4.3 服務協(xié)作與融合技術(shù)

制造企業(yè)應結(jié)合車間生產(chǎn)狀況，明確復雜耦合應用任務，并進行任務的解析與描述，通過任務需求與服務的匹配技術(shù)，進行車間服務的精準調(diào)度，為車間生產(chǎn)與管理提供服務組合，實現(xiàn)車間服務的有效協(xié)作與融合。同時，制造企業(yè)可引進可靠性評估體系，對服務協(xié)作與融合效果進行分析，結(jié)合分析結(jié)果進行針對性提升，提高車間服務水平，發(fā)揮數(shù)字孿生車間作用。

3 結(jié)論

綜上所述，數(shù)字孿生車間信息物理融合具有豐富理論基礎，為制造領(lǐng)域的智能生產(chǎn)提供支持。為實現(xiàn)數(shù)字孿生車間信息物理融合，制造企業(yè)應合理利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)、物理融合技術(shù)、模型融合技術(shù)、服務融合技術(shù)，切實發(fā)揮數(shù)字孿生車間的優(yōu)勢，提高制造行業(yè)生產(chǎn)管理水平，推動行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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[2]袁勝華，張騰，鈕建偉.數(shù)字孿生技術(shù)在航天制造領(lǐng)域中的應用[J].強度與環(huán)境，2020，47 （03）：57-64.

[3]劉蔚然，陶飛，程江峰等，數(shù)字孿生衛(wèi)星：概念、關(guān)鍵技術(shù)及應用[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2020，26 （03）：565-588.

作者簡介

王建民（1967-），男，山東省菏澤市人。大學本科學歷，工程師。研究方向為應用數(shù)學、信息化管理等。

尚立新（1974-），男，河北省邢臺市人。大學本科學歷，初級經(jīng)濟師。研究方向為物流管理。

劉?。?977-），男，山東省冠縣人。大學本科學歷。研究方向為信息化管理等。

廉小磊（1984-），男，河南省漯河市人。研究生學歷。研究方向為智能制造。