成克強(qiáng)，林家全，楊東裕，戴青云，王美林

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣州 510006; 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610; 3.廣東技術(shù)師范大學(xué), 廣州 510665)

0 引言

當(dāng)前，我國正從制造大國邁向制造強(qiáng)國，作為智能制造的關(guān)鍵支撐，智能車間系統(tǒng)軟件對(duì)推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要的戰(zhàn)略意義。隨著智能車間數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化發(fā)展，系統(tǒng)軟件的可靠性、穩(wěn)定性、開放性等直接影響加工生產(chǎn)的質(zhì)量和效益。然而，由于軟件需求的不確定性，開發(fā)人員的主觀局限性，以及制造系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)軟件在開發(fā)過程中難免會(huì)出現(xiàn)缺陷[1-2]。同時(shí)，隨著軟件系統(tǒng)長期運(yùn)行，系統(tǒng)性能衰減，占用的資源累增，造成軟件老化，導(dǎo)致系統(tǒng)失效或宕機(jī)[3]。為避免出現(xiàn)軟件老化現(xiàn)象，Huang等[4]提出軟件再生技術(shù)，采用定期清除內(nèi)部狀態(tài)或運(yùn)行環(huán)境，避免老化引起突發(fā)性失效，但是再生頻率不易把握。有學(xué)者提出對(duì)軟件老化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[5-6]，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)信息，對(duì)系統(tǒng)資源消耗情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，但難以捕捉老化性能參數(shù)的隱藏規(guī)律，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度低，預(yù)測(cè)效果不佳。為提升制造系統(tǒng)軟件可靠性，減緩系統(tǒng)軟件老化速度，更好的服務(wù)生產(chǎn)制造，唯有加強(qiáng)軟件仿真測(cè)試，建立高保真測(cè)試運(yùn)行環(huán)境，盡可能的及早挖掘軟件漏洞[7]。

系統(tǒng)軟件可靠性測(cè)試是在設(shè)定的條件下進(jìn)行相關(guān)操作，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的需求以及評(píng)估預(yù)期結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的偏差，往往通過放大可能造成被測(cè)對(duì)象性能下降的壓力因素，或加速被測(cè)產(chǎn)品性能下降速率，縮短測(cè)試時(shí)間，提升軟件開發(fā)時(shí)效性。在測(cè)試過程中，為節(jié)省人力、時(shí)間及硬件資源， Just R等[8]提出采用自動(dòng)化測(cè)試，但軟件測(cè)試自動(dòng)化是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，它不僅涉及測(cè)試用例的執(zhí)行，還涉及適當(dāng)輸入值的生成和相應(yīng)輸出的評(píng)估，在測(cè)試時(shí)間和運(yùn)行環(huán)境上，仍然面臨很多問題。隨著系統(tǒng)軟件趨向大型化、高復(fù)雜度發(fā)展，Holck J和Sthl D等[9-10]提出針對(duì)存在多個(gè)依賴關(guān)系的大型復(fù)雜軟件開展持續(xù)集成測(cè)試，雖然在開發(fā)周期的各個(gè)階段頻繁地開展軟件測(cè)試，可以提高測(cè)試效率和可預(yù)測(cè)性，但總體測(cè)試時(shí)間太長，耗費(fèi)高，也不能全面發(fā)掘漏洞。同時(shí)，智能車間系統(tǒng)軟件有別于傳統(tǒng)軟件，智能車間系統(tǒng)軟件的運(yùn)行非常依賴于與其配套生產(chǎn)設(shè)備的交互，采用傳統(tǒng)軟件測(cè)試方法，無法真實(shí)模擬軟件的實(shí)際運(yùn)行情況。當(dāng)前，隨著個(gè)性化定制生產(chǎn)的快速發(fā)展，具備實(shí)時(shí)調(diào)度和精準(zhǔn)預(yù)防維護(hù)等功能的智能車間系統(tǒng)軟件對(duì)時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性的要求越來越高。制造系統(tǒng)傳統(tǒng)測(cè)試方法需要長時(shí)間不間斷的執(zhí)行測(cè)試，在測(cè)試期間需一直開啟生產(chǎn)線，由于在非加速狀態(tài)下系統(tǒng)軟件的老化失效時(shí)間非常長，完成一次可靠性測(cè)試就需要數(shù)月甚至更長時(shí)間，耗費(fèi)非常高。因此，現(xiàn)有的軟件可靠性測(cè)試和評(píng)估技術(shù)已不能滿足智能制造系統(tǒng)軟件的可靠性測(cè)試評(píng)估要求，急需提出一種新的方法來縮短工業(yè)系統(tǒng)軟件的可靠性測(cè)試時(shí)間和降低測(cè)試成本。

近年來，隨著多學(xué)科建模與仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字孿生概念及應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。對(duì)于制造系統(tǒng)仿真測(cè)試而言，如能構(gòu)建生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型，設(shè)置與實(shí)體產(chǎn)線相同的屬性，從而代替實(shí)體生產(chǎn)線與系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)交互，即可實(shí)現(xiàn)高保真測(cè)試，縮短測(cè)試時(shí)間和節(jié)省測(cè)試成本。

1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是一項(xiàng)集多物理量、多尺度、多概率的仿真技術(shù)，通過數(shù)字虛擬空間與物理設(shè)備之間的高保真虛實(shí)映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與實(shí)體設(shè)備全生命周期同步演化的過程，是物理與信息世界的橋梁和紐帶[11-12]。數(shù)字孿生概念最早由Grieves教授提出[13]，最初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)已推廣到智能制造、網(wǎng)聯(lián)汽車測(cè)試、裝備預(yù)防維護(hù)、文物保護(hù)等領(lǐng)域，貫穿產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段[14]。葛雨明等提出在有限環(huán)境下利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)駕駛汽車的測(cè)試和驗(yàn)證，可以真實(shí)模擬復(fù)雜道路場景[15]；Angjeliu等[16]將數(shù)字孿生技術(shù)用于米蘭大教堂的維修保護(hù)，通過建立高精度的建筑結(jié)構(gòu)孿生模型，預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)，并制定相應(yīng)的預(yù)防維護(hù)策略或干預(yù)措施；在核電設(shè)備運(yùn)行服務(wù)方面，采用數(shù)字孿生技術(shù)，可以檢測(cè)異常、診斷和評(píng)估系統(tǒng)性能，同時(shí)預(yù)測(cè)設(shè)備剩余壽命，指導(dǎo)運(yùn)行優(yōu)化和制定設(shè)備維護(hù)方案[17]；在飛機(jī)運(yùn)行中，通過建立綜合考慮結(jié)構(gòu)偏差和溫度變化的超高保真模型，在保全飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的前提下，預(yù)測(cè)飛機(jī)零部件及整機(jī)壽命，數(shù)字孿生被譽(yù)為“結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)和管理的再造工程”[18]；Tao Fei等[19]提出利用風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生模型驅(qū)動(dòng)故障預(yù)測(cè)與健康管理，可有效實(shí)現(xiàn)孿生模型與實(shí)體的交互與融合。

隨著仿真建模技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的融合發(fā)展，在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)將大幅推進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行維護(hù)等全生命周期的變革發(fā)展。智能車間是智能制造的主要載體，Tao Fei等[20]提出智能車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建智方法，并研究了數(shù)字孿生智能車間的運(yùn)行機(jī)制和實(shí)現(xiàn)方法；Guo Daqiang等[21]提出裝配畢業(yè)制造系統(tǒng)(GMS)數(shù)字孿生模型，針對(duì)裝配島的特點(diǎn)及工作流程，通過設(shè)計(jì)作業(yè)票、安裝票、物流票來組織生產(chǎn)活動(dòng)，可以有效規(guī)范管理人員、操作員的職責(zé)，增強(qiáng)車間管理的可視性。智能車間系統(tǒng)軟件是智能制造的核心，操控著產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效益。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以在智能車間系統(tǒng)軟件開發(fā)測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)漏洞和不足之處，無需等到實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行階段再對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)通過建立準(zhǔn)確的測(cè)試與預(yù)測(cè)模型，在軟件失效前預(yù)先做好防范措施，可以大幅降低系統(tǒng)軟件的商用風(fēng)險(xiǎn)，提升工業(yè)軟件的運(yùn)維能力。

2 數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)框架

數(shù)字孿生模型是根據(jù)系統(tǒng)的物理實(shí)體在虛擬空間上建立數(shù)字孿生體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體全生命周期的映射。制造系統(tǒng)生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)框架

在框架中，數(shù)字孿生虛擬模型基于生產(chǎn)線的物理模型進(jìn)行構(gòu)建，通過對(duì)實(shí)際物理模型的三維結(jié)構(gòu)、通信數(shù)據(jù)、通信接口等進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型離散事件仿真加速測(cè)試。車間系統(tǒng)軟件與數(shù)字孿生模型通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)進(jìn)行交互，包括下發(fā)業(yè)務(wù)流程、反饋模型狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

建立生產(chǎn)線高保真數(shù)字孿生模型替代實(shí)際的生產(chǎn)車間系統(tǒng)用于制造系統(tǒng)軟件的可靠性仿真測(cè)試，需要構(gòu)建包括產(chǎn)品、設(shè)備資源、工藝流程等系統(tǒng)級(jí)仿真模型。為實(shí)現(xiàn)孿生模型與系統(tǒng)軟件之間的交互功能，模型應(yīng)具備交互、計(jì)算和控制等屬性。以構(gòu)建步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型為例，需實(shí)現(xiàn)模型中設(shè)備間、SCADA系統(tǒng)與車間系統(tǒng)軟件(MES、APS等)之間的交互能力；通過分析計(jì)算實(shí)際采集的機(jī)床主速、切削力、溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在仿真軟件中實(shí)現(xiàn)機(jī)床孿生模型的加工過程和行為。另外，還需具備對(duì)產(chǎn)線資源的控制功能，即利用所構(gòu)建的車間模型，結(jié)合設(shè)備生產(chǎn)情況，在數(shù)字孿生模型中實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景下的生產(chǎn)加工過程。

3 仿真加速測(cè)試

步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)線系統(tǒng)是一種典型的離散事件系統(tǒng)，在構(gòu)建車間系統(tǒng)產(chǎn)線數(shù)字孿生模型后，為使孿生模型具有仿真加速可靠性測(cè)試評(píng)估的能力，采用離散事件系統(tǒng)仿真方法開展測(cè)試。根據(jù)模型中的加工流程、工藝要求以及與車間系統(tǒng)軟件的交互事件情況，確定事件到達(dá)模型、服務(wù)模型和排隊(duì)模型等信息，運(yùn)用離散事件仿真加速方法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型執(zhí)行生產(chǎn)過程的加速效果，縮短可靠性測(cè)試評(píng)估時(shí)間。結(jié)合產(chǎn)線系統(tǒng)特點(diǎn)，擬采用進(jìn)程交互法[22](PI，Process Interaction)作為離散事件仿真系統(tǒng)的建模方法，通過提升加速系統(tǒng)仿真時(shí)鐘運(yùn)行速度開展仿真測(cè)試。

3.1 離散事件進(jìn)程交互法

按照進(jìn)程交互法思想，生產(chǎn)線中各個(gè)設(shè)備及產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型視為離散事件系統(tǒng)仿真中的實(shí)體，其中產(chǎn)品為系統(tǒng)中的臨時(shí)實(shí)體，設(shè)備為系統(tǒng)中的永久實(shí)體。整個(gè)仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程表現(xiàn)為：隨著系統(tǒng)的執(zhí)行，臨時(shí)實(shí)體不斷產(chǎn)生和達(dá)到，在永久實(shí)體的作用下，與系統(tǒng)交互完成全部活動(dòng)，最終離開系統(tǒng)。進(jìn)程交互法通過設(shè)置和執(zhí)行未來事件表與當(dāng)前事件表來實(shí)現(xiàn)相關(guān)流程。未來事件表包括將來某個(gè)時(shí)刻發(fā)生事件的記錄，現(xiàn)階段被推遲但下次執(zhí)行時(shí)間已確定的事件的記錄也在其中，每一個(gè)記錄包括當(dāng)前位置、下一個(gè)位置、優(yōu)先權(quán)標(biāo)志等信息；當(dāng)前事件表是指執(zhí)行時(shí)間在當(dāng)前仿真時(shí)刻內(nèi)的事件記錄，包括前期被推遲但執(zhí)行時(shí)間在此刻的事件記錄。進(jìn)程交互法流程如圖2所示。

圖2 進(jìn)程交互法流程圖

采用離散事件進(jìn)程交互法開展數(shù)字孿生模型仿真測(cè)試時(shí)，通過初始化各參數(shù)，掃描孿生模型中未來事件表的事件記錄，取出滿足條件的事件加入當(dāng)前事件表，推進(jìn)仿真時(shí)鐘。按照擬定規(guī)則，逐項(xiàng)掃描孿生模型中的當(dāng)前事件表。通過判斷當(dāng)前事件所屬進(jìn)程以及在進(jìn)程中的位置信息等，盡可能的向前推進(jìn)該事件，直到不滿足繼續(xù)執(zhí)行的條件為止。然后對(duì)當(dāng)前事件表的下一個(gè)事件進(jìn)行同樣操作。在推進(jìn)事件的執(zhí)行過程中，對(duì)被延遲執(zhí)行的事件的位置做好記錄，并指出后續(xù)可能被激活的時(shí)間。當(dāng)事件執(zhí)行完畢，則在當(dāng)前事件表中刪除相關(guān)信息。掃描完當(dāng)前事件表中所有事件后，返回到未來事件表中，重新推進(jìn)仿真時(shí)鐘，進(jìn)行下一輪操作。對(duì)車間仿真系統(tǒng)而言，一旦執(zhí)行某加工流程，只要滿足其相應(yīng)條件，就要實(shí)現(xiàn)所有永久實(shí)體與臨時(shí)實(shí)體的交互，孿生模型才能反映物理車間的真實(shí)場景。同時(shí)，在推進(jìn)仿真時(shí)鐘的過程中，要盡可能的做到車間系統(tǒng)軟件與車間虛擬設(shè)備的真實(shí)交互，時(shí)鐘推進(jìn)間隔的選取直接影響仿真的逼真程度

3.2 智能車間系統(tǒng)軟件仿真加速測(cè)試

智能車間系統(tǒng)軟件的可靠性直接關(guān)系到車間生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，同時(shí)也影響車間管理的成本控制和排產(chǎn)計(jì)劃，因此在系統(tǒng)投產(chǎn)時(shí)，需加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)軟件的可靠性測(cè)試驗(yàn)證。運(yùn)用產(chǎn)線數(shù)字孿生模型開展系統(tǒng)軟件仿真加速測(cè)試，待測(cè)系統(tǒng)軟件直接與產(chǎn)線孿生模型按照實(shí)際業(yè)務(wù)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型包含生產(chǎn)相關(guān)的事件隊(duì)列，記錄事件發(fā)生順序及事件的執(zhí)行時(shí)間。仿真加速測(cè)試時(shí)根據(jù)事件隊(duì)列與當(dāng)前仿真時(shí)間設(shè)置未來事件表與當(dāng)前事件表。為準(zhǔn)確計(jì)算總測(cè)試時(shí)間，仿真加速測(cè)試采用固定步長時(shí)間推進(jìn)機(jī)制方式進(jìn)行仿真時(shí)鐘加速。以200倍加速為例，即在現(xiàn)實(shí)中每隔5毫秒，仿真時(shí)鐘便推進(jìn)1秒，以此推動(dòng)事件隊(duì)列的加快執(zhí)行。待測(cè)系統(tǒng)軟件與部分?jǐn)?shù)字孿生模型及其事件的交互流程，如圖3所示。

圖3 智能車間系統(tǒng)軟件仿真加速測(cè)試示意圖

從以上示意圖可以看出，智能車間系統(tǒng)軟件仿真加速測(cè)試主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件在車間層的執(zhí)行速度。待測(cè)系統(tǒng)軟件根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)流程與數(shù)字孿生模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過加速離散事件仿真系統(tǒng)中的車間層虛擬事件，加快孿生設(shè)備執(zhí)行與響應(yīng)速度，縮短軟件系統(tǒng)因等待生產(chǎn)線設(shè)備響應(yīng)執(zhí)行的時(shí)間，提高軟件系統(tǒng)與孿生設(shè)備交互通信頻率。在測(cè)試過程中，通過縮短孿生系統(tǒng)中每個(gè)業(yè)務(wù)流程的完成時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)縮短系統(tǒng)軟件的可靠性評(píng)估驗(yàn)證時(shí)間。

4 步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)線數(shù)字孿生模型構(gòu)建及系統(tǒng)軟件測(cè)試分析

采用數(shù)字孿生技術(shù)開展智能車間系統(tǒng)軟件仿真加速測(cè)試，在選取測(cè)試用例時(shí)，考慮產(chǎn)線需涵蓋大部分工業(yè)軟件及流水線的業(yè)務(wù)流程，使測(cè)試結(jié)果更具普遍性和通用性，因此，選用典型的步進(jìn)電機(jī)加工裝配生產(chǎn)過程作為車間系統(tǒng)生產(chǎn)線開展測(cè)試驗(yàn)證。該車間生產(chǎn)線包括出庫、AGV輸送、加工、裝配、檢測(cè)、包裝等常見生產(chǎn)流程，同時(shí)，車間系統(tǒng)軟件涵蓋了目前智能車間中常見的功能如柔性生產(chǎn)、工藝修改、生產(chǎn)排程、倉庫管理等，保證了該測(cè)試過程及結(jié)果具有一定的參考意義。

4.1 構(gòu)建車間生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型

基于windows系統(tǒng)，采用Demo3D軟件構(gòu)建步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型。

4.1.1 構(gòu)建生產(chǎn)設(shè)備的三維模型

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)車間生產(chǎn)線生產(chǎn)加工特點(diǎn)，結(jié)合關(guān)鍵設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)，構(gòu)建相關(guān)設(shè)備的三維模型。三維模型應(yīng)滿足其大小、位置、形狀等與實(shí)際設(shè)備比例相同，動(dòng)作邏輯與生產(chǎn)線設(shè)備保持一致。步進(jìn)電機(jī)車間生產(chǎn)線的部分設(shè)備物理模型及其對(duì)應(yīng)三維模型如表1所示。

4.1.2 確定設(shè)備接口及通信協(xié)議

根據(jù)設(shè)備用戶手冊(cè)或說明文檔，確定實(shí)際生產(chǎn)線中設(shè)備與所用軟件間的通信協(xié)議、API接口、通信地址，并在模型中設(shè)置相同的協(xié)議和地址，部分通信地址及協(xié)議如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生模型與SCADA系統(tǒng)的通信地址及協(xié)議

表1 步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)線主要設(shè)備三維模型

4.1.3 確定通信數(shù)據(jù)

結(jié)合系統(tǒng)軟件開發(fā)需求，確定生產(chǎn)線設(shè)備在運(yùn)行時(shí)與車間系統(tǒng)軟件或車間其他生產(chǎn)線設(shè)備通信的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容。在步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)線孿生模型中，車間系統(tǒng)軟件與數(shù)字孿生模型間的交互數(shù)據(jù)經(jīng)過SCADA系統(tǒng)下發(fā)和上傳。在SCADA系統(tǒng)和數(shù)字孿生模型中，定義的部分?jǐn)?shù)字孿生設(shè)備的數(shù)據(jù)類型變量和模型模擬變量如圖5和圖6所示。

圖5 數(shù)字孿生模型變量

圖6 SCADA變量

4.1.4 確定生產(chǎn)線事件及隊(duì)列順序

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)線生產(chǎn)流程，確定生產(chǎn)過程中的下單、備料、出庫、加工等主要事件，并確定這些事件在生產(chǎn)過程中的先后順序、到達(dá)時(shí)間及事件發(fā)生邏輯等信息。圖7為產(chǎn)品加工裝配流程圖。根據(jù)流程圖確定事件的發(fā)生順序，同時(shí)，將事件相關(guān)信息記錄到進(jìn)程交互法的未來事件表與當(dāng)前事件表中。

圖7 步進(jìn)電機(jī)加工裝配流程

4.1.5 確定事件與數(shù)字孿生模型之間的聯(lián)系

生產(chǎn)線設(shè)備的數(shù)字孿生模型為事件發(fā)生的載體。根據(jù)產(chǎn)線生產(chǎn)過程，確定每個(gè)事件發(fā)生的載體，同一個(gè)事件可能有多個(gè)載體，同一個(gè)載體也可能會(huì)產(chǎn)生多個(gè)事件。圖8為步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)線數(shù)字孿生與相關(guān)事件的聯(lián)系圖。

圖8 步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)線數(shù)字孿生模型與事件的關(guān)系

最終構(gòu)建的步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)線數(shù)字孿生模型，如圖9所示。

圖9 步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)線數(shù)字孿生模型

4.2 仿真測(cè)試

在構(gòu)建的步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)線數(shù)字孿生模型上運(yùn)行車間系統(tǒng)管理軟件，采用仿真加速測(cè)試方法，縮短系統(tǒng)軟件可靠性評(píng)估時(shí)間。經(jīng)過多次試驗(yàn)測(cè)試，因受限于仿真服務(wù)器的硬件性能，系統(tǒng)軟件在步進(jìn)電機(jī)數(shù)字孿生產(chǎn)線模型中的加速運(yùn)行速度最大維持在200倍運(yùn)行。各倍速下每5分鐘內(nèi)系統(tǒng)軟件與生產(chǎn)線通訊次數(shù)情況如圖10所示。不同倍速下的車間系統(tǒng)軟件所在服務(wù)器的系統(tǒng)內(nèi)存占用情況如圖11所示。

圖10 不同倍數(shù)加速測(cè)試狀態(tài)下系統(tǒng)與產(chǎn)線通訊次數(shù)

圖11 各倍數(shù)加速測(cè)試時(shí)系統(tǒng)內(nèi)存占用情況

在不同加速倍數(shù)的車間系統(tǒng)數(shù)字孿生仿真加速測(cè)試下，被測(cè)系統(tǒng)軟件與生產(chǎn)線的通訊次數(shù)和服務(wù)器上的內(nèi)存消耗情況差異明顯?？梢钥闯觯?倍速、20倍速、200倍速下，在相同測(cè)試時(shí)間內(nèi)，隨著加速倍速的提高，運(yùn)行系統(tǒng)軟件占用的內(nèi)存明顯提升，通訊次數(shù)也顯著增加了。在相同時(shí)間內(nèi)，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，相當(dāng)于加快了系統(tǒng)軟件的老化速度。采用數(shù)字孿生仿真加速方法，可以有效縮短系統(tǒng)軟件可靠性測(cè)試時(shí)間。同時(shí)，通過加速測(cè)試，影響軟件可靠性的其他因素如操作系統(tǒng)資源的耗盡、碎片以及錯(cuò)誤的積累速度也會(huì)相應(yīng)的加快，有助于在較短時(shí)間內(nèi)挖掘系統(tǒng)軟件存在的漏洞。

在案例中，假設(shè)以現(xiàn)實(shí)中的一年為測(cè)試周期，設(shè)定仿真加速測(cè)試的加速倍數(shù)為200倍，則仿真時(shí)鐘內(nèi)的一年為現(xiàn)實(shí)中的43.8小時(shí)。在整個(gè)測(cè)試過程中，系統(tǒng)軟件因調(diào)度流程中對(duì)叉車信號(hào)變量處理存在誤差，最終導(dǎo)致叉車在倉庫單元出貨口停止運(yùn)行。在重啟軟件系統(tǒng)清除數(shù)據(jù)后，軟件正常運(yùn)行，重啟及清除數(shù)據(jù)所花費(fèi)的現(xiàn)實(shí)時(shí)間為24分鐘。則最終該軟件的可靠性指標(biāo)：MTBF(平均故障間隔時(shí)間)與MTTF(平均無故障時(shí)間)由下式計(jì)算得出：

以上說明采用數(shù)字孿生模型仿真加速驗(yàn)證車間系統(tǒng)軟件可靠性的方法具有一定的可行性。

5 結(jié)束語

智能車間系統(tǒng)軟件的可靠性和開發(fā)軟件的時(shí)效性對(duì)推動(dòng)生產(chǎn)制造個(gè)性化、智能化、系統(tǒng)化發(fā)展至關(guān)重要。提升軟件可靠性的有效方式是開展測(cè)試評(píng)估，而開展軟件測(cè)試驗(yàn)證需要耗費(fèi)大量時(shí)間，影響系統(tǒng)上線的時(shí)效性，同時(shí)，智能車間系統(tǒng)軟件執(zhí)行時(shí)需要與生產(chǎn)線設(shè)備頻繁交互。為解決以上問題，本文采用基于數(shù)字孿生的仿真加速測(cè)試方法對(duì)車間系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。通過構(gòu)建步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)線數(shù)字孿生模型，搭建車間系統(tǒng)軟件運(yùn)行時(shí)的高保真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)物理場景與孿生模型的有效映射，采用離散事件仿真加速方法，縮短系統(tǒng)軟件在生產(chǎn)線的運(yùn)行時(shí)間，提升系統(tǒng)與產(chǎn)線通信頻率，加速系統(tǒng)軟件的老化速度，驗(yàn)證了采用數(shù)字孿生技術(shù)加速系統(tǒng)軟件可靠性測(cè)試的有效性。后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，針對(duì)產(chǎn)線性能提升開展研究，擬通過注入故障信息，開展仿真加速測(cè)試，快速準(zhǔn)確定位故障位置，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警等功能。