馬 靖，王譯晨，趙 明，蔣增強+，鄂明成，王 強

(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

市場需求變化與技術(shù)發(fā)展催生了新一輪工業(yè)變革。“工業(yè)4.0”的核心是通過信息物理融合技術(shù)實現(xiàn)智能制造[1]，而如何運用新一代信息技術(shù)提高生產(chǎn)柔性、增強精準管控能力，已經(jīng)成為企業(yè)重點關(guān)注的問題之一。生產(chǎn)單元是獨立實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)功能的基本組成元素[2]，提高其可視化管控能力對提升生產(chǎn)過程的整體管控水平具有重要意義。

豐田生產(chǎn)模式中的看板管理是一種發(fā)展相對較早且應(yīng)用最廣泛的可視化管理方法，隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，其使能的可視化管控方法替代了傳統(tǒng)的可視化管理方法，進而增強了生產(chǎn)系統(tǒng)管控的透明化程度[3]，然而受限于生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)的實時管控能力不足；近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及其使能的車間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的日趨成熟，可視化管控方法具備了實時或動態(tài)管控特性，以數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控等為主的二維可視化實時管控手段的應(yīng)用最為廣泛[4-5]，使生產(chǎn)系統(tǒng)的可視化管控能力得到進一步提升，然而實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的二維可視化管控方法也不能更直觀逼真地反映生產(chǎn)運行情況；因此，隨著三維虛擬建模和仿真技術(shù)的發(fā)展(如Flexsim, Plant Simulation, Unity 3D等)，各種基于三維虛擬建模和仿真技術(shù)的動態(tài)可視化管控方法得到了研究和應(yīng)用[6-7]。三維可視化管控方法能夠直觀具體地反映物理實體的運行情況，提高監(jiān)控的真實度和透明化程度，然而目前已有研究更側(cè)重離散事件或數(shù)據(jù)驅(qū)動下的三維虛擬可視化監(jiān)控，在物理行為上與物理實體差別較大，無法準確地同步和映射物理實體的狀態(tài)。

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)等新型信息技術(shù)的發(fā)展，標志著以信息物理融合為特征的智能制造時代的到來，作為實現(xiàn)信息物理融合的有效手段之一，數(shù)字孿生能夠刻畫和反映物理對象的全生命周期過程，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外學術(shù)界和工業(yè)界的研究焦點。近幾年，有關(guān)數(shù)字孿生在智能生產(chǎn)中的研究成果相對較多，主要包括體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、場景應(yīng)用等方面[8-11]，其中聚焦在管控方面的研究主要關(guān)注質(zhì)量、設(shè)備和車間等方面，例如武穎等[12]提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的復雜產(chǎn)品裝配過程質(zhì)量管控方法；Tao等[8]設(shè)計了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的故障預測與健康管理方法，主要用于診斷和預測復雜設(shè)備的運行狀態(tài)，對設(shè)備健康度進行管理與控制；趙浩然等[13]提出一種基于數(shù)字孿生的車間三維可視化實時監(jiān)控模式，并從幾何建模、數(shù)據(jù)管理、運行狀態(tài)監(jiān)控等技術(shù)方面進行了詳細闡述；周成等[14]提出一種基于數(shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型，并介紹了系統(tǒng)開發(fā)流程。由此可見，數(shù)字孿生正在為智能制造提供一種新的實施途徑和模式，目前已經(jīng)成為各領(lǐng)域的研究和應(yīng)用熱點，基于數(shù)字孿生技術(shù)的生產(chǎn)系統(tǒng)將會具有更加高保真的管控能力。

目前，在新型信息技術(shù)賦能下的生產(chǎn)系統(tǒng)得到進一步解耦、分布式增強型控制特性更加凸顯的情況下，作為分布式生產(chǎn)系統(tǒng)的基本粒度，生產(chǎn)單元的作用愈加重要，工廠對生產(chǎn)單元的管控要求也進一步提高。然而，生產(chǎn)單元在生產(chǎn)職能、管控需求等方面與車間卻存在一定區(qū)別，例如生產(chǎn)單元所具有的邊緣分布式特性對實時性的要求較高，而可視化管控指標層級和綜合性較低，同時生產(chǎn)單元更加關(guān)注直接參與生產(chǎn)的資源的實時狀態(tài)。目前，雖然已有基于數(shù)字孿生的車間可視化監(jiān)控研究案例，但是針對數(shù)字孿生驅(qū)動的生產(chǎn)單元可視化管控研究方面尚缺少相關(guān)案例。因此，本文針對數(shù)字孿生技術(shù)在提升生產(chǎn)單元精準化管控能力方面所具有的重要性，在結(jié)合已有研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以生產(chǎn)單元為研究對象，提出一種數(shù)字孿生驅(qū)動的生產(chǎn)單元(Digital Twin-driven Production Cell, DTPC)可視化管控方法，重點圍繞DTPC可視化管控需求、可視化管控架構(gòu)和關(guān)鍵實現(xiàn)方法展開研究，在關(guān)鍵實現(xiàn)方法中研究了DTPC可視化管控模型構(gòu)建、可視化管控規(guī)則(運行指標體系與生產(chǎn)狀態(tài))設(shè)計和基于邊緣計算網(wǎng)關(guān)的虛實同步技術(shù)，最后通過實例驗證本文所提方法的有效性。

1 DTPC結(jié)構(gòu)與管控需求分析

基于文獻[8]提出的數(shù)字孿生系統(tǒng)五維模型與數(shù)字孿生體四層模型，本文定義了DTPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即DTPC={PE,VE,Ss,DD,CN}，如圖1所示。其中：PE表示物理生產(chǎn)單元；VE=(Gv,Pv,Bv,Rv)表示虛擬生產(chǎn)單元或DTPC數(shù)字孿生體，Gv為幾何模型、Pv為物理模型、Bv為行為模型，Rv為規(guī)則模型；Ss表示可視化管控服務(wù)；DD表示生產(chǎn)單元數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫；CN表示各個組成部分之間的連接與交互關(guān)系。在初步設(shè)計DTPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過可視化管控需求分析建立DTPC系統(tǒng)各組成部分與可視化管控需求間的匹配關(guān)系，進而對DTPC系統(tǒng)的各組成部分進行細化。

與車間級可視化管控相比，生產(chǎn)單元是完成生產(chǎn)訂單的基本粒度，其在管控對象(人、機、料、法、環(huán))、管控視角(全要素管控、全流程管控)和管控類型(三維場景、動態(tài)行為、生產(chǎn)狀態(tài)、運行指標)上與車間級管控相同，而在管控粒度、內(nèi)容和實時性上存在區(qū)別，生產(chǎn)單元運行指標與生產(chǎn)狀態(tài)的層級和綜合性相對較低，如生產(chǎn)單元單位小時產(chǎn)能、生產(chǎn)單元單位人時產(chǎn)能、工序質(zhì)量合格狀態(tài)、工序完工狀態(tài)等。除此之外，生產(chǎn)單元運行指標的計算更加靠近數(shù)據(jù)源，其生產(chǎn)狀態(tài)的實時性要求更高，如設(shè)備的轉(zhuǎn)速、溫度、振動、坐標等，以及線邊物料庫存量和庫存安全狀態(tài)。

針對上述物理生產(chǎn)單元運行過程中的管控需求，結(jié)合當前已有的二維和三維可視化管控方式，本文基于虛擬生產(chǎn)單元VE設(shè)置二維方式的運行指標、生產(chǎn)狀態(tài)與三維虛擬化動態(tài)場景兩種類型的管控服務(wù)Ss，分別用于支撐DTPC要素管控和流程管控。另外，基于數(shù)字孿生所構(gòu)建的虛擬生產(chǎn)單元VE或生產(chǎn)單元數(shù)字孿生體四層模型，幾何模型Pv可以還原生產(chǎn)單元的三維場景，行為模型Bv能夠同步生產(chǎn)單元的物理動態(tài)行為，物理模型Pv能夠表達硬件資源的物理屬性狀態(tài)(如轉(zhuǎn)速、溫度等)，規(guī)則模型Rv能夠映射生產(chǎn)單元的運行指標和實時生產(chǎn)狀態(tài)。

2 DTPC可視化管控架構(gòu)設(shè)計

本文在結(jié)合DTPC結(jié)構(gòu)與可視化管控需求的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了如圖2所示的DTPC可視化管控架構(gòu)，主要包括物理生產(chǎn)單元層、邊緣計算網(wǎng)關(guān)層、虛擬生產(chǎn)單元層、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫層和可視化管控服務(wù)層，通過5層之間協(xié)同運行保障DTPC可視化管控功能的實現(xiàn)，各層詳細功能描述如下：

(1)物理生產(chǎn)單元PE PE是生產(chǎn)單元的物理制造資源集合，主要用于接收和執(zhí)行生產(chǎn)單元服務(wù)系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)和管控指令，并負責多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)物理環(huán)境中生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時感知與傳遞。

(2)邊緣計算網(wǎng)關(guān)CN CN在數(shù)字孿生的五維模型中主要用于表示各組成部分之間的連接與交互。生產(chǎn)單元具有多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物理特性，其所具備的通訊連接、協(xié)議適配、協(xié)議轉(zhuǎn)換和信息物理映射等基本功能，不但可以支持物理生產(chǎn)單元PE層實時數(shù)據(jù)的感知、解析與傳遞，而且可以接收、解析和傳遞虛擬單元VE或決策人員的控制指令。

(3)虛擬生產(chǎn)單元VE VE是根據(jù)應(yīng)用場景的實際需求對物理實體進行虛擬化映射，主要負責物理生產(chǎn)單元PE的運行指標、生產(chǎn)狀態(tài)(事件狀態(tài)、屬性狀態(tài))、動態(tài)行為和三維場景的數(shù)字化鏡像。本文根據(jù)物理生產(chǎn)單元PE的可視化管控需求而構(gòu)建的虛擬生產(chǎn)單元VE中包括幾何模型Gv、物理模型Pv、行為模型Bv和規(guī)則模型Rv。

(4)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫DD DD為VE，PE，Ss與其他功能的運行和交互提供數(shù)據(jù)引擎，具備數(shù)據(jù)的存儲、檢索、傳遞與共享能力。DD中主要存儲VE模型數(shù)據(jù)、PE各種配置數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)單元的實時運行數(shù)據(jù)和歷史檔案數(shù)據(jù)。

(5)可視化管控服務(wù)Ss Ss是生產(chǎn)單元各種管控服務(wù)的集合，主要為PE實際運行提供各種管控服務(wù)支持。生產(chǎn)單元服務(wù)系統(tǒng)中所部署的可視化管控服務(wù)Ss以看板(如運行指標可視化看板、實時生產(chǎn)狀態(tài)可視化看板、現(xiàn)場動態(tài)可視化看板)和可視化在線作業(yè)指導的方式為生產(chǎn)單元提供管控服務(wù)。除滿足單元內(nèi)部管控要求外，生產(chǎn)單元服務(wù)系統(tǒng)需要從車間服務(wù)系統(tǒng)中接收生產(chǎn)任務(wù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時反饋車間管控所需的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。

3 DTPC可視化管控的關(guān)鍵實現(xiàn)方法

本文結(jié)合DTPC可視化管控需求與管控架構(gòu)，圍繞DTPC建模方法、管控規(guī)則設(shè)計、基于邊緣計算網(wǎng)關(guān)的虛實同步技術(shù)等的關(guān)鍵實現(xiàn)方法展開研究。

3.1 DTPC可視化管控模型建模方法

虛擬生產(chǎn)單元VE是對物理生產(chǎn)單元PE的虛擬化映射，是實現(xiàn)DTPC可視化管控的基礎(chǔ)。因此，本文在結(jié)合VE四層模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種多視圖的DTPC可視化管控模型建模方法(如圖3)，通過對物理單元PE的數(shù)字化鏡像，為實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的DTPC可視化管控提供模型支撐。

工業(yè)4.0環(huán)境下的智能制造系統(tǒng)具有自感知、自決策、自執(zhí)行等智能特性，系統(tǒng)包括傳感、執(zhí)行、控制和運算規(guī)則等類型的智能制造資源[15]。因此，本文結(jié)合智能制造資源的基本類型，基于生產(chǎn)單元可視化管控服務(wù)和數(shù)字孿生體四維模型，從幾何、物理、行為、規(guī)則等不同視角研究DTPC可視化管控模型的建模方法。

(1)幾何視角

幾何模型Gv是描述制造資源的幾何或物理結(jié)構(gòu)三維模型，能夠直觀逼真地反映制造資源的形狀特性并還原生產(chǎn)場景，建模過程需要利用三維建模技術(shù)(如3DS Max，UG，Pro/E，Solidworks，Unity 3D等)構(gòu)建模塊化組件的層次結(jié)構(gòu)并描述其幾何關(guān)系。幾何模型的構(gòu)建遵循輕量化建模原則，通過壓縮場景模型來減少服務(wù)器運行的內(nèi)存消耗，并提高虛擬生產(chǎn)單元的仿真效率。

(2)物理視角

物理模型Pv是在幾何模型的基礎(chǔ)上增加了制造資源的物理屬性和特征等信息映射，為DTPC中需要管控的制造資源屬性狀態(tài)的可視化提供模型支撐。物理模型屬于一種領(lǐng)域本體模型[16]，可以利用本體的語義建模方法描述DTPC制造資源的物理屬性和特征參數(shù)。圖4所示為本文基于本體構(gòu)建的DTPC制造資源語義模型示例。

(3)行為視角

行為模型Bv是在物理模型的基礎(chǔ)上，增加了對物理生產(chǎn)單元在外部環(huán)境和內(nèi)部運行機制作用下產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移行為的描述。DTPC是一個離散動態(tài)系統(tǒng)，具有實時、異步和并發(fā)等特性。因此，針對DTPC動態(tài)行為的精準映射需求，本文選擇多智能體系統(tǒng)和高級擴展Petri網(wǎng)(Advanced Extended Petri Net, AEPN)混合建模方法[17]對各功能模塊的行為邏輯進行建模，從而實現(xiàn)對物理生產(chǎn)單元動態(tài)行為的可視化監(jiān)控。

因此，本文結(jié)合圖1所示的管控需求和圖2所示的管控架構(gòu)，基于Petri網(wǎng)構(gòu)建DTPC行為模型(如圖5)，并對行為模型中的主要變遷和庫所進行說明(如表1)。結(jié)合圖表分析可知，行為變遷過程中伴隨有各種生產(chǎn)狀態(tài)(如生產(chǎn)派報工狀態(tài)、工位空閑與忙碌狀態(tài)、資源占用釋放等)的變化和數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，限于篇幅，具體過程不再贅述。

表1 DTPC行為模型符號表

(4)規(guī)則視角

規(guī)則模型Rv需要根據(jù)歷史關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、相關(guān)領(lǐng)域標準等構(gòu)建，是生產(chǎn)單元運行和優(yōu)化的依據(jù)。本文規(guī)則模型所包含的運行指標和生產(chǎn)狀態(tài)也屬于一種領(lǐng)域本體，因此可以利用本體的語義建模方法描述DTPC規(guī)則模型。本文基于本體構(gòu)建的DTPC規(guī)則模型如圖6所示，其可為DTPC的規(guī)則模型提供語義規(guī)范。

3.2 DTPC可視化管控規(guī)則設(shè)計

結(jié)合圖1所示的DTPC結(jié)構(gòu)和可視化需求可知，規(guī)則模型Rv中包括運行指標和實時生產(chǎn)狀態(tài)兩部分管控規(guī)則，而管控規(guī)則的科學性與合理性將直接影響DTPC可視化管控的精準性和全面性。因此，本文將圍繞DTPC規(guī)則模型Rv中的運行指標和生產(chǎn)狀態(tài)兩部分管控規(guī)則的構(gòu)建展開研究。

(1)運行指標

為了保證運行指標體系設(shè)計的系統(tǒng)性和科學性，本文在ISO 22400[18]等國際標準化文件的基礎(chǔ)上，采用公理化設(shè)計理論對生產(chǎn)單元重點關(guān)注的質(zhì)量和效率類綜合運行指標進行層次化分解，逐步構(gòu)建出適用于生產(chǎn)單元的運行指標體系(如圖7)，并提煉出計算運行指標所需要采集的實時數(shù)據(jù)，如表2中標“*”的數(shù)據(jù)所示。

麻省理工學院的NamSuh教授提出的公理化設(shè)計(Axiomatic Design, AD)理論將傳統(tǒng)以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的設(shè)計活動轉(zhuǎn)換為以科學公理、法則為基礎(chǔ)的設(shè)計體系[19]。本文基于公理化設(shè)計的優(yōu)點，設(shè)計了圖8所示的DTPC運行指標體系，圖中FR(function requirements)表示功能要求，DP(design parameters)表示設(shè)計參數(shù)，PV(process variables)表示工藝變量。整個設(shè)計過程主要在功能要求與設(shè)計參數(shù)之間逐層映射與分解，最終將頂層功能要求映射為最底層的工藝變量。由于全部描述篇幅較多，本文以FR-12的部分分解鏈路為例對運行指標體系的設(shè)計過程進行闡述：

1)“提高設(shè)備效率FR-12”的功能要求可以映射為“增加設(shè)備有效作業(yè)時間DP-12”的設(shè)計參數(shù)，而DP-12設(shè)計參數(shù)可以繼續(xù)分解為“提高設(shè)備綜合利用率DP-121、提高設(shè)備吞吐率DP-122”等低層級設(shè)計參數(shù)。

2)針對DP-121設(shè)計參數(shù)，可以繼續(xù)分解為“提高質(zhì)量合格率DP-O1、提高設(shè)備性能開動率DP-O2和提高設(shè)備時間開動率DP-O3”等更低層的設(shè)計參數(shù)，最后將“提高質(zhì)量合格率DP-O1”設(shè)計參數(shù)映射為“設(shè)備合格品產(chǎn)出量PV-O11和計劃加工數(shù)量PV-O12”兩個最底層的工藝變量。

表2所示為對運行指標體系中所有設(shè)計參數(shù)FR和工藝變量PV含義的解釋，可見DTPC運行管控指標分為采集類指標和統(tǒng)計類指標。其中，采集類指標(PV級指標)是指標體系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要用于計算統(tǒng)計類指標；統(tǒng)計類指標(DP級運行指標)是對多個采集指標進行計算得出的綜合指標，主要用于分析和評價DTPC。通過分析可以看出，與車間級運行指標相比，生產(chǎn)單元在管控粒度和內(nèi)容上與車間存在部分差別，生產(chǎn)單元級運行指標的層級和綜合性相對較低，運行指標更靠近數(shù)據(jù)源。

表2 DTPC運行指標

(2)生產(chǎn)狀態(tài)

與運行指標相比，生產(chǎn)狀態(tài)不需要進行統(tǒng)計，也不反映生產(chǎn)單元的效能，而是隨著生產(chǎn)過程的行為變遷而不斷變化。因此，本文結(jié)合圖1所示的可視化管控需求分析，將生產(chǎn)狀態(tài)劃分為事件狀態(tài)ES和屬性狀態(tài)PS兩種，并圍繞任務(wù)、產(chǎn)品、工位、人、機、料、法等維度對單元級主要生產(chǎn)狀態(tài)進行梳理和分析，如表3所示。

表3 DTPC的生產(chǎn)狀態(tài)

續(xù)表3

從表3分析可知，事件狀態(tài)屬于布爾型變量，代表某個生產(chǎn)事件的開始或結(jié)束，如生產(chǎn)派報工(任務(wù))、產(chǎn)品整體完成狀態(tài)(產(chǎn)品)、工位空閑忙碌狀態(tài)(工位)、人員在崗與離崗狀態(tài)(人)、生產(chǎn)設(shè)備開關(guān)機狀態(tài)(機)、線邊物料庫存安全狀態(tài)(料)、工序質(zhì)量合格狀態(tài)(法)等。屬性狀態(tài)屬于非布爾型變量，代表管控對象或要素固有屬性的動態(tài)變化，如生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行進度(任務(wù))、在制品實時位置(產(chǎn)品)、工位作業(yè)流程執(zhí)行進度(工位)、生產(chǎn)人員整體作業(yè)進度(人)、設(shè)備的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角(機)、線邊物料庫存量(料)、扭力與轉(zhuǎn)角等工序質(zhì)量特性(法)。

3.3 基于邊緣計算網(wǎng)關(guān)的虛實同步技術(shù)

新型信息技術(shù)賦能生產(chǎn)單元更多的分布式增強型智能特性，但也增加了生產(chǎn)單元的異構(gòu)性與管控的復雜性。因此，針對DTPC可視化管控功能，虛實同步技術(shù)是實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)單元與物理生產(chǎn)單元聯(lián)動和映射的關(guān)鍵。本文結(jié)合制造資源通訊方式的多源異構(gòu)特性，以及最新邊緣計算技術(shù)的功能特點，定義了一種滿足DTPC可視化管控需求的邊緣計算網(wǎng)關(guān)(如圖8)，邊緣計算網(wǎng)關(guān)主要包括協(xié)議適配、協(xié)議轉(zhuǎn)換兩種類型的主要功能，下面分別進行描述。

(1)協(xié)議適配引擎 協(xié)議適配引擎是在多源異構(gòu)硬件通訊連接的基礎(chǔ)上，通過配置和加載不同的通訊協(xié)議組件或中間件，實現(xiàn)與多源異構(gòu)硬件之間的通訊，目前協(xié)議適配采用的方式主要有兩種：①集成類似用于過程控制的對象鏈接嵌入技術(shù)(OLE for Process Control, OPC)和MTConnect類型的中間件，從而能夠兼容主流通訊協(xié)議，并將多源異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的通訊方式；②集成專用通訊協(xié)議包(如Profinet，CANopen等)進行通訊。

(2)協(xié)議轉(zhuǎn)換引擎 協(xié)議適配雖然可以實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間、上位機與設(shè)備之間的通訊，但對開發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng)的類型要求較高，并未實現(xiàn)協(xié)議的真正解耦，不能滿足跨平臺的瘦客戶端或胖客戶端開發(fā)的需求。因此，需要在協(xié)議適配的基礎(chǔ)上，將多源異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換為更加通用的協(xié)議接口，而作為當前最通用的兩種接口方式，應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface, API)和軟件開發(fā)工具包(Software Development Kit, SDK)能夠?qū)f(xié)議進行進一步轉(zhuǎn)換。針對API，可以根據(jù)互操作、低寬帶等要求，設(shè)置高級消息隊列協(xié)議(Advanced Message Queuing Protocol, AMQP)、表述性狀態(tài)傳遞(Representational State Transfer, REST)、消息隊列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport, MQTT)等類型的通用協(xié)議，并通過Broker代理服務(wù)器部署接口服務(wù)，該方式能夠直接用于開發(fā)輕量化的管控應(yīng)用服務(wù)(如運行指標和生產(chǎn)狀態(tài)可視化看板)，而SDK可以直接用于開發(fā)實時性要求比較高的上位機管控應(yīng)用服務(wù)(如現(xiàn)場動態(tài)看板和可視化在線作業(yè)指導)。

由圖8可知，兩種類型網(wǎng)關(guān)接口除了具備不同類型的通訊連接和數(shù)據(jù)交互功能外，還具備信息物理地址映射、協(xié)議加載與協(xié)議轉(zhuǎn)換等通用功能。由此可見，通過邊緣計算網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)物理生產(chǎn)單元與虛擬生產(chǎn)單元的同步與交互。

4 DTPC可視化管控方法驗證

隨著個性化市場需求特性的進一步凸顯，企業(yè)對生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性提出了更高的要求，同時隨著新型信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以單元化生產(chǎn)為特征的分布式柔性智能生產(chǎn)模式受到企業(yè)的關(guān)注。北京某軌道交通行業(yè)企業(yè)長期從事軌道交通車輛核心裝備及關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)，該企業(yè)針對當前多品種變批量的生產(chǎn)需求，正在改變傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)與集成化管控模式，推進以生產(chǎn)單元為核心的企業(yè)柔性化生產(chǎn)和數(shù)字化管控模式。然而，面對當前以生產(chǎn)單元為核心的生產(chǎn)模式和管控模式的變革，企業(yè)可視化管控的轉(zhuǎn)型升級存在以下問題：①二維可視化管控手段無法更加準確地同步和映射物理生產(chǎn)單元的行為和狀態(tài)；②車間級管控平臺不能適應(yīng)當前以生產(chǎn)單元為核心的生產(chǎn)模式和管控模式的變革，運行指標和生產(chǎn)狀態(tài)的等級與綜合性較高，實時性較低。

針對以上問題，本文以該企業(yè)所實施的模塊化柔性生產(chǎn)單元為驗證對象(如圖9)，基于本文所提方法開發(fā)了DTPC可視化管控系統(tǒng)原型，不但可以方便工段和班組管理人員及時掌握生產(chǎn)單元的動態(tài)行為與生產(chǎn)狀態(tài)，而且優(yōu)化了車間的管控體系，能夠適應(yīng)已有生產(chǎn)與管控模式的需求。原型系統(tǒng)整體采用Visual Components數(shù)字孿生平臺與.NET架構(gòu)進行原型系統(tǒng)開發(fā)。首先，基于Sketch UP、3DS MAX等三維建模軟件構(gòu)建生產(chǎn)單元幾何模型，并通過VisualComponents平臺接口導入；其次，基于可擴展的腳本語言自定義了各模型的物理屬性、動作行為、規(guī)則看板及其運行所需的嵌入式代碼。在此基礎(chǔ)上，通過可配置的邊緣計算網(wǎng)關(guān)和PostgreSQL數(shù)據(jù)庫建立虛擬生產(chǎn)單元與物理生產(chǎn)單元之間的虛實映射和人機交互，為DTPC可視化管控服務(wù)提供支撐，如圖10所示。

在構(gòu)建物理生產(chǎn)單元數(shù)字化鏡像的基礎(chǔ)上(如圖10)，結(jié)合圖1所示的生產(chǎn)單元可視化管控需求、架構(gòu)及關(guān)鍵實現(xiàn)方法，開發(fā)了如圖11所示的DTPC可視化管控服務(wù)，并進行了應(yīng)用驗證，該服務(wù)可以根據(jù)生產(chǎn)管理需求部署在車間、工段辦公室及班組作業(yè)區(qū)域。DTPC可視化管控服務(wù)應(yīng)用分為現(xiàn)場動態(tài)可視化看板、運行指標可視化看板、可視化在線作業(yè)指導、生產(chǎn)狀態(tài)可視化看板4部分。考慮到生產(chǎn)單

元級的管控需求，前兩種可視化管控服務(wù)可以采用Visual Components進行開發(fā)，主要基于數(shù)字孿生的虛實同步特性展示生產(chǎn)單元的動態(tài)行為和運行指標，后兩種服務(wù)可以采用.NET進行開發(fā)，主要用于提高作業(yè)過程中的人機交互性。

現(xiàn)場動態(tài)可視化看板可以同步并真實反映生產(chǎn)單元的整體動態(tài)和局部設(shè)備動態(tài)，如圖11a～圖11d所示，關(guān)鍵設(shè)備能夠保持動作行為一致；運行指標可視化看板采用三維虛擬場景從單元視角和工位視角展示單元生產(chǎn)狀態(tài)信息和運行指標信息，支持虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)沉浸式體驗，如圖11g和圖11h所示；生產(chǎn)狀態(tài)可視化看板主要對生產(chǎn)單元中的設(shè)備、質(zhì)量、生產(chǎn)流程及工位報警等類型的生產(chǎn)狀態(tài)進行可視化監(jiān)控，如圖11i～圖11m所示；可視化在線作業(yè)指導可以為作業(yè)人員提供作業(yè)流程指導和作業(yè)過程管控，如圖11e和圖11f所示。

最后，通過DTPC可視化管控系統(tǒng)的實施和應(yīng)用，基本實現(xiàn)了生產(chǎn)單元的虛實映射及在此基礎(chǔ)上的可視化管控，完成了數(shù)字孿生驅(qū)動的生產(chǎn)單元全要素、全流程可視化管控功能，適應(yīng)了企業(yè)以生產(chǎn)單元為核心的生產(chǎn)模式和管控模式的變革需求，提高了生產(chǎn)單元的精準化管控能力，優(yōu)化了車間生產(chǎn)管控體系。通過案例分析，進一步驗證了本文所提方法的有效性和可實現(xiàn)性。目前，該方法已經(jīng)逐步推廣到該企業(yè)其他零部件生產(chǎn)單元中。

5 結(jié)束語

個性化市場需求與新一輪工業(yè)技術(shù)變革從市場需求和使能技術(shù)上共同推動了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化、智能化變革，生產(chǎn)單元作為生產(chǎn)系統(tǒng)的基本粒度，其作用和精準化運行管控需求日益凸顯。本文以生產(chǎn)單元為研究對象，在分析其可視化管控需求的基礎(chǔ)上，提出一種DTPC可視化管控方法，并設(shè)計了DTPC運行框架，研究了DTPC可視化管控模型構(gòu)建、可視化管控規(guī)則設(shè)計與基于邊緣計算網(wǎng)關(guān)的虛實同步技術(shù)，最后通過實例驗證了本文所提方法的可行性和有效性。

物理實體、虛擬模型、實時數(shù)據(jù)、虛實連接與服務(wù)是實現(xiàn)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，不同應(yīng)用場景和需求下的數(shù)字孿生具有不同的特征，會呈現(xiàn)不同的特點。本文所研究的可視化管控方法具有數(shù)字孿生的虛實同步特征，實現(xiàn)了生產(chǎn)單元的可視化實時管控，后期將在此基礎(chǔ)上，針對不同應(yīng)用場景下的數(shù)字孿生進行進一步研究，逐步支撐生產(chǎn)單元的自決策、自執(zhí)行、預測評估等智能特征。