基于邏輯Petri網(wǎng)模型的斷路器數(shù)字孿生車間系統(tǒng)

李莎莎，舒 亮+，吳桂初，楊艷芳，楊 秒

(1.溫州大學 浙江省低壓電器工程技術(shù)研究中心，浙江 溫州 325027；2.武漢理工大學 物流工程學院港口物流技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，湖北 武漢 430063;3.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

0 引言

斷路器廣泛應用于配用電網(wǎng)絡來保障終端用電安全，每年的使用數(shù)量高達數(shù)十億[1]，是維護我國電網(wǎng)穩(wěn)定和安全運行的重要基石。由于產(chǎn)量巨大，目前我國正逐步推進斷路器的自動化制造，但由于缺乏數(shù)字化技術(shù)，制造車間在生產(chǎn)過程可視化、生產(chǎn)效率和產(chǎn)線維護成本等方面存在較大問題，研究和開發(fā)以自動化、數(shù)字化為主要特征的新型斷路器集成柔性化制造系統(tǒng)，對提升產(chǎn)品性能及其整體生產(chǎn)效率具有重要意義。

數(shù)字孿生技術(shù)[2-3]為斷路器的數(shù)字化制造提供了新方向，其通過數(shù)字化模型和孿生數(shù)據(jù)描述物理車間的全制造過程，對物理車間進行全方位、多層次監(jiān)測與管理，是提升斷路器制造水平的重要途徑。CHEN等[4]通過虛擬映射融合、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)驅(qū)動、虛擬化和云服務技術(shù)，開發(fā)了基于物理信息系統(tǒng)的斷路器數(shù)字化工廠，用于支持生產(chǎn)方案的智能決策；楊艷芳等[5]提出一種面向斷路器制造的柔性裝配機器人數(shù)字孿生框架，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動連續(xù)的鏡像物理單元來更新數(shù)字模型，從而保證數(shù)字孿生體的同步映射；ZHANG等[6]基于數(shù)字孿生的思想，提出一種面向全息眼鏡生產(chǎn)線的快速個性化設計方法，通過分析解耦框架模塊，為制造作業(yè)過程提供了工程分析和自我決策能力。

研究和實現(xiàn)斷路器數(shù)字化制造孿生系統(tǒng)的主要難點在如下兩方面：①與斷路器實際批量化制造過程精準匹配的生產(chǎn)邏輯關(guān)系建模；②基于邏輯關(guān)系模型的數(shù)字孿生體驅(qū)動與控制。斷路器產(chǎn)量巨大，以溫州樂清為例，小型斷路器日產(chǎn)量超過600萬極，一條完整的斷路器流水線包括設備24臺套，系統(tǒng)零件總數(shù)超過20 000個。由于零部件眾多，生產(chǎn)流程復雜，研究和建立斷路器批量化制造過程中的邏輯關(guān)系模型，并用于數(shù)字孿生體的實時驅(qū)動與控制，是建立孿生車間的首要問題。另外，斷路器為批量化制造，對生產(chǎn)節(jié)拍要求嚴格，其節(jié)拍為2～3 s/只，而且根據(jù)實際生產(chǎn)動態(tài)可調(diào)，針對性地基于節(jié)拍對孿生系統(tǒng)進行驅(qū)動和控制，是實現(xiàn)數(shù)字孿生車間和物理車間匹配映射的又一難點。

目前，有關(guān)數(shù)字孿生技術(shù)的研究，主要集中于信息—物理模型的融合交互、系統(tǒng)框架、數(shù)據(jù)傳輸和信息服務等方面，例如向峰等[7]構(gòu)建了包含綠色特征的五維數(shù)字孿生模型，重塑了綠色制造中物理實體、虛擬孿生體、數(shù)據(jù)、交互接口、服務五維要素之間的關(guān)系和特性；李浩等[8]分析了數(shù)字孿生的產(chǎn)品設計制造一體化開發(fā)內(nèi)涵，提出了產(chǎn)品環(huán)形設計框架；趙浩然等[9]提出基于實時信息的生產(chǎn)車間虛擬可視化方法，用于進行車間的動態(tài)監(jiān)控服務?，F(xiàn)有這些研究，較少涉及批量化產(chǎn)品制造過程的邏輯關(guān)系建模及其數(shù)字孿生體的驅(qū)動與控制問題。楊艷芳等[10]采用時間約束的嵌套式Petri網(wǎng)模型描述裝配系統(tǒng)行為，實現(xiàn)了車間作業(yè)過程的虛擬化和運維可視化，然而該孿生系統(tǒng)以時間幀進行驅(qū)動，其對象與對象之間缺乏嚴格的行為觸發(fā)機制和邏輯順序控制，長時間運行后，由于各節(jié)點計算資源的差異性，容易出現(xiàn)控制邏輯紊亂的現(xiàn)象，造成對象邏輯關(guān)系錯位、卡頓、穿透等。

為解決以上問題，本文提出一種基于邏輯Petri網(wǎng)[11-12]的斷路器數(shù)字孿生車間系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括：①通過搭建邏輯Petri網(wǎng)，對斷路器批量化裝配制造過程中涉及的部件、資源和系統(tǒng)等進行鏡像描述，對數(shù)字孿生車間整體線路進行邏輯建模；②基于邏輯Petri網(wǎng)，通過模型結(jié)構(gòu)歸一化、系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化、對象行為特性描述和物理系統(tǒng)開發(fā)等方法，實現(xiàn)物理車間與數(shù)字孿生車間的高度融合和忠實同步。

1 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)搭建

本文提出的數(shù)字孿生車間搭建框架如圖1所示，包括物理斷路器制造車間信息建模、數(shù)字孿生車間系統(tǒng)搭建和數(shù)據(jù)傳輸引擎3部分：

(1)物理生產(chǎn)車間由實際生產(chǎn)車間各部分組成，包括斷路器生產(chǎn)線、車間環(huán)境等。本文通過傳感器網(wǎng)絡等采集物理車間生產(chǎn)信息，并通過邏輯Petri網(wǎng)描述斷路器生產(chǎn)線。

(2)數(shù)字孿生車間系統(tǒng)通過已有的物理車間信息，在虛擬場景中搭建一個高置信度物理車間的鏡像映射，包括模型結(jié)構(gòu)解析、狀態(tài)分析等。

(3)數(shù)據(jù)傳輸引擎是使物理車間與數(shù)字孿生車間相互聯(lián)通的橋梁。本文基于數(shù)據(jù)傳輸引擎，開發(fā)了相關(guān)輔助功能，可以提高車間的虛實交互性和數(shù)據(jù)可視性。

2 物理車間邏輯建模

2.1 車間構(gòu)成

斷路器為批量化生產(chǎn)，車間內(nèi)部零件眾多、流程較復雜，實現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)需要對物理邏輯信息進行精準建模和忠實映射。圖2所示為斷路器批量化生產(chǎn)車間布局圖，其中包括斷路器生產(chǎn)線、智能化倉儲和辦公環(huán)境等。為實現(xiàn)真實車間在數(shù)字孿生車間中的精準映射，采用傳感器網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)相機、嵌入式數(shù)據(jù)控制器等對物理車間進行物理信息建模。

圖3所示為斷路器車間布局簡圖，包括自動外殼上料、自動裝手柄/扭簧、自動裝磁系統(tǒng)等單元，第9單元為檢測單元，用于檢測裝配成品。在整個裝配生產(chǎn)線中，裝配主體被放置在承座上通過傳送帶依次進行零部件裝配，直至完成成品，承座采用上下結(jié)構(gòu)傳送帶進行循環(huán)使用。斷路器生產(chǎn)線中涉及的零件和作業(yè)序列如圖4所示，該圖描述了斷路器的裝配工序，包括外殼、手柄結(jié)構(gòu)、磁系統(tǒng)、磁軛和滅弧室等零部件裝配路序，按照圖示順序?qū)⒏髁悴考来谓M裝，最終形成成品。該產(chǎn)線中存在并行、串行等多作業(yè)環(huán)節(jié)，并受復雜工藝邏輯約束，需要通過邏輯層次模型描述該生產(chǎn)過程和運動控制過程。

2.2 基于邏輯Petri網(wǎng)的生產(chǎn)線建模

Petri網(wǎng)結(jié)合庫所、變遷和有向弧等圖形，通過可視化表達方式直觀地構(gòu)建和描述系統(tǒng)模型及其運行邏輯，特別是離散系統(tǒng)模型[13-15]。本節(jié)基于邏輯Petri網(wǎng)對斷路器車間的生產(chǎn)線進行批量化作業(yè)邏輯建模，能夠精準、忠實地融合映射真實的生產(chǎn)邏輯，從而服務于孿生車間。

根據(jù)斷路器生產(chǎn)線的組成結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)邏輯和工藝順序等信息，基于庫所、變遷等元素順序遞歸組合，構(gòu)建生產(chǎn)線的邏輯Petri網(wǎng)模型如圖5所示。其中，①～⑨分別對應裝配線的9個單元，庫所S，P的集合表示生產(chǎn)線上各機械設備的狀態(tài)。S1～S13為斷路器零部件的上料動作狀態(tài)，S1表示斷路器盒蓋上料狀態(tài)，S13表示滅弧室上料狀態(tài)；P1～P13為斷路器零部件的上料動作完成狀態(tài)，P1表示斷路器盒蓋上料完成狀態(tài)，P13表示滅弧室上料完成狀態(tài)。變遷T的集合表示系統(tǒng)運行中導致待處理件改變的操作，T1～T9為裝配型變遷，表示完成零部件裝配的變遷，T10～T18為緩沖型變遷，表示單元與單元之間的緩沖傳送帶，負責將上一單元完成零部件裝配的承座傳送到下一單元。邏輯Petri網(wǎng)模型中所有庫所及變遷的含義如表1所示。

表1 Petri網(wǎng)模型庫所及變遷的含義

斷路器生產(chǎn)線運行時，斷路器盒蓋開始上料(S1)，當斷路器盒蓋上料完成(P1)后，盒蓋的裝配過程T1才能進行，最后得到盒蓋裝配完成狀態(tài)T11，然后裝配下一零件直到產(chǎn)品成型。上述搭建的邏輯Petri網(wǎng)模型描述了整個批量化斷路器生產(chǎn)的行為邏輯和生產(chǎn)流程，使整個斷路器虛擬生產(chǎn)線的搭建過程更加匹配、精準，且邏輯嚴密。另外，邏輯Petri網(wǎng)確保了斷路器虛擬生產(chǎn)線與物理產(chǎn)線的虛實映射，以便實現(xiàn)數(shù)字孿生車間生產(chǎn)邏輯的協(xié)同優(yōu)化。

3 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)搭建

將建立的邏輯Petri網(wǎng)模型中的庫所、變遷與虛擬場景中的實體單位相對應，并根據(jù)邏輯Petri網(wǎng)進行模型分組、分級和層級鏈接，根據(jù)對應的生產(chǎn)線行為邏輯進行驅(qū)動狀態(tài)建模。通過編譯和物理系統(tǒng)開發(fā)架設邏輯Petri網(wǎng)所描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠與斷路器實際批量化制造過程的生產(chǎn)邏輯關(guān)系精準匹配，實現(xiàn)邏輯Petri網(wǎng)模型與虛擬平臺之間的映射，以及批量化斷路器裝配生產(chǎn)線的虛擬現(xiàn)實仿真。

3.1 模型結(jié)構(gòu)歸一化

數(shù)字孿生系統(tǒng)中的模型具有復雜多樣性，包括車間環(huán)境模型、倉儲模型、零件模型、設備模型等，為便于處理，對模型進行結(jié)構(gòu)歸一化處理。根據(jù)Petri網(wǎng)邏輯，將具有相同運動軌跡的機械設備模型或靜止不動的旁觀對象分別鏈接成組，組中各個零件與整體之間具有層級關(guān)系，通過分層鏈接在所有零件間建立層級關(guān)系，然后層層遞歸為層次化的數(shù)字孿生車間系統(tǒng)。

本文數(shù)字孿生車間模型結(jié)構(gòu)歸一化如圖6所示，整個場景劃分為環(huán)境模型和產(chǎn)線模型兩個模塊。對每個模塊進行細分，如環(huán)境模型可以分為燈光、布局、車間廠房、車間倉儲等，根據(jù)該模型建立模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和父子嵌套的幾何屬性關(guān)系。模型的規(guī)范化管理有利于減少搭建虛擬環(huán)境的步驟，從而節(jié)省時間，提高效率。

靜態(tài)三維模型是由自身子模型關(guān)聯(lián)組合而成的模型，一般遞歸處理為一個整體，如辦公室、貨架、箱體外殼等。對于包含具體行為的動態(tài)三維模型，如圖7所示的機器人機械手，首先將第一層級的各個零部件進行組合；然后以模型各自從屬的相對靜態(tài)模型為根節(jié)點，在第二層級和第三層級鏈接父子對象；最后在各個零件之間建立層級關(guān)系，完成對機械爪手的結(jié)構(gòu)歸一化處理。

3.2 設備動作狀態(tài)建模

結(jié)合邏輯Petri網(wǎng)的裝配序列描述，斷路器每個零部件裝配的具體路徑如圖8所示。流水線軌道上布置有裝配位，上料位首先進行上料操作，待物料到達取件位后，裝配設備抓手從取件位完成取件，然后裝配設備對到達裝配位的斷路器承座進行裝配操作，其中限制位用于截停到達裝配位的斷路器承座。裝配設備運動過程中的軌跡規(guī)劃與位姿節(jié)點變換對裝配設備的穩(wěn)定性和效率有重要影響，其與上料位、取件位、裝配位和限制位之間的相互配合關(guān)系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與連續(xù)性，并通過碰撞檢測和狀態(tài)機建模實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)聯(lián)與管理。

裝配設備在運動過程中往往存在多段軌跡變換，如上料的間隙短時間等待狀態(tài)、上料完成后取件和裝配等操作。通過腳本控制所有運動狀態(tài)之間的切換比較復雜，為簡化控制過程，本文采用狀態(tài)機對設備動作進行驅(qū)動和調(diào)控。狀態(tài)機中的各個狀態(tài)與邏輯Petri網(wǎng)中的變遷動作相互映射。

3.3 對象行為特性描述

數(shù)字孿生車間生產(chǎn)線是物理車間的映射，受物理車間機械設備運動路徑的約束[16]。通過狀態(tài)機建?？梢钥刂颇Ｐ妥陨淼膭幼鬈壽E，通過邏輯Petri網(wǎng)模型建立不同模型之間的邏輯關(guān)系，可以完成物理車間的約束關(guān)系映射。虛擬機械設備位姿變換一般分解為平移、旋轉(zhuǎn)和放縮，每一次動作變換都能通過改變平移、旋轉(zhuǎn)和放縮的3個自由度來實現(xiàn)。為了準確描述一個對象在虛擬場景中的運動，采用如下矩陣描述其行為約束特征：

(1)

在虛擬場景的初始狀態(tài)，平移、旋轉(zhuǎn)和放縮的3個自由度均為自由形態(tài)，未被凍結(jié)，當移動具有物理屬性的虛擬對象時，由于沒有對位置進行約束，物體會偏離既定位置。當某個軸向的平移自由度被凍結(jié)函數(shù)約束時，表示虛擬對象可以在該軸以外的所有軸自由移動，旋轉(zhuǎn)自由度和放縮自由度與此類似。為了簡化描述，設定某個自由度等于0時表示該軸被凍結(jié)函數(shù)約束，不可沿該軸平移、自由旋轉(zhuǎn)或放縮。例如，Wx=0表示虛擬對象不可沿X軸自由平移；Wx=1表示該軸未被凍結(jié)，虛擬對象可沿該軸運動。凍結(jié)軸向能夠減少機械設備在動作過程中的誤差。

針對斷路器裝配過程的機械運動，本文主要考慮直線平移行為、繞軸旋轉(zhuǎn)行為和對象固定行為幾種典型的裝配操作，對應裝配過程中斷路器承座在軌道上的直線平移運動、機械抓手放置/抓取斷路器的繞軸旋轉(zhuǎn)運動和承座固定。

(1)直線平移行為

在斷路器裝配過程中，斷路器承座在軌道上做直線平移運動，由于添加了摩擦力、速度等物理屬性，長時間運行可能會出現(xiàn)承座偏離軌道的情況，本文將兩個平移自由度、3個旋轉(zhuǎn)自由度和3個放縮自由度凍結(jié)，使斷路器承座只做直線運動。假設承座運動方向為X軸，其約束矩陣

(2)

(2)繞軸旋轉(zhuǎn)行為

在機械抓手抓取/放置零部件的過程中，零部件的運動可約等于繞軸旋轉(zhuǎn)運動，本文凍結(jié)該軸旋轉(zhuǎn)自由度以外的其他自由度，使零部件只能繞該軸旋轉(zhuǎn)。假設其繞Y軸旋轉(zhuǎn)，則約束矩陣

(3)

(3)對象固定行為

在控制過程中，斷路器承座有時需要固定在某一個位置等待裝配或其他動作，此時平移、旋轉(zhuǎn)和放縮的3個自由度均為凍結(jié)形態(tài)，其約束矩陣A如式(4)所示。裝配動作完畢會對承座進行解凍。

(4)

3.4 物理系統(tǒng)開發(fā)

在虛擬場景中，碰撞檢測可以保證真實世界的正確虛擬化[17-18]。本文采用包圍盒法實現(xiàn)對斷路器裝配過程的碰撞檢測功能，其基本原理如圖9所示。包圍盒A與包圍盒B相互碰撞，當相交區(qū)域大于0時，判定兩物體發(fā)生碰撞，進而根據(jù)邏輯Petri模型觸發(fā)相關(guān)聯(lián)事件。

通過碰撞檢測方法在數(shù)字孿生車間實現(xiàn)的功能如圖10所示，包括：①碰撞阻隔功能，例如在廠房、倉儲和辦公室等對象上添加碰撞包圍盒，防止對象穿透墻壁；②交互響應功能，當鼠標點擊某一臺添加了碰撞包圍盒的設備模型時，以彈框的形式顯示該設備模型對應實體的狀態(tài)信息；③模型高亮功能，通過給對象添加碰撞包圍盒和相應函數(shù)組件，可以實現(xiàn)鼠標點擊對象高亮；④邏輯觸發(fā)功能，當碰撞器與觸發(fā)器碰撞后，依據(jù)邏輯Petri網(wǎng)模型觸發(fā)相應關(guān)聯(lián)事件，并為事件的發(fā)生設置發(fā)生條件。

3.5 場景性能優(yōu)化

本文研究的斷路器制造車間比較復雜，制造單元數(shù)量較多，車間系統(tǒng)包括6條完整的生產(chǎn)線，每條產(chǎn)線包括制造設備24臺套，共計144個制造單元，所對應的數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的模型總數(shù)達到47 415個，包括6.39×107個頂點和6.71×107個面片，涉及4 860個裝配動作和4 548個檢測動作，對計算資源需求較大。為了提高系統(tǒng)運行效率，本文將系統(tǒng)的優(yōu)化任務進行模塊化分解，確定各模塊的優(yōu)化模型和優(yōu)化參數(shù)準則，完成各個模塊各項參數(shù)的協(xié)同并行優(yōu)化。搭建數(shù)字孿生車間需要確認車間模型并構(gòu)建邏輯網(wǎng)絡，本文將模型參數(shù)優(yōu)化和邏輯優(yōu)化定義為兩個優(yōu)化子任務進行協(xié)同優(yōu)化，使系統(tǒng)在不斷迭代中縮短計算時間，獲得更佳的協(xié)同計算結(jié)果。

采用實例化、多細節(jié)層次(Level of Details，LOD) 技術(shù)[19-20]和模型靜態(tài)化方法對數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的模型網(wǎng)格進行優(yōu)化。實例化指將場景中重復使用的同一模型創(chuàng)建為預制體，實現(xiàn)同類對象數(shù)量增加、多邊形數(shù)量和面片數(shù)不變的效果；通過LOD技術(shù)對物體進行不同網(wǎng)格數(shù)的多層次建模，根據(jù)距離變化切換不同網(wǎng)格模型，從而提高計算效率；對不包含具體動作的對象進行靜態(tài)化處理，以減少對象遍歷次數(shù)。

在構(gòu)建系統(tǒng)邏輯過程中存在大量的底層業(yè)務邏輯代碼和細粒度對象，增大了顯示層與系統(tǒng)邏輯層之間的耦合度。本文根據(jù)邏輯Petri網(wǎng)對系統(tǒng)的不同功能進行封裝，將不同功能所包含的對象封裝為粗粒度對象，并對系統(tǒng)的邏輯功能進行劃分整合，最終優(yōu)化為合適的粒度邏輯單位，從而在實現(xiàn)相同功能的情況下，不但使系統(tǒng)邏輯更加簡單清晰，而且提高整個系統(tǒng)邏輯的內(nèi)聚度和可維護性。

為了對比優(yōu)化前后的系統(tǒng)性能，對斷路器數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的性能進行分析。根據(jù)圖11可以得出，優(yōu)化前每幀CPU時間為120.3 ms，每幀GPU時間為165.11 ms；優(yōu)化后每幀CPU時間為60.5 ms，每幀GPU時間為80.6 ms。各項具體資源占用情況如圖12所示，圖中CPU載荷優(yōu)化了約49.7%，GPU載荷優(yōu)化了約51.1%。

4 數(shù)據(jù)傳輸引擎

數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的目標是設備虛擬化、操作過程透明化、數(shù)據(jù)可視化，功能包括斷路器生產(chǎn)車間布局的三維展示、生產(chǎn)線生產(chǎn)邏輯的孿生映射、運動仿真和生產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)展示等。如圖12所示，物理車間接收到中間件發(fā)送的數(shù)據(jù)請求信號后進行數(shù)據(jù)應答，將車間設備之間的傳感器網(wǎng)絡所采集的原生數(shù)據(jù)發(fā)送給中間件，中間件將應答的原生數(shù)據(jù)存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫中，發(fā)送給下游的孿生車間進行相關(guān)應用。

圖13所示為物理車間、數(shù)字孿生車間與車間服務系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡關(guān)系。數(shù)字孿生車間生產(chǎn)線的運動關(guān)系受物理車間生產(chǎn)線的行為約束，包括運動邏輯、運動方向、運動距離、旋轉(zhuǎn)角度等物理屬性[21-22]。數(shù)字孿生車間將接收到的物理車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送給車間服務系統(tǒng)，車間服務系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理和展示，具體為物理車間將車間內(nèi)動態(tài)變化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)等信息通過工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后，以工業(yè)串口和WiFi的形式發(fā)送給數(shù)字孿生車間，數(shù)字孿生車間通過數(shù)據(jù)傳輸引擎對接收的數(shù)據(jù)進行識別、處理和存儲，并向物理車間發(fā)送生產(chǎn)指令，同時將處理過的生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送給車間服務系統(tǒng)；車間服務系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和評價，經(jīng)過反復迭代優(yōu)化后顯示評價結(jié)果，結(jié)果數(shù)據(jù)則存儲在數(shù)字孿生車間的數(shù)據(jù)庫。

作為客戶端，物理車間按照如表2所示的數(shù)據(jù)格式發(fā)送數(shù)據(jù)，對各裝配單元的數(shù)據(jù)進行建模。數(shù)字孿生車間接收客戶端發(fā)送的12位數(shù)據(jù)，對物理車間進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。數(shù)據(jù)類型如表2所示，其中第3位為單元號，用于區(qū)分傳送信息為車間整體運營信息還是單元運營狀態(tài)信息，當單元號為0時表示該行所傳信息為車間運營情況，單元號為1～12時表示斷路器生產(chǎn)線第1～12單元的單元狀態(tài)信息；第4位為設備運行狀態(tài)，其為0，1，2，3分別表示設備為待機狀態(tài)、正常狀態(tài)、暫停狀態(tài)、故障狀態(tài)。當數(shù)字孿生車間接收到物理車間發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對不同信號做出相應的處理和反饋。

表2 數(shù)據(jù)通信格式

數(shù)字孿生車間服務系統(tǒng)采用傳輸控制協(xié)議(Transport Control Protocol，TCP)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，通過服務端、客戶端、IP地址和端口號等構(gòu)建信息通訊機制。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性以及對數(shù)據(jù)的精確感知，本文采用多源數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，包括基于OPC的統(tǒng)一框架(OLE for Process Control Unified Architecture，OPC-UA)、Modbus協(xié)議等。按照如圖14所示的過程對通信數(shù)據(jù)進行處理，使其能夠滿足下游數(shù)據(jù)應用的要求。首先，利用工業(yè)以太網(wǎng)從物理車間讀寫控制器、傳感器網(wǎng)絡和可編程控制等設備未經(jīng)解析處理的數(shù)據(jù)，包括斷路器進出工位的數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)等。其次，針對用戶具體需求，按照一定數(shù)據(jù)格式匯總排列獲取到的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)增值。同時，基于實際生產(chǎn)車間的運行數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)，驅(qū)動孿生模型根據(jù)邏輯關(guān)系模型進行響應。最后，本文對不同的數(shù)據(jù)信息進行二次開發(fā)，即對斷路器生產(chǎn)過程的各個指標進行描述評價，實現(xiàn)了對斷路器生產(chǎn)過程的優(yōu)化決策和對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化展示。

本文通過PLC、無線射頻識別(Radio Frequency IDentification，RFID)、超文本傳輸協(xié)議(Hypertext Transfer Protocol，HTTP)等接口將服務系統(tǒng)與物理車間連通，通過解析數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字模型進行仿真運動，同時進行服務系統(tǒng)的可視化管理和展示。為提高孿生數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)的實時性與動態(tài)性，本文基于實時問答機制建立了一種實時性強的插入式信息顯示方法，即基于碰撞響應的顯示機制，其原理框圖如圖15所示。系統(tǒng)運行時向數(shù)字孿生車間發(fā)送命令，并查詢物理車間的運營情況，包括設備運行狀態(tài)、計劃數(shù)量和計劃達成率等。當用戶通過交互的方式觸發(fā)碰撞包圍盒單元模型時，車間服務系統(tǒng)向數(shù)字孿生車間發(fā)送命令，查詢模型對應實體的狀態(tài)信息，包括單元名稱、單元合格率、不合格量、設備運行狀態(tài)等，實體設備接收到指令，對相應數(shù)據(jù)進行處理并反饋給服務系統(tǒng)，服務系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行一定篩選后以彈窗的方式在系統(tǒng)界面展示。

5 實驗與分析

本文根據(jù)所建立的邏輯Petri網(wǎng)的裝配序列模型，開發(fā)了相應的斷路器數(shù)字化制造孿生車間系統(tǒng)，總體布局如圖16所示，圖17所示為車間倉儲模型、斷路器生產(chǎn)線和相應的流水線設備。

通過交互，采用可視化方式實時獲取設備運行狀態(tài)、產(chǎn)品制造過程信息等數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生車間、物理車間與服務系統(tǒng)之間建立數(shù)據(jù)傳輸引擎，將包圍盒碰撞檢測與插入式信息顯示結(jié)合，實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的交互式實時信息問答。圖18所示為車間三維可視化服務系統(tǒng)的顯示界面。

車間服務平臺界面分為車間運營情況界面和單元運營情況界面兩部分。其中車間運營情況界面包含的生產(chǎn)數(shù)據(jù)有設備運營狀態(tài)、計劃裝配數(shù)量、計劃達成率、一次直通率、各單元設備綜合效率(Comprehensive Efficiency of Equipment，OEE)、設備能耗和系統(tǒng)實時時間等；單元運營情況界面包含的生產(chǎn)數(shù)據(jù)有單元名稱、設備運行狀態(tài)、產(chǎn)量、合格率、不合格量、設備綜合效率等。車間中的異常信息(待機、暫停、故障)和單元裝配運營情況以警告彈窗和紅燈警示的方式顯示，圖19a所示為系統(tǒng)正常運行狀態(tài)，圖19b所示為系統(tǒng)故障狀態(tài)，當系統(tǒng)接收到故障信號時，孿生體根據(jù)邏輯Petri網(wǎng)模型建立的邏輯關(guān)系進行驅(qū)動和控制，令故障部位暫停，正常單元正常運行，實現(xiàn)與物理系統(tǒng)的真實映射。信號恢復正常后，系統(tǒng)停止示警，恢復正常運行狀態(tài)。

該系統(tǒng)在浙江某電氣龍頭企業(yè)運行，目前已累計運行3 962 h，運行結(jié)果顯示：①所構(gòu)建的數(shù)字孿生車間系統(tǒng)故障預警機制可以快速診斷和定位故障單元，大幅降低設備維護周期；②設備有效運行時間得到提升，單線產(chǎn)量由原來的1.35萬極/d提升到2萬極/d；③數(shù)字化的管理方式減少了人工需求，產(chǎn)線日常運維人員由原來的11人減少至5人，降低了企業(yè)的運行成本。

6 結(jié)束語

本文采用邏輯Petri網(wǎng)方法對斷路器批量化制造車間的邏輯關(guān)系進行精準建模，開發(fā)了與實際制造工藝和設備運行邏輯忠實匹配的數(shù)字孿生系統(tǒng)，結(jié)果表明，基于邏輯的遞進式Petri模型組實現(xiàn)了對斷路器批量化制造工藝流程和邏輯關(guān)系的精準建模，所構(gòu)建的數(shù)字孿生系統(tǒng)通過協(xié)同優(yōu)化、數(shù)據(jù)傳輸引擎、數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)等，使數(shù)字孿生體的驅(qū)動與控制更加穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)實現(xiàn)了斷路器批量化制造的透明化和可視化程度，提高了車間的數(shù)字化水平。