宋思蒙，蔣增強+，馬 靖，王 強，趙志彪

(1.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044；2.中國兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100053)

0 引言

隨著經濟社會的快速發(fā)展，日益增強的個性化市場需求縮短了產品生命周期，對生產系統(tǒng)的柔性提出了更高的要求，重構作為實現(xiàn)企業(yè)柔性生產的一種重要方式，對響應日益增強的個性化市場需求具有重要的作用。可重構生產系統(tǒng)是一種面向柔性生產的下一代生產系統(tǒng)，旨在通過高效、低成本地改變自身結構和功能，快速適應市場環(huán)境的變化[1-2]，而作為可重構生產系統(tǒng)的重要特性之一，模塊化(modularity)通過使用具備標準化的軟件和硬件接口，能夠簡化系統(tǒng)的重構難度，降低重構成本[3-5]。目前，隨著新型信息技術在生產系統(tǒng)中的應用，制造資源呈現(xiàn)出模塊化智能特性，生產系統(tǒng)基于模塊化智能資源的自組織、自組態(tài)等[6]特性，通過動態(tài)重構完成柔性生產要求。因此，研究新一代信息技術使能下的模塊化生產的運行和重構，對支撐企業(yè)柔性生產需求具有重要作用。

圍繞可重構生產系統(tǒng)的設計和運行優(yōu)化，國內外學者已經展開了深入研究，相關研究成果主要集中于可重構系統(tǒng)架構、可重構系統(tǒng)設計方法、可重構生產系統(tǒng)評價標準、可重構生產系統(tǒng)評價指標體系等[1,7-8]。然而，目前關于生產系統(tǒng)可重構性的研究大多聚焦于傳統(tǒng)的集中式生產應用場景，對工業(yè)4.0背景下信息物理融合技術使能的分布式應用場景支撐不足。在信息物理融合技術使能的分布式生產場景中，具有獨立計算和決策能力的模塊化生產節(jié)點在訂單執(zhí)行過程中通過協(xié)商和協(xié)作共同完成生產任務，這種新的生產組織模式對生產系統(tǒng)提出了更高的要求。一方面，由生產節(jié)點協(xié)作和系統(tǒng)重構導致的生產不確定性需要一種新的生產運行管控機制；另一方面，系統(tǒng)在運行過程中根據工藝和產能需求不斷進行動態(tài)重構，需要一種重構方法來保證重構的合理性和運行效率。數(shù)字孿生技術是實現(xiàn)信息物理融合的關鍵使能技術，其通過創(chuàng)建高保真的生產系統(tǒng)模型，構建貫穿于物理空間和信息空間之間的感知、分析、決策、控制閉環(huán)，能夠實現(xiàn)物理空間和信息空間的迭代仿真和協(xié)同優(yōu)化[9-10]。數(shù)字孿生技術的應用為信息物理融合技術使能的分布式生產場景管控提供了解決方案，通過數(shù)字孿生的信息物理融合特性能夠實時管控分布式模塊化生產系統(tǒng)的物理空間，了解當前系統(tǒng)狀態(tài)，通過信息物理空間的迭代優(yōu)化能夠為系統(tǒng)重構提供決策依據。近年來，將數(shù)字孿生技術應用于生產系統(tǒng)的運行管控和優(yōu)化成為研究熱點。

在車間運行機制方面，陶飛等[11]提出數(shù)字孿生車間的概念，將數(shù)字孿生技術應用于車間運行管控，研究了數(shù)字孿生車間的特點和運行機制，討論了數(shù)字孿生車間在制造資源虛擬化、生產計劃和生產過程管控3個領域內的作用；Guo等[12]研究了一種面向大規(guī)模定制產品的、基于數(shù)字孿生的柔性單元生產方式，通過數(shù)字孿生的迭代仿真和優(yōu)化提升生產系統(tǒng)銷率，減少在制品庫存；劉丹等[13]提出一種面向再制造過程的數(shù)字孿生平臺，研究了基于數(shù)字孿生的再制造車間作業(yè)模式和關鍵技術，通過數(shù)字孿生平臺解決再制造過程中的不確定性問題；Guo[14]研究了數(shù)字孿生在固定作業(yè)島生產模式下復雜產品裝配過程中的應用，通過數(shù)字孿生對裝配過程的物料和工具進行透明化管控，減少復雜產品在裝配過程中對熟練作業(yè)人員的依賴，提高裝配準確性和效率。由以上文獻可知，目前數(shù)字孿生在生產系統(tǒng)應用領域的研究已經取得了一定的成果，未來需要針對工業(yè)4.0背景下，采用分布式控制架構的模塊化生產系統(tǒng)運行機制開展相關研究。

在基于數(shù)字孿生的生產系統(tǒng)重構方法方面，Leng等[15]將模塊化設備作為研究對象，通過復雜制造網絡模型實現(xiàn)自動化的系統(tǒng)重構，然后通過數(shù)字孿生的半物理仿真和優(yōu)化對重構方案進行優(yōu)化和驗證，降低重構成本；Zhang等[16]提出可重構數(shù)字孿生的概念，并以手機模塊化裝配線為例提出了支持數(shù)字孿生提快速重構的五維模型，該模型針對生產系統(tǒng)層、控制層和設備層3個維度提出重構解決方案，將數(shù)字孿生中的系統(tǒng)重構和控制邏輯代碼開發(fā)相結合；Um等[17]提出一個基于AutomationML的模塊化裝配產線信息模型，以支持模塊化生產節(jié)點的即插即用。由以上文獻可知，目前基于數(shù)字孿生的生產系統(tǒng)重構研究主要通過設備、產線的再設計或模塊化工裝的切換進行系統(tǒng)重構，未來還需要針對基于模塊化生產節(jié)點的系統(tǒng)級重構進行進一步探索。

綜上所述，本文針對模塊化生產系統(tǒng)提出一種基于數(shù)字孿生的系統(tǒng)運行機制和重構方法。首先，提出一種基于數(shù)字孿生的模塊化生產系統(tǒng)運行機制，明確系統(tǒng)總體架構，設計了一種模型驅動的可重構建模體系；然后，研究基于數(shù)字孿生的可重構方法，以及系統(tǒng)重構策略、基于多智能體協(xié)商的重構機制和重構方案生成機制；最后，結合應用案例驗證了本文基于數(shù)字孿生的系統(tǒng)快速重構方法的可行性和有效性。

1 基于數(shù)字孿生的模塊化生產系統(tǒng)運行機制

本文結合模塊化生產系統(tǒng)在運行和重構過程中的功能需求，提出一種由模型驅動的面向模塊化生產系統(tǒng)的數(shù)字孿生運行機制，主要包括系統(tǒng)總體架構、基于數(shù)字孿生的可重構建模體系和可重構建模體系運行機制。

1.1 數(shù)字孿生的系統(tǒng)總體架構

基于數(shù)字孿生的模塊化生產系統(tǒng)構如圖1所示，主要由物理層、模型層、數(shù)據層和應用層4部分組成。

(1)物理層 包括模塊化生產節(jié)點及由模塊化生產節(jié)點組合而成的生產單元，是模塊化生產系統(tǒng)執(zhí)行生產任務的載體。模塊化生產節(jié)點既能獨立完成生產任務，又能通過組合形成生產單元共同執(zhí)行生產任務。模塊化生產節(jié)點采用標準化的硬件設計(電路、網絡、連接機構)能夠快速、低成本地根據生產任務組合成新的生產單元，而且部署在模塊化節(jié)點內部的傳感器、控制器和效應器等硬件設備，能夠使其具備環(huán)境感知、計算決策和制造執(zhí)行能力。

(2)模型層 主要負責在信息空間內對模塊化生產系統(tǒng)進行建模，通過幾何模型、物理模型、行為模型、知識模型分別定義和描述數(shù)字孿生車間的幾何屬性、物理規(guī)則、生產運行邏輯、運行知識；通過智能協(xié)商機制進行模塊化生產節(jié)點之間協(xié)商協(xié)作、節(jié)點種類數(shù)量變更和節(jié)點重新組態(tài)等系統(tǒng)重構行為的描述。模型層是數(shù)字孿生運行的核心，通過模型層和數(shù)據層、物理層之間的交互，在信息空間內對物理空間內模塊化生產系統(tǒng)進行映射和描述，幫助生產管理人員了解生產系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，并在實時管控功能的基礎上支撐基于協(xié)商的動態(tài)重構、重構方案的仿真驗證和模型驅動的快速重構等功能。

(3)數(shù)據層 主要用于存儲支撐模塊化生產系統(tǒng)數(shù)字孿生運行的基礎配置數(shù)據和過程數(shù)據，數(shù)據類型包括基本數(shù)據(如工藝數(shù)據、物料數(shù)據等)、仿真數(shù)據(如仿真效能指標、仿真過程數(shù)據等)、實時數(shù)據(如扭力、轉角、電壓等實時采集的數(shù)據)。

(4)應用層 主要服務于模塊化生產系統(tǒng)的設計、運行和仿真，基于數(shù)字孿生模型的可重構應用包括模型驅動的系統(tǒng)設計重構、基于多智能體協(xié)商的運行方案重構和重構方案仿真驗證。模型驅動的系統(tǒng)設計重構指系統(tǒng)設計人員使用模型層中預定義的模型元素，通過可視化方法在信息空間內快速設計和重構模塊化生產節(jié)點；基于多智能體協(xié)商的運行方案重構指在系統(tǒng)運行過程中，通過智能體協(xié)商生成重構方案，以應對系統(tǒng)外部波動；重構方案仿真驗證指通過模型層的仿真結果驗證重構方案的有效性和合理性。應用層旨在通過數(shù)字孿生模型幫助系統(tǒng)設計人員完成模塊化生產系統(tǒng)全生命周期內的設計、驗證、運行管控和重構等任務，提升重構效率。

1.2 模型驅動的數(shù)字孿生可重構建模體系

為了適應生產系統(tǒng)的重構需求，本文提出模型驅動的數(shù)字孿生的可重構建模體系。數(shù)字孿生驅動的模塊化生產系統(tǒng)(Digital Twin driven Modular Production System, DT-MPS)可重構建模體系由智能體協(xié)商機制(ANM)、行為模型(BM)、幾何模型(GM)、物理模型(PM)、知識模型(KM)5部分組成，通過建模體系在實現(xiàn)對數(shù)字孿生建模和描述的同時支持模塊化生產系統(tǒng)重構。

DT-MPS={ANM,BM,GM,PM,KM}。

(1)

(1)智能體協(xié)商機制

智能體協(xié)商機制是對模塊化生產系統(tǒng)總體控制架構和總體運行邏輯的描述，用于支撐系統(tǒng)內模塊化生產節(jié)點的種類、數(shù)量和節(jié)點間關聯(lián)關系的變化。DT-MPS采用多智能體架構建立模塊化生產系統(tǒng)的控制架構，將具有獨立生產能力的模塊化生產單元抽象為智能體，通過智能體之間基于生產任務的組合描述模塊化生產系統(tǒng)中的模塊化生產單元重構。其控制架構模型為

ANM={Agent,Msg,Port,Arch,Gateway}。

(2)

式中：Agent為系統(tǒng)內的智能體；Msg為智能體之間傳遞的消息；Port為實現(xiàn)智能體通訊和協(xié)作的端口；Arch為系統(tǒng)內根據生產任務動態(tài)生成的臨時控制組織結構；Gateway為實現(xiàn)智能體之間通訊的信息網關。

(2)行為模型

模塊化生產系統(tǒng)的運行是一系列智能體的協(xié)作和組態(tài)，因此在通過多智能體協(xié)商機制建立系統(tǒng)總體控制架構后，需要對控制架構內每一個節(jié)點的行為進行建模。行為模型是對架構模型中智能體行為的定義和描述，主要包括智能體之間基于消息傳遞的協(xié)商行為和智能體完成生產任務的生產行為。行為模型包括行為觸發(fā)的條件Guard、生產行為的輸入Input、行為模型的輸出Output和行為模型的動作Action，即

BM={Guard,Input,output,Action}。

(3)

(3)幾何模型

幾何模型是在虛擬環(huán)境內對物理環(huán)境中的生產元素進行建模和描述，與傳統(tǒng)的三維模型構建相比，數(shù)字孿生系統(tǒng)內的幾何模型需要滿足更多的需求：①能夠響應模塊化生產系統(tǒng)的重構；②幾何模型能夠提供相應的接口，并根據行為模型的運行結果和運行指令進行相應地變更。幾何模型包括模塊化組件Comp、模塊化組件關聯(lián)關系Struct、幾何模型運動規(guī)律約束Motion、幾何模型基本信息特性Property和幾何模型運動接口Interface，即

GM={Comp,Struct,Motion,Prop,Interface}。

(4)

(4)物理模型

物理模型是對生產單元運行過程中的物理規(guī)律或物理量的定義和描述。物理模型的定義為

PM={Variable,Source,Func,Output}。

(5)

式中：Variable為物理模型中的物理量；Source為物理模型中的數(shù)據源；Func為由變量構成的物理模型的表達式或數(shù)學模型；Output為物理模型的輸出量。在DT-MPS中，物理模型可以直接用于實時監(jiān)控物理變量或物理規(guī)律，將物理空間內連續(xù)變化的物理變量轉化為行為模型中的仿真事件。

(5)知識模型

知識建模是對生產系統(tǒng)數(shù)字孿生運行過程中所需要的知識和信息進行建模，為了滿足數(shù)字孿生在模塊化生產系統(tǒng)重構場景中的應用，對知識模型進行拓展，通過本體建立知識模型，在支撐數(shù)字孿生運行的同時滿足生產系統(tǒng)重構相關功能的需求。知識規(guī)則模型可以分為制造資源本體(Resource)、智能體本體(Agent)、服務本體(Service)和重構規(guī)則本體(Rule)4類，表示為

KM={Resource,Agent,Service,Rule}。

(6)

重構規(guī)則本體主要對模塊化生產系統(tǒng)重構規(guī)則、重構邏輯、最佳重構點和重構評價標準等信息進行建模；智能體本體主要管理生產系統(tǒng)控制架構中的智能體基本信息，包括智能體ID、智能體生產能力、智能體通訊地址和智能體關聯(lián)關系等，智能體進入生產系統(tǒng)后首先將其基本信息和關聯(lián)信息維護到智能體本體中，完成信息注冊；制造資源本體主要對模塊化生產單元在生產過程中使用的人、機、料、法、環(huán)等信息資源進行建模和維護；服務本體中建立基于OPC UA協(xié)議的服務節(jié)點，將多源異構設備中的數(shù)據進行解耦，使數(shù)字孿生模型和物理層中傳感器、控制器、效應器等硬件設備之間的指令和數(shù)據能夠相互傳遞。

面向DT-MPS的建模體系實現(xiàn)了在數(shù)字孿生體內對模塊化生產系統(tǒng)的結構、行為和控制架構等特性的建模，創(chuàng)建了系統(tǒng)運行邏輯，為DT-MPS的系統(tǒng)動態(tài)重構和模型驅動的模塊化生產單元的節(jié)點設計做好準備。

1.3 可重構建模體系運行機制

DT-MPS中可重構建模體系運行機制如圖2所示。首先基于多智能體控制架構，創(chuàng)建由管理智能體、訂單智能體和執(zhí)行智能體組成的分布式協(xié)同控制架構。其中：管理智能體主要進行生產訂單的拆分、生產任務的投標和發(fā)布；執(zhí)行智能體主要進行生產任務的投標、方案的檢查和執(zhí)行；訂單智能體屬于移動智能體，能夠沿著通訊線路在各個智能體之間移動，完成生產任務。管理智能體和執(zhí)行智能體之間通過智能體路由相連，具有通用的連接接口，智能體之間通過信息傳遞來協(xié)商任務并制訂重構計劃。

行為模型是對智能體協(xié)商機制中的管理智能體和執(zhí)行智能體的行為進行建模和描述。本文采用以拓展Petri網為元建模語言的模型庫對智能體內部的管控邏輯進行建模：對于管理智能體，主要進行任務拆分、競標等管理行為的建模；對于執(zhí)行智能體，結合生產環(huán)境中的傳感器、控制器和效應器交互構建生產行為模型。行為模型是DT-MPS的運行核心，通過拓展Petri網構建行為模型后，在系統(tǒng)內形成令牌驅動的系統(tǒng)運行體系。

行為模型采用具有通用語義的令牌在知識模型、物理模型和制造資源層之間進行信息交互。

(1)在行為模型和多智能體協(xié)商機制交互方面，智能體通過端口接收到信息后，將信息轉化為消息令牌傳遞給行為模型，驅動行為模型運行。當行為模型完成指定作業(yè)輸出信息時，智能體通訊服務將消息令牌轉化為符合智能體通訊語言(Agent Communication Language, ACL)定義的信息傳遞給指定的智能體。

(2)在行為模型和制造資源交互方面，行為模型通過調用服務，與由傳感器、控制器、執(zhí)行器構成的硬件資源和由倉儲管理、制造執(zhí)行管理等管理信息系統(tǒng)所組成的信息資源進行交互。一方面，將從硬件資源和信息資源層讀取的數(shù)據轉化為事件令牌傳遞給行為模型，驅動行為模型運行；另一方面，將行為模型運行后產生的令牌按規(guī)定的數(shù)據接口或通訊協(xié)議轉化為信息和生產指令，并將其傳遞到信息資源層和硬件層。在行為模型與物理模型交互方面，根據生產節(jié)點在運行過程中需要管控的物理變量建立物理模型，物理模型從硬件資源中獲得實時數(shù)據后，結合模型管控規(guī)則對數(shù)據進行分析計算，并將計算的結果轉化為事件令牌傳遞給行為模型，驅動系統(tǒng)狀態(tài)改變。

(3)在行為模型與知識規(guī)則模型交互方面，行為模型在運行過程中根據實際需求，通過調用信息資源服務查詢知識規(guī)則模型中的本體，獲得支撐運行所必須的知識和規(guī)則。

(4)在行為模型與幾何模型的信息傳遞方面，行為模型通過調用幾何模型提供的應用程序接口(Application Programming Interface, API)對虛擬空間內模塊化生產節(jié)點的屬性、位置、運動等靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性進行變更。

通過拓展Petri網為元建模語言的系統(tǒng)行為建模，形成了一套基于通用語義、貫穿4個維度模型和多智能體協(xié)商機制、由令牌驅動的DT-MPS可重構建模體系運行機制，為DT-MPS的重構和運行奠定了基礎。

2 基于數(shù)字孿生的重構方法

2.1 系統(tǒng)重構策略

DT-MPS重構策略的具體內容如圖3所示。重構策略通過模型驅動的設計重構、基于智能體協(xié)商的系統(tǒng)重構和重構方案仿真驗證3種功能，對重構事件觸發(fā)的模塊化生產系統(tǒng)的重構需求進行響應。在3種重構事件中，基于系統(tǒng)設計的變更重構事件是對系統(tǒng)進行功能升級或拓展的重構事件，如添加模塊化生產節(jié)點、修改模塊化生產節(jié)點功能等；訂單需求變化重構事件是當訂單的產品類型或產量需求超出當前生產系統(tǒng)配置能力時的重構事件，如產品族切換、訂單數(shù)量增加等；基于系統(tǒng)運行狀態(tài)的重構事件是在系統(tǒng)運行過程中，由于模塊化生產節(jié)點狀態(tài)異常而造成的系統(tǒng)重構需求。

(1)模型驅動的系統(tǒng)設計重構功能 主要支撐系統(tǒng)節(jié)點級的重構，通過修改模型對模塊化節(jié)點的管控邏輯、信息物理融合機制、行為模型進行重構，滿足模塊化節(jié)點功能升級、新增節(jié)點和節(jié)點行為變更等系統(tǒng)需求。

(2)基于智能體協(xié)商的運行方案重構功能 主要支撐系統(tǒng)級重構，即DT-MPS中的模塊化節(jié)點在系統(tǒng)運行過程中根據生產任務進行的動態(tài)組合。生產系統(tǒng)接收訂單后，智能體之間基于重構規(guī)則和重構算法進行協(xié)商，根據生產任務動態(tài)生成重構方案后，對數(shù)字孿生和物理空間進行重構。

(3)重構方案仿真驗證功能 通過數(shù)字孿生對多智能體協(xié)商產生的生產系統(tǒng)重構方案進行仿真，幫助生產管理人員了解不同重構方案中的系統(tǒng)布局、系統(tǒng)運行狀態(tài)和系統(tǒng)績效等信息，從而選擇最優(yōu)方案。

當基于系統(tǒng)設計變更的重構事件發(fā)生時，系統(tǒng)設計人員通過數(shù)字孿生可視化設計建模界面，對數(shù)字孿生模型層中的幾何模型、物理模型、行為模型、知識模型和多智能體架構進行修改，完成對數(shù)字孿生管控邏輯的變更。

當基于訂單需求變化的重構事件發(fā)生時，首先觸發(fā)基于智能體協(xié)商的重構機制，結合當前的生產系統(tǒng)能力判斷是否滿足需求。是則通過智能體協(xié)商生成重構方案；否則觸發(fā)模型驅動的節(jié)點重構機制，設計并更新節(jié)點信息后再次觸發(fā)協(xié)商機制，生成重構方案。然后對重構方案進行仿真驗證，生產管理人員評估重構方案的績效指標和運行效果，選擇一種重構方案。確定重構方案后，開始進行系統(tǒng)重構，包括數(shù)字孿生體中虛擬生產系統(tǒng)的節(jié)點、布局和運行邏輯等，并依照重構方案中的坐標信息和生產組織信息，通過調用孿生空間中的API或相關服務移動虛擬節(jié)點的位置，重新進行組合和編排。物理空間重構是按照重構方案重新組合物理環(huán)境中的模塊化節(jié)點，實現(xiàn)工廠布局重構、硬件設備重構等功能。生產系統(tǒng)的重構方式按照生產系統(tǒng)的自動化程度可以劃分為自動化重構和人工重構，重構完成后觸發(fā)重構完成信號開始執(zhí)行生產任務。

當基于系統(tǒng)運行狀態(tài)的重構事件發(fā)生時，生產過程被生產異常狀態(tài)打斷，物理層將生產異常信號傳遞到DT-MPS，再次觸發(fā)智能體協(xié)商機制，對未完成的生產任務進行再次分配并執(zhí)行。

2.2 基于智能體協(xié)商的系統(tǒng)重構機制

數(shù)字孿生中基于智能體協(xié)商的系統(tǒng)重構機制通過訂單智能體、管理智能體和執(zhí)行智能體之間協(xié)商生成系統(tǒng)重構方案，指導數(shù)字孿生體以及物理環(huán)境中模塊化節(jié)點的重構，如圖4所示。

模塊化生產系統(tǒng)的多智能體系統(tǒng)控制架構包括管理智能體、執(zhí)行智能體和訂單智能體3部分。其中：管理智能體主要負責分配生產任務和協(xié)調智能體；執(zhí)行智能體是對模塊化生產單元的抽象，描述模塊化生產單元的管控邏輯、生產能力、實時狀態(tài)；訂單智能體是系統(tǒng)讀取外部訂單信息后生成的臨時智能體，其主要功能包括獲取產品的工藝模型、生產數(shù)量等產品基本信息，記錄產品生產過程中的實時信息，并在生產任務完成后進行回收。模塊化生產系統(tǒng)運行由3類智能體協(xié)作展開，不同智能體之間通過智能體路由和接口連接，實現(xiàn)智能體之間的信息傳遞。

DT-MPS中的多智能體協(xié)商方式如圖5所示，其通過拓展Petri網構建管理智能體和執(zhí)行智能體之間基于合同網協(xié)議的協(xié)商機制以及智能體間的通訊網絡。

(1)任務下達生產系統(tǒng)接收到訂單后，根據產品種類和生產數(shù)量動態(tài)地生成訂單智能體，并移動到管理智能體下達生產訂單。訂單智能體(Order)包括產品工藝模型(Process)、物料清單(BillofMaterial，BOM)、制造執(zhí)行記錄(Record)等產品基本信息，即

Order={Process,BOM,Record}。

(7)

(2)能力檢查管理智能體接收生產訂單后，根據訂單智能體中的工藝模型和智能體本體檢查生產能力，從工藝能力和產能等各個方面衡量現(xiàn)有生產系統(tǒng)是否具有完成該訂單的能力，若目前的生產系統(tǒng)不具備按時完成訂單的能力，則返回重新設計指令，指導系統(tǒng)設計人員設計新節(jié)點或增加新節(jié)點，使生產系統(tǒng)具備生產能力；若經過檢查生產系統(tǒng)具備生產能力，則按照工藝模型將訂單分解為一系列子任務，并將任務集TaskList發(fā)布給執(zhí)行智能體。任務集TaskList包括任務ID(TID)、工序信息(Operation)、完工時間(Due)和產品身份ID(ProductID)，即

TaskList={TID,Operation,Due,ProductID}。

(8)

(3)報價執(zhí)行智能體接收到任務清單后，根據自身知識、生產能力和當前生產狀態(tài)對任務進行投標，報價(Bid)內容包括任務ID(TID)、智能體ID(AgentID)、通訊地址(CID)、智能體編號(ACode)物理坐標(Position)等基本信息，以及預期完工時間(Date)等報價信息。

Bid={TID,AgentID,CID,ACode,

Position,Date}。

(9)

(4)生成臨時合同管理智能體收到報價后，結合重構算法，根據報價集合生成臨時合同iContract，并將臨時合同發(fā)送給執(zhí)行智能體。臨時合同中包括任務ID(TID)和智能體ID(AgentID)。

iContract={TID,AgentID}。

(10)

(5)生成最終合同執(zhí)行智能體接收到臨時合同后，結合自身的工藝能力約束、產能約束和運行狀態(tài)，對臨時合同中產品的加工順序和加工批次進行決策，并檢查所做決策是否同現(xiàn)有方案沖突。若通過執(zhí)行智能體協(xié)商和決策能夠形成執(zhí)行計劃，則驗證通過，發(fā)送OK信息給全部執(zhí)行智能體，更新智能體內部的知識庫；若執(zhí)行智能體協(xié)商不通過，則發(fā)送Nogood信息到全部執(zhí)行智能體。若協(xié)商后完成生產任務分配，則管理智能體生成最終合同fContract，最終合同中包含任務ID(TID)、智能體ID(AgentID)和任務優(yōu)先級(priority)；若協(xié)商后不能生成執(zhí)行方案，則管理智能體需要重新生成臨時合同，開始新一輪協(xié)商，重復上述兩個步驟找出能夠執(zhí)行的生產方案。若窮盡所有方案后仍然不能形成解決方案，則不能生產當前該訂單。

fContract={TID,AgentID,priority}。

(11)

(6)重構生成最終合同后，數(shù)字孿生體根據最終合同重構信息空間和物理空間。完成重構后執(zhí)行生產任務，訂單智能體沿著最終合同中的工藝路線順序生產，完工交付后訂單智能體消解。

3 實例驗證

本文選擇采用大規(guī)模定制生產模式的某電氣設備裝配車間作為實際應用場景。該車間產品的定制化程度高，生產批量波動大，產品族切換頻繁，生產管控要求嚴格。車間內通過具有獨立能源、控制、網絡和制造執(zhí)行設備的模塊化生產節(jié)點根據生產任務進行動態(tài)重構來滿足生產需求。結合本文提出的DT-MPS運行機制和重構方法，搭建模塊化工廠數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)車間運行管控以及重構方案的制訂和仿真驗證，實例驗證的具體實施過程如圖6所示，流程如下：

(1)搭建數(shù)字孿生車間 首先通過系統(tǒng)建模設計平臺對模塊化生產節(jié)點進行建模，從架構模型、知識模型、幾何模型、物理模型和行為模型5個維度描述模塊化生產節(jié)點的運行邏輯和功能。具體流程如下：

1)幾何模型 通過三維軟件創(chuàng)建模塊化生產節(jié)點的幾何模型，描述節(jié)點的外觀、尺寸、裝配關系和運動邏輯，設計幾何模型驅動服務，定義幾何模型的運行行為邏輯。

2)行為模型 采用拓展Petri網構建生產節(jié)點行為模型，描述生產節(jié)點接收生產任務、制造執(zhí)行、完工交付過程的運行邏輯，實現(xiàn)融合工藝流、物料流和信息流的運行管控行為模型。

3)物理模型 針對模塊化生產節(jié)點的扭矩數(shù)據、轉角數(shù)據、電壓測試數(shù)據等生產過程中需要進行管控的物理參數(shù)建立物理模型，實現(xiàn)物理參數(shù)的管控。

4)知識規(guī)則模型 建立支持系統(tǒng)運行的知識本體，維護與節(jié)點相關的信息物理融合服務信息、設備地址、智能體地址信息、生產能力信息等。

5)架構模型 完成節(jié)點建模后，創(chuàng)建由管理智能體、執(zhí)行智能體和智能體通訊路由組成的系統(tǒng)架構模型，通過可視化模型完成智能體協(xié)商機制建模。

(2)基于多智能體協(xié)商的系統(tǒng)重構 通過管理智能體和執(zhí)行智能體之間基于信息傳遞的協(xié)商交互機制，以對話的形式顯示智能體的協(xié)商行為，根據重構算法從經濟性和效率的角度選出適合的生產方案。

(3)生成重構方案 將模塊化生產節(jié)點通過協(xié)商生成的最終生產方案轉化為重構方案。重構方案包括：

1)重構生產單元布局 根據生產任務劃分情況生成模塊化生產節(jié)點的布局方案。

2)重構控制架構 根據生產任務將執(zhí)行智能體劃分為動態(tài)的生產組織，建立智能體之間的虛擬連接方式。

3)劃分工藝路線 結合子任務的分配情況，將產品工藝路線中的工序和工步與模塊化標準生產節(jié)點綁定。

4)重構管控流程 結合訂單中差異化產品的生產過程管控需求，調整生產節(jié)點的運行邏輯。

5)重構服務關聯(lián) 按照生產過程，結合服務資源本體，對行為模型中建模元素綁定的服務進行增加、修改、刪除等操作，重新建立關聯(lián)關系。

(4)重構方案仿真 根據重構方案生成仿真參數(shù)，建立產品虛擬訂單，對訂單的執(zhí)行過程進行仿真，得到仿真結果，驗證模塊化生產節(jié)點的運行邏輯是否正確，以及模型和信息、物理空間之間的數(shù)據、指令交互是否正確。

(5)更新虛擬車間 根據重構方案，調用虛擬車間API更新虛擬車間內的車間布局以及模塊化節(jié)點之間的關聯(lián)關系。

(6)更新物理車間 作業(yè)人員根據系統(tǒng)重構方案連接和組合模塊化生產節(jié)點，形成生產單元。

(7)開啟生產執(zhí)行活動 模塊化生產單元在數(shù)字孿生模型的管控下，按照重構方案中的生產任務劃分方案開始生產活動。

實例驗證平臺技術架構如圖7所示，在數(shù)字孿生的構建方面，通過C#.NET框架開發(fā)DT-MPS建模平臺，并在平臺內以拓展Petri網為元建模語言，對物理模型、行為模型和多智能體協(xié)商機制進行建模；采用三維建模軟件完成系統(tǒng)硬件建模后，在PlantSimulation軟件中創(chuàng)建模塊化生產節(jié)點的幾何模型，并通過組件對象模型(Component Object Model，COM)和建模平臺建立連接；采用Protégé構建知識模型，并通過RDFSharp開發(fā)包和建模平臺建立連接。

根據客戶需求，通過車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)下達生產訂單，然后DT-MPS中的節(jié)點根據工藝路線將產品拆分為子任務，結合訂單中的生產種類、數(shù)量和交貨日期等外部約束，以及自身制造資源、工藝能力、運行狀態(tài)等內部約束，通過多智能體架構協(xié)商得出協(xié)商結果，制訂重構方案，并通過系統(tǒng)仿真得到仿真參數(shù)。生產管理人員結合生產實際，根據各工位利用率、訂單生產周期和方案需要的工人數(shù)等指標數(shù)據選擇重構方案。根據協(xié)商結果建立執(zhí)行智能體的臨時組織，重構系統(tǒng)控制架構，并根據子任務的分配情況劃分工藝路線和節(jié)點的先后作業(yè)順序，根據各個工位在工藝路線中分配的任務重構系統(tǒng)布局。對于每個執(zhí)行生產任務的模塊化生產節(jié)點的行為模型，結合訂單中客戶定制產品的工藝管控需求，更新行為模型中的管控類型、采集參數(shù)、生產規(guī)范等管控流程信息，并結合產品管控需求更新與行為模型綁定的服務。完成模型層重構后，調用API完成虛擬車間內的模型布局和工藝流程重構，指導生產作業(yè)人員按照生成的新布局方案重新組合物理車間內的模塊化生產節(jié)點，然后開始生產。

4 結束語

隨著新一代IT技術的快速發(fā)展和第四次工業(yè)革命的到來，基于信息物理融合技術的模塊化生產系統(tǒng)成為面向未來的制造模式之一。本文針對數(shù)字孿生技術在模塊化生產系統(tǒng)生產管控和重構過程中的應用，提出一種模型驅動的模塊化生產系統(tǒng)設計重構方法，可以通過可視化模型建模方法快速設計和重構系統(tǒng)節(jié)點，并通過模型管控生產運行。另外，研究了一種基于智能體協(xié)商的系統(tǒng)運行方案重構方法，在系統(tǒng)運行階段通過智能體之間協(xié)商制定系統(tǒng)重構方案，響應系統(tǒng)變化，實現(xiàn)系統(tǒng)運過程中的動態(tài)重構。最后，通過數(shù)字孿生的仿真驗證功能為生產管理人員提供生產管理和決策依據。

后續(xù)工作將重點探究新一代IT技術在模塊化生產系統(tǒng)運行優(yōu)化中的應用，如模塊化生產系統(tǒng)運行過程中的資源匹配調度優(yōu)化算法、模塊化生產系統(tǒng)的系統(tǒng)行為預測與預處理機制，以及強化學習在模塊化生產統(tǒng)中的應用等。