葉 磊，徐 慧，王 勇，張文琦，魏 星

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位不言而喻，一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平可以衡量一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力，以及這個(gè)國(guó)家的科技創(chuàng)新、社會(huì)發(fā)展的程度。我國(guó)制造業(yè)一直以成本低廉和產(chǎn)量巨大而著稱。但時(shí)代不斷向前邁進(jìn)，全球的科技發(fā)展速度來(lái)到了一個(gè)高峰，面對(duì)人民的需求日益多樣性，以及各界對(duì)低碳制造的呼吁，響應(yīng)黨對(duì)可持續(xù)發(fā)展的號(hào)召，新一代信息技術(shù)技術(shù)，比如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等都加快了落地應(yīng)用的速度。制造業(yè)和信息業(yè)從未像如今這么緊密過(guò)，各國(guó)對(duì)出現(xiàn)的新機(jī)遇和就業(yè)崗位都在積極應(yīng)對(duì)。德國(guó)提出“工業(yè)4.0”計(jì)劃，中國(guó)提出“中國(guó)制造2025”，重心都是在物聯(lián)、智能仿真、工業(yè)大數(shù)據(jù)，都是希望抓住這次改革契機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)“智能制造”跨度到“智能智造”。

智能制造是一個(gè)多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉融匯的一個(gè)領(lǐng)域，想要在這個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性進(jìn)展是很有難度的，但是智能制造的規(guī)模如此龐大，一旦改革帶來(lái)的效益也是巨量的。數(shù)字孿生是今年來(lái)的大熱，它可以實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間的實(shí)時(shí)交互，快速得到多領(lǐng)域的關(guān)注。數(shù)字孿生的重點(diǎn)是將工業(yè)涉及到的產(chǎn)品，從幾何等物理特性到工藝生產(chǎn)等行為特征融入到模型當(dāng)中，最終達(dá)到3D監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維、指導(dǎo)生產(chǎn)、預(yù)測(cè)性維護(hù)、產(chǎn)品再設(shè)計(jì)等眾多功能。一直以來(lái)，物理空間和信息空間的互聯(lián)都是仿真的“痛點(diǎn)”，數(shù)字孿生的誕生核心就是要解決這個(gè)問(wèn)題，它是智能制造車間的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)所在。

對(duì)于化纖車間，核心就是落絲生產(chǎn)線，數(shù)字孿生的應(yīng)用一定可以帶來(lái)現(xiàn)有模式的突破。將化纖車間的絲餅、各式各樣的設(shè)備、工藝流程的特性，從物理空間無(wú)縫銜接到信息化的虛擬空間，構(gòu)造出一個(gè)落絲生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體。生產(chǎn)前，在數(shù)字化模型中模擬優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，預(yù)測(cè)產(chǎn)量、生產(chǎn)所需的物理人力等資源；生產(chǎn)時(shí)，實(shí)時(shí)交互，跟進(jìn)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)后，跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)設(shè)備預(yù)測(cè)維護(hù)的時(shí)間點(diǎn)。

1 數(shù)字孿生

1.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生是近年來(lái)的大熱，2020全球物流技術(shù)大會(huì)上，中國(guó)物流正式發(fā)布了《數(shù)字孿生供應(yīng)鏈》白皮書。

數(shù)字孿生（Digital twin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

圖1 前紡絲車間的數(shù)字孿生建模

1.2 數(shù)字孿生的內(nèi)涵

數(shù)字孿生剛剛走進(jìn)人們視野的時(shí)候，普遍的把數(shù)字孿生當(dāng)做仿真。這是一種片面的解讀，實(shí)際上，仿真是數(shù)字孿生的一部分。數(shù)字孿生是由模型和數(shù)據(jù)雙重驅(qū)動(dòng)，它不僅可以仿真、3D可視化，還可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行能效檢測(cè)、預(yù)測(cè)故障和維護(hù)等等功能。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生不單是物理空間的模型在虛擬空間的展示，更是產(chǎn)品的各類屬性、行為模式等等的完全的映射。

既然都是著重物理世界和數(shù)字世界的高度融合，那么數(shù)字孿生和信息物理系統(tǒng)（CPS）是否重合了呢？答案是否定的。CPS是在2006年由美國(guó)的科學(xué)界提出，以應(yīng)對(duì)目前的計(jì)算機(jī)學(xué)科和自動(dòng)化學(xué)科不能滿足日益復(fù)雜的工程應(yīng)用，它屬于科學(xué)范疇。而數(shù)字孿生是工程應(yīng)用范疇，是豐富CPS的一個(gè)模塊，未來(lái)也將會(huì)有越來(lái)越多的新興技術(shù)來(lái)完善CPS。

2 數(shù)字孿生前紡絲車間運(yùn)行機(jī)制

2.1 數(shù)字孿生前紡絲車間的組成

數(shù)字孿生的前紡絲車間主要有四個(gè)部分組成：真實(shí)物理車間生產(chǎn)線、數(shù)字孿生前紡絲車間生產(chǎn)線、信息系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)。

1）物理生產(chǎn)線

物理前紡絲車間由現(xiàn)實(shí)中的操作工人、生產(chǎn)的材料絲餅、運(yùn)行設(shè)備落卷機(jī)器人和卷繞機(jī)、環(huán)境中的絲箱和絲箱底座等等，在落卷機(jī)器人和絲箱底座多處布置了傳感器，由落卷機(jī)器人統(tǒng)一傳到虛擬空間。

真實(shí)物理車間的生產(chǎn)線必須具備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的讀取能力，通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、過(guò)程控制的對(duì)象連接與嵌入技術(shù)（OPC）等技術(shù)采集來(lái)自真實(shí)物理世界的信息，比如讀取托盤號(hào)、掃描絲箱碼等等。利用工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)WiFi技術(shù)，組成完整的車間網(wǎng)絡(luò)，各傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到車間信息服務(wù)平臺(tái)，這就是孿生數(shù)據(jù)的一部分，需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)在設(shè)備中，用于日后糾錯(cuò)、分析等用途。智能化的車間，必須實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備、人、環(huán)境之間的全方位交互。只有這樣才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備按照計(jì)劃和實(shí)時(shí)調(diào)度命令做出反應(yīng)。

2）數(shù)字孿生體生產(chǎn)線

數(shù)字孿生前紡絲車間可以使用如今的先進(jìn)技術(shù)，如VR和AR，結(jié)合傳統(tǒng)的建模軟件，在計(jì)算機(jī)環(huán)境構(gòu)建物理車間的雙胞胎數(shù)字車間，不只是需要對(duì)幾何構(gòu)建，也要對(duì)機(jī)器的動(dòng)作、生產(chǎn)車間環(huán)境進(jìn)行虛擬化映射。全要素鏡像是對(duì)生產(chǎn)情況的仿真、模擬、調(diào)整的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也會(huì)使得實(shí)時(shí)監(jiān)控的質(zhì)量更高。但數(shù)字孿生前紡絲車間不適宜太龐大，會(huì)拖慢系統(tǒng)的運(yùn)行以及任務(wù)的下發(fā)等等操作。

真實(shí)的鏡像模型需要抓住工藝特點(diǎn)和特征行為參數(shù)，包括但不限于車間布局、生產(chǎn)過(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程。生產(chǎn)前可以使用數(shù)字孿生前紡絲車間對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行模擬，預(yù)估產(chǎn)量、預(yù)測(cè)生產(chǎn)所需成本以及可能出現(xiàn)的故障；生產(chǎn)中可以監(jiān)控實(shí)時(shí)的生產(chǎn)情況，同時(shí)積累生產(chǎn)數(shù)據(jù)，用于優(yōu)化預(yù)測(cè)模型等等。

3）車間信息服務(wù)系統(tǒng)

生產(chǎn)線的信息系統(tǒng)由紡絲機(jī)制造企業(yè)的生產(chǎn)流程過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）等各種系統(tǒng)共同組成，實(shí)時(shí)處理傳感器上傳的數(shù)據(jù)，清洗和整理后的數(shù)據(jù)提供于數(shù)字孿生前紡絲車間。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)下發(fā)的生產(chǎn)方案、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算數(shù)據(jù)等生產(chǎn)資源，配合真實(shí)的物理車間優(yōu)化制造數(shù)據(jù)。

前紡絲車間傳輸任務(wù)給信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)收到后，根據(jù)物理車間的現(xiàn)狀配置生產(chǎn)資源并生成生產(chǎn)計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃下一步傳輸?shù)綌?shù)字孿生前紡絲車間進(jìn)行仿真和優(yōu)化，生成切合實(shí)際的計(jì)劃用來(lái)執(zhí)行。在生產(chǎn)過(guò)程中傳感器不斷收集數(shù)據(jù)，信息服務(wù)系統(tǒng)不間斷處理，實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)資源、生產(chǎn)計(jì)劃。

4）孿生數(shù)據(jù)

真實(shí)物理車間和數(shù)字孿生前紡絲車間是相互獨(dú)立的，是孿生數(shù)據(jù)將它們銜接在一起。它包括真實(shí)物理車間抓取的數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生前紡絲車間模擬運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、以及信息系統(tǒng)運(yùn)作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。物理車間數(shù)據(jù)涵蓋生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)、落絲車和絲箱的狀態(tài)信息等等。生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)包括不限于，訂單完成情況、絲餅等級(jí)以及數(shù)量等。

2.2 數(shù)字孿生車間運(yùn)行機(jī)制

真實(shí)車間、虛擬車間、信息系統(tǒng)這三者之間都要實(shí)時(shí)交互，數(shù)字孿生的前紡絲車間按照如下規(guī)則運(yùn)行：

1）真實(shí)車間和信息系統(tǒng)的交互

前紡絲車間生成任務(wù)后，信息系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)有的資源配置下，對(duì)訂單任務(wù)生成新的可靠的生產(chǎn)計(jì)劃。信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)收到落卷機(jī)器人上傳的數(shù)據(jù)，對(duì)落卷機(jī)器人的接絲能力進(jìn)行評(píng)估，再一次優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃。生產(chǎn)時(shí)，信息系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)絲箱情況，以及落絲率，如果個(gè)別絲箱狀態(tài)緊張，信息系統(tǒng)需要對(duì)生產(chǎn)方案實(shí)時(shí)修正，優(yōu)先去接未滿絲箱的品種絲餅。

2）數(shù)字前紡絲車間和信息系統(tǒng)的交互

數(shù)字前紡絲車間根據(jù)現(xiàn)有的模型，包括幾何模型和行為模型，對(duì)信息系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃在數(shù)字世界進(jìn)行仿真，得到可能出現(xiàn)的生產(chǎn)問(wèn)題，比如落卷機(jī)器人無(wú)法滿足需求的情況，比如絲箱滿箱降低效率的情況。信息系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字前紡絲車間對(duì)各個(gè)環(huán)間有所準(zhǔn)備，當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)無(wú)法被滿足的時(shí)候，可以及時(shí)配備專業(yè)操作工人配合生產(chǎn)度過(guò)瓶頸期。

3）物理車間與虛擬車間之間的交互

前紡絲車間執(zhí)行由信息系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計(jì)劃。生產(chǎn)過(guò)程中，落卷機(jī)器人依然實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)給信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)將后續(xù)的任務(wù)放在數(shù)字前紡絲車間模擬?？偠灾?，物理前紡絲車間和數(shù)字前紡絲車間是實(shí)時(shí)同步更新的。如果在實(shí)時(shí)任務(wù)計(jì)劃與原計(jì)劃出現(xiàn)較大的偏差，則對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)情況在數(shù)字前紡絲車間生產(chǎn)，如果沒(méi)有出現(xiàn)大面積卷繞機(jī)產(chǎn)出的絲餅不能及時(shí)送往絲箱，新生產(chǎn)計(jì)劃則覆蓋原生產(chǎn)計(jì)劃。相反，出現(xiàn)生產(chǎn)大面積脫節(jié)的情況，數(shù)字前紡絲車間將結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果選擇性放棄部分卷繞機(jī)任務(wù)訂單，選擇有工人部分參與生產(chǎn)，以度過(guò)生產(chǎn)瓶頸期，并出現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警、資源告急提醒，保證后續(xù)的正常生產(chǎn)。數(shù)字前紡絲車間將不斷根據(jù)物理生產(chǎn)車間完善自身行為模型，不斷提高自身的智能性。

3 數(shù)字孿生前紡絲車間模型架構(gòu)

第二章節(jié)分析了前紡絲車間的各模塊之間的交互，第三章從四層架構(gòu)分析前紡絲車間。

圖3 數(shù)字孿生前紡絲車間的四層架構(gòu)

1）第一層是物理層。由卷繞機(jī)、絲箱、落卷機(jī)器人、人、絲餅等組成，包含物理實(shí)體，同時(shí)也包含物理實(shí)體的活動(dòng)。通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有的資源配置根據(jù)生產(chǎn)的任務(wù)節(jié)點(diǎn)完成實(shí)際的生產(chǎn)加工作業(yè)。該層級(jí)最重要的技術(shù)為：異構(gòu)多源多模態(tài)數(shù)據(jù)封裝技術(shù)、分布式協(xié)同控制技術(shù)。建設(shè)的時(shí)候需要將各設(shè)備的數(shù)據(jù)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的匯總在一起，便于日后的分析使用。

2）第二層是數(shù)字層，也稱為信息層。為真實(shí)的前紡絲車間提供維護(hù)生產(chǎn)服務(wù)。對(duì)物理層傳上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、挖掘和分析。數(shù)字層也還是對(duì)孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和融合的平臺(tái)。在數(shù)字層可以清晰地看到生產(chǎn)的實(shí)時(shí)情況、車間實(shí)時(shí)的運(yùn)作情況。在該層，對(duì)前紡絲車間進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行的優(yōu)化操作。由于信息量龐大，在必要的時(shí)候來(lái)確定各數(shù)據(jù)塊之間的關(guān)系，邏輯上更清晰明了，如平行關(guān)系，父子關(guān)系，順序關(guān)系。通過(guò)清楚地分類，避免數(shù)據(jù)的重復(fù)整理，也便于現(xiàn)場(chǎng)工程師在調(diào)試時(shí)，最短時(shí)間內(nèi)找到自己想要的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實(shí)的前紡絲車間中，監(jiān)控軟件對(duì)落卷的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可查詢以往12個(gè)月的落卷歷史記錄，打印報(bào)表。而例如落卷機(jī)器人和絲箱的手動(dòng)操作記錄、報(bào)警記錄、以及各參數(shù)修改記錄，可以查詢過(guò)去6個(gè)月的數(shù)據(jù)報(bào)表。在信息層，可以追溯到同一個(gè)絲箱的具體紡位、落次記錄，并提供篩選查詢方式。為防止數(shù)據(jù)在特殊情況下丟失，前紡絲車間通常配備應(yīng)急服務(wù)器，它具備數(shù)據(jù)庫(kù)異地備份的功能。

3）第三層是模型層。在這一層是對(duì)真實(shí)的前紡絲車間的鏡像，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行幾何建模，也對(duì)機(jī)器進(jìn)行行為建模。通過(guò)模型層可以看見(jiàn)3D化的車間。通常情況下，使用3d Max進(jìn)行建模，然后簡(jiǎn)化模型，最終在Unity 3D平臺(tái)進(jìn)行渲染，搭建前紡絲車間的環(huán)境，提高最終模型的展示效果。通常對(duì)于前紡絲車間的環(huán)境，使用面向?qū)ο竽Ｊ降慕＃@在以后對(duì)模型管理方面更加便捷。對(duì)于落卷機(jī)器人等模型可以使用組件的方式掛載在模型中，對(duì)其腳本的代碼修改就可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)模型快的修改、完善、移除等操作。由于前紡絲車間的3D模型數(shù)量眾多，例如大量的絲箱，多臺(tái)落卷機(jī)器人的情況，加上在Unity 3D中的材質(zhì)選擇，渲染的環(huán)境等，對(duì)運(yùn)行的服務(wù)器顯卡GPU的要求十分的高。同時(shí)，模型需要大量的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)時(shí)刻都有龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、計(jì)算，對(duì)服務(wù)器的中央處理器要求也很高。所以在模型搭建的過(guò)程中，不僅要考慮到最終呈現(xiàn)的視覺(jué)效果，也需要考慮到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備環(huán)境的因素，所以均衡選擇材質(zhì)、優(yōu)化渲染內(nèi)存，以保證實(shí)際的前紡絲車間運(yùn)行的流暢度?？偨Y(jié)為，既要完善顯示效果，也要確保實(shí)時(shí)交互的順暢。

4）第四層是應(yīng)用層。該層對(duì)前紡絲車間進(jìn)行智能排產(chǎn)，對(duì)絲餅質(zhì)量進(jìn)行分析管理。同時(shí)，能耗的優(yōu)化也是重中之重，化纖車間對(duì)電能等一系列的能源消耗很大，制約了生產(chǎn)成本的降低。在應(yīng)用層，可以對(duì)員工進(jìn)行集中培訓(xùn)。最終的應(yīng)用隨著時(shí)間的推移擁有無(wú)限可能。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生在前紡絲車間的應(yīng)用未來(lái)是極具吸引力的，助力工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)。本文初步探討了數(shù)字孿生在車間建模和信息處理等理論基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生的建立完善是一個(gè)長(zhǎng)期且復(fù)雜的工作，依賴于各個(gè)學(xué)科各部門之間的合作。數(shù)字孿生在傳統(tǒng)的仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的“拔高”。數(shù)字孿生的拓展功能也很多，比如遠(yuǎn)程運(yùn)維和預(yù)測(cè)性維護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)難度較大或緊急的問(wèn)題需要處理時(shí)，工程師可以遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題進(jìn)行處理。結(jié)合對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可以提前對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，有利于最大限度的提高設(shè)備的使用壽命。除此之外，數(shù)字孿生對(duì)產(chǎn)品再設(shè)計(jì)等都有很好的促進(jìn)作用，未來(lái)還有很多功能等待去探索。