陳 瑾，高慶霖，徐 磊，莊存波，3

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；3.北京理工大學(xué)長三角研究院（嘉興），嘉興 314000）

數(shù)字孿生車間是在新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，由物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)、車間孿生數(shù)據(jù)組成，集成和融合了物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)全要素、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的一種車間運(yùn)行新模式[1]。車間數(shù)字孿生模型是對(duì)物理車間生產(chǎn)全要素和工藝全流程在信息世界的數(shù)字化映射和表達(dá)，構(gòu)建與物理車間靜態(tài)場(chǎng)景、邏輯規(guī)則、動(dòng)作行為完全一致的高保真虛擬車間模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)建模仿真方法主要側(cè)重于三維模型的還原度和保真度，數(shù)字孿生車間在構(gòu)建高保真虛擬三維模型的基礎(chǔ)之上，還關(guān)注車間動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中的變化關(guān)系，真實(shí)地復(fù)刻物理對(duì)象的幾何、物理、行為及規(guī)則[2]。

針對(duì)物理實(shí)體或復(fù)雜系統(tǒng)在虛擬空間的建模，陶飛等[3]提出了“四化四可八用”的數(shù)字孿生模型構(gòu)建準(zhǔn)則，以輕量化、精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化和可交互、可融合、可重構(gòu)、可進(jìn)化為要求，構(gòu)建可用、通用、速用、易用、聯(lián)用、合用、活用、好用的數(shù)字孿生虛擬模型。李莎莎等[4]提出了基于Petri網(wǎng)對(duì)車間運(yùn)行邏輯模型進(jìn)行精準(zhǔn)匹配和忠實(shí)映射。丁凱等[5]研究了數(shù)字孿生模型（孿生在制品、孿生制造設(shè)備、孿生制造車間等）在信息世界的虛實(shí)映射建模方法和在復(fù)雜多維時(shí)空域下智能制造過程及數(shù)據(jù)建模方法。江海凡等[6]提出了基于邏輯模型、數(shù)據(jù)模型、可視化模型3個(gè)維度的車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建技術(shù)，研究了虛擬車間運(yùn)行過程各階段演化機(jī)理和車間運(yùn)行機(jī)制。郭東升等[7]針對(duì)制造車間現(xiàn)場(chǎng)與信息空間實(shí)時(shí)交互困難的問題，提出了以產(chǎn)品、資源、工藝為對(duì)象的數(shù)字孿生車間，為實(shí)現(xiàn)車間虛實(shí)交互提供了一種可行的方法。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展與數(shù)字孿生車間的推廣應(yīng)用，對(duì)虛擬模型和數(shù)據(jù)采集的要求升高，周帥昌等[8]針對(duì)虛擬車間復(fù)雜模型構(gòu)建提出了基于半邊折疊算法處理的模型輕量化構(gòu)建方法，針對(duì)車間海量多源復(fù)雜數(shù)據(jù)提出了基于改進(jìn)模糊C均值算法的數(shù)據(jù)處理方法，從模型和數(shù)據(jù)兩方面提高了數(shù)字孿生車間建模精確程度。宋思蒙等[9]針對(duì)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的智能車間模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)重構(gòu)提出了DT-MPS建模方法，為實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的車間模塊快速重構(gòu)提供了一種解決途徑。金星等[10]提出了面向航空企業(yè)離散制造的數(shù)字孿生車間模型構(gòu)建技術(shù)，從虛擬實(shí)體構(gòu)建、物理實(shí)體接入和三維可視化平臺(tái)3個(gè)方面設(shè)計(jì)了數(shù)字孿生車間系統(tǒng)架構(gòu)。劉懷蘭等[11]基于傳統(tǒng)離散事件系統(tǒng)仿真機(jī)制，提出了基于VDEVS的離散制造車間虛擬要素行為模型構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬車間模型行為更精確的表達(dá)。

集成化計(jì)算機(jī)輔助制造定義方法（ICAM DEFinition method，IDEF）是一種比較經(jīng)典的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析方法，在對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化分析與描述上具有較強(qiáng)的表達(dá)能力與直觀性。關(guān)于IDEF在制造領(lǐng)域中工業(yè)軟件開發(fā)、產(chǎn)品研制、業(yè)務(wù)過程分析等方面的模型構(gòu)建，尚文利等[12]提出了一種結(jié)合IDEF（IDEF0、IDEF1x）與UML（Unified modeling language）的系統(tǒng)建模方法，并在某車間生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)建模和開發(fā)中證明了該方法在可配置性、可擴(kuò)展性和可重用性上的優(yōu)越性。伍曉榕等[13]提出了一種基于IDEF與UML相結(jié)合的系統(tǒng)建模方法，完成了虛擬裝配系統(tǒng)從需求分析、功能設(shè)計(jì)、對(duì)象設(shè)計(jì)直至軟件實(shí)現(xiàn)的過程。伍曉榕等[14]利用IDEF技術(shù)對(duì)不同梯層的主要工藝活動(dòng)進(jìn)行建模，構(gòu)建工藝成熟度模型，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品信息粒度工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)的分層管理和相互關(guān)聯(lián)。周春柳等[15]利用IDEF0方法將維修業(yè)務(wù)分解到具體作業(yè)上，建立了作業(yè)層面的維修數(shù)據(jù)變更模型。楊帆等[16]提出基于IDEF0的過程建模方法，構(gòu)建了柔性多層級(jí)的評(píng)估過程模型，為數(shù)字孿生體可信度評(píng)估工作提供了有力指導(dǎo)。

車間數(shù)字孿生模型是一個(gè)能夠描述車間“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的復(fù)雜系統(tǒng)，具有車間規(guī)模大、對(duì)象多、功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)要素眾多、數(shù)據(jù)海量、多源異構(gòu)等特點(diǎn)。車間數(shù)字孿生模型的構(gòu)建過程復(fù)雜，功能模塊和數(shù)據(jù)類型多樣，目前因缺乏以頂層設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)化的建模分析方法，導(dǎo)致在構(gòu)建車間數(shù)字孿生模型時(shí)易出現(xiàn)內(nèi)容重復(fù)或遺漏，傳統(tǒng)的單一設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的建模方法難以實(shí)現(xiàn)車間數(shù)字孿生模型系統(tǒng)性的建模要求。本文提出基于IDEF建模分析的車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，從系統(tǒng)功能、信息、過程、本體4個(gè)維度完成車間數(shù)字孿生模型從頂層設(shè)計(jì)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的建模過程。

1 基于IDEF的四維度車間數(shù)字孿生建?？傮w框架

IDEF是一套針對(duì)復(fù)雜信息系統(tǒng)進(jìn)行建模分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合建模方法。IDEF方法族群包括IDEF0功能建模（Function modeling）、IDEF1x信息建模（Information modeling）、IDEF2仿真建模設(shè)計(jì) （Simulation model design）、IDEF3過程描述獲取方法（Process description capture）、IDEF4面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì) （Object-oriented design）、IDEF5本體獲取描述（Ontology description capture）、IDEF6設(shè)計(jì)原理（Design rationale capture）、IDEF7信息系統(tǒng)審定 （Information system auditing）、IDEF8用戶界面建模 （User interface modeling）等。根據(jù)用途可將IDEF方法族群分為兩類：一類側(cè)重于信息交流，主要有IDEF0、IDEF1x、IDEF3、IDEF5等；另一類側(cè)重于系統(tǒng)開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)部分，如IDEF4等。

車間數(shù)字孿生模型具有功能多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、數(shù)據(jù)流動(dòng)和管理復(fù)雜，以及實(shí)體屬性、性質(zhì)、關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，利用IDEF0、IDEF1x、IDEF3、IDEF5分別從功能建模、信息建模、過程建模和本體建模4個(gè)維度構(gòu)建車間數(shù)字孿生模型，有利于更準(zhǔn)確、全面地實(shí)現(xiàn)物理車間向虛擬車間的真實(shí)映射。基于IDEF的四維車間數(shù)字孿生模型如圖1所示。

圖1 基于IDEF的四維車間數(shù)字孿生模型Fig.1 4D digital twin model of workshop based on IDEF

（1） 功能維度。分析車間數(shù)字孿生模型的功能作用，設(shè)計(jì)虛擬車間結(jié)構(gòu)組成，描述各功能模塊間相互關(guān)系，進(jìn)而全面描述車間數(shù)字孿生模型的功能、活動(dòng)、數(shù)據(jù)流及子模塊間的關(guān)系。

（2） 信息維度。定義虛擬車間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和語義信息，描述車間數(shù)據(jù)采集、傳輸、更新、查詢、管理和存儲(chǔ)過程，以及車間內(nèi)部數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系，進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型表達(dá)制造車間內(nèi)的復(fù)雜多源數(shù)據(jù)。

（3） 過程維度?；谲囬g運(yùn)行邏輯和信息流動(dòng)過程，以過程為核心描述車間事件發(fā)生的因果關(guān)系、狀態(tài)改變的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)而描述車間實(shí)際生產(chǎn)過程的狀態(tài)變化和行為特征。

（4）本體維度。采集數(shù)字孿生車間和制造車間領(lǐng)域內(nèi)的事實(shí)和知識(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵實(shí)體、重要過程、屬性、關(guān)系的獲取、展示和存儲(chǔ)。

基于IDEF的車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建過程如圖2所示。

圖2 基于IDEF方法的車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建流程Fig.2 Construction process of workshop digital twin model based on IDEF method

首先，IDEF0模塊采用嚴(yán)格的、自頂向下的方式逐層分解車間數(shù)字孿生模型，利用簡單的圖形符號(hào)和自然語言，以結(jié)構(gòu)化的形式全面地描述系統(tǒng)的功能、活動(dòng)、數(shù)據(jù)流及各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系；接著利用IDEF1x模塊對(duì)車間數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)進(jìn)行語義建模，通過構(gòu)建實(shí)體間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型定義系統(tǒng)信息的管理規(guī)則和不同子系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系；然后利用IDEF3模塊通過過程流網(wǎng)（Process flow network，PFN）和對(duì)象狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（Object state transition diagram，OSTD）來描述制造車間運(yùn)行過程和對(duì)象狀態(tài)及狀態(tài)變換，進(jìn)而反映車間在不同時(shí)間下產(chǎn)品加工、物料流轉(zhuǎn)、人員流動(dòng)等生產(chǎn)過程的行為特征；最后，利用IDEF5方法以結(jié)構(gòu)化文本語言描述車間數(shù)字孿生模型相關(guān)領(lǐng)域的對(duì)象、對(duì)象的性質(zhì)和對(duì)象關(guān)系。

2 基于IDEF的車間數(shù)字孿生建模實(shí)現(xiàn)流程

2.1 車間數(shù)字孿生模型功能建模

車間數(shù)字孿生模型由若干個(gè)子系統(tǒng)組成，在構(gòu)建車間數(shù)字孿生模型時(shí)首先需要對(duì)系統(tǒng)的功能作用、結(jié)構(gòu)組成、功能間的相互關(guān)系等進(jìn)行表示，采用逐層分解的方法，嚴(yán)格地從頂層依次向下層對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的分析，得到虛擬車間功能模型。功能建模的設(shè)計(jì)原理是在頂層對(duì)車間數(shù)字孿生模型的主要功能進(jìn)行說明，然后按照實(shí)際的流程和結(jié)構(gòu)關(guān)系，把頂層功能逐層分解成范圍更小、細(xì)節(jié)更明確的子功能，每一個(gè)上層的功能模塊都由下層若干個(gè)功能模塊及其數(shù)據(jù)來說明。在進(jìn)行車間數(shù)字孿生模型功能建模時(shí)，采用圖形語言來對(duì)系統(tǒng)的需求和功能結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系進(jìn)行定義，圖形的主要元素包括：用來描述系統(tǒng)功能活動(dòng)的簡單盒子；用來描述數(shù)據(jù)流 （信息流）及各功能模塊之間結(jié)構(gòu)關(guān)系的箭頭；簡單的文字說明。對(duì)于一個(gè)活動(dòng)過程來說，不僅要表示其中重要的功能活動(dòng)，還要明確完成這項(xiàng)活動(dòng)的具體步驟、數(shù)據(jù)、操作、設(shè)施等要素，圖3為“構(gòu)建車間數(shù)字孿生模型”的活動(dòng)及其要素。

圖3 車間數(shù)字孿生模型A0圖Fig.3 A0 diagram of workshop digital twin model

圖3是由一個(gè)盒子和若干個(gè)接口箭頭組成的，表示車間數(shù)字孿生模型的A0圖，該圖是用來明確系統(tǒng)范圍和定義系統(tǒng)內(nèi)外關(guān)系的。A0盒子的內(nèi)容通常是以動(dòng)詞結(jié)構(gòu)的短語來體現(xiàn)系統(tǒng)的活動(dòng)特性，盒子是IDEF0功能建模的最基本元件。4個(gè)方向的箭頭組成了A0活動(dòng)的ICOM碼，分別表示與A0活動(dòng)相關(guān)的輸入、控制、輸出和機(jī)制，箭頭的內(nèi)容可以是抽象數(shù)據(jù)、具體對(duì)象或者其他，需要特別注意的是，在活動(dòng)圖形中的箭頭代表約束關(guān)系而不是數(shù)據(jù)流或者過程順序。對(duì)于上層活動(dòng)模型，通常還需要進(jìn)行調(diào)用，即調(diào)用下層更為詳細(xì)的活動(dòng)模塊來解釋當(dāng)前的功能活動(dòng)。經(jīng)過層層調(diào)用形成一個(gè)具有階梯結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)功能模型，進(jìn)而更深入地理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并且明確各功能模塊的范圍。車間數(shù)字孿生模型按功能可分為車間靜態(tài)建模、車間可視化監(jiān)控、車間仿真預(yù)測(cè)3個(gè)模塊，如圖4所示。而車間可視化監(jiān)控模塊可以更詳細(xì)地分解為車間運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)控、人物狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，如圖5所示。類似地，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的功能劃分和結(jié)構(gòu)劃分，直到能夠清晰地展示各個(gè)活動(dòng)及其相關(guān)要素。IDEF0功能建模不僅能夠清楚地反映每個(gè)活動(dòng)對(duì)應(yīng)的輸入、輸出、控制和機(jī)制，同時(shí)能夠明確在不同子模塊中重復(fù)使用的對(duì)象和數(shù)據(jù)，避免在系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)的疏漏。

圖4 車間數(shù)字孿生模型A0模塊分解圖Fig.4 A0 module decomposition diagram of workshop digital twin model

圖5 車間可視化監(jiān)控A2模塊分解圖Fig.5 A2 module decomposition diagram of workshop visual monitoring

2.2 車間數(shù)字孿生模型信息建模

車間數(shù)字孿生模型的運(yùn)行監(jiān)控、信息展示和仿真預(yù)測(cè)依賴于數(shù)據(jù)間的集成和交互，然而制造車間中的數(shù)據(jù)類型多源、數(shù)據(jù)屬性不同、數(shù)據(jù)量大且存在數(shù)據(jù)間的相互交叉。因此，在完成系統(tǒng)功能建模后，需要對(duì)車間數(shù)字孿生模型進(jìn)行信息建模，通過抽象化方式定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和語義信息，建立符合系統(tǒng)需求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，便于車間數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)傳輸、更新、查詢、管理和存儲(chǔ)。

IDEF1 信息建模方法（Information modeling）是基于Chen[17]提出的實(shí)體聯(lián)系模型 （Entity-relationship model）和Codd[18]提出的關(guān)系模型（Relational model）發(fā)展起來的，IDEF1將數(shù)據(jù)作為一種系統(tǒng)資源進(jìn)行管理和存儲(chǔ)，通過建立信息模型來描述系統(tǒng)運(yùn)行過程中的重要數(shù)據(jù)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。IDEF1x是IDEF1改進(jìn)圖形表達(dá)和語義增強(qiáng)后的擴(kuò)展版本，與常規(guī)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法不同的是，利用IDEF1x對(duì)虛擬車間信息建模針對(duì)的是車間數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和管理，以及車間內(nèi)部數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系問題。IDEF1x模型的元素組成包括實(shí)體、實(shí)體間的聯(lián)系、屬性/關(guān)鍵字。實(shí)體是具有相同屬性或相同特征的一類客觀存在或者抽象事物的集合，分為獨(dú)立標(biāo)識(shí)實(shí)體和從屬標(biāo)識(shí)實(shí)體，在IDEF1x圖中用盒子表示。聯(lián)系是實(shí)體間的一種邏輯連接，在IDEF1x圖中用連線和動(dòng)詞短語表示，聯(lián)系包括連接聯(lián)系、分類聯(lián)系和非確定聯(lián)系。屬性表示實(shí)體的某種特征或者性質(zhì) （產(chǎn)品、設(shè)備、人物等），在IDEF1x盒子內(nèi)的文本就是該實(shí)體的屬性。

構(gòu)建虛擬車間信息模型，首先需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，明確構(gòu)建該系統(tǒng)的目的及目標(biāo)功能；然后根據(jù)功能模型設(shè)計(jì)構(gòu)建車間數(shù)字孿生模型的方法，在此基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)在靜態(tài)建模、可視化監(jiān)控、仿真預(yù)測(cè)等模塊的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、運(yùn)行和管理過程中所需要的信息資源，并將其羅列出；最后通過數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)通信等方式獲得原始數(shù)據(jù)。在信息建模過程中將車間數(shù)據(jù)需求分析、概念模型設(shè)計(jì)、車間運(yùn)行邏輯和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有機(jī)結(jié)合，通過簡單的圖形構(gòu)造一個(gè)結(jié)構(gòu)化、規(guī)程化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型來表達(dá)制造車間中復(fù)雜多源的數(shù)據(jù)，從而避免在車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建過程中數(shù)據(jù)和物理對(duì)象的不完整、不準(zhǔn)確、不一致。

基于IDEF1x方法的車間數(shù)字孿生模型信息建模如圖6所示。其中每個(gè)實(shí)體包含一個(gè)主關(guān)鍵字和若干次關(guān)鍵字，這些關(guān)鍵字能唯一標(biāo)識(shí)實(shí)體每一個(gè)實(shí)例的屬性，實(shí)體之間具有一定的連接關(guān)系。每個(gè)實(shí)體通過連接聯(lián)系、分類聯(lián)系或非確定聯(lián)系連接更詳細(xì)的實(shí)體，進(jìn)而得到更具體的屬性描述實(shí)例。

圖6 車間數(shù)字孿生模型IDEF1x信息建模Fig.6 IDEF1x information modeling of workshop digital twin model

通過車間數(shù)字孿生模型IDEF1x信息建模，構(gòu)造結(jié)構(gòu)化、規(guī)程化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型描述復(fù)雜多源的數(shù)據(jù)，構(gòu)建聯(lián)系表達(dá)車間內(nèi)部數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，便于車間數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、管理的完整、準(zhǔn)確和一致。

2.3 車間數(shù)字孿生模型過程建模

對(duì)車間數(shù)字孿生模型進(jìn)行了信息建模，明確了構(gòu)建車間數(shù)字孿生模型所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了語義定義。為了獲得在構(gòu)建車間數(shù)字孿生模型時(shí)信息流動(dòng)過程的準(zhǔn)確描述，采用IDEF3方法的PFN模型圖構(gòu)建數(shù)據(jù)在車間數(shù)字孿生模型中的流動(dòng)過程，并采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖OSTD對(duì)關(guān)鍵對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行描述。IDEF3通過場(chǎng)景描述和對(duì)象描述，以圖形化語言將制造車間實(shí)際生產(chǎn)過程中事件發(fā)生和狀態(tài)改變的優(yōu)先級(jí)和因果關(guān)系記錄下來。

PFN模型圖的基本元素包括行為單元 （Units of behavior，UOB）、聯(lián)接、參照物、交匯點(diǎn)、分解和細(xì)化說明。UOB表示客觀過程、功能、事件、操作、活動(dòng)、場(chǎng)景等在一個(gè)業(yè)務(wù)過程或一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中的情況，在PFN模型圖中用UOB盒子表示。將UOB盒子用聯(lián)接箭頭按照事件發(fā)生的先后順序連接起來，表示UOB中行為之間的先后順序或約束關(guān)系。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的過程，可以將UOB進(jìn)一步分解成活動(dòng)層次更低、更具體的多層次過程描述，在IDEF3中每一個(gè)UOB的分解都是一個(gè)新的過程流圖。

數(shù)據(jù)的獲取與交互是車間數(shù)字孿生模型穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)時(shí)展示的關(guān)鍵。因此，以車間數(shù)字孿生模型中數(shù)據(jù)流動(dòng)過程作為PFN模型圖過程建模的核心，通過過程模型表示數(shù)據(jù)獲取、描述、運(yùn)用和管理等過程在車間數(shù)字孿生模型中出現(xiàn)的先后順序和因果關(guān)系。車間數(shù)字孿生模型信息過程流網(wǎng)如圖7所示。

圖7 車間數(shù)字孿生模型信息過程流網(wǎng)Fig.7 Information process flow network of workshop digital twin model

制造車間生產(chǎn)要素復(fù)雜且在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在車間不同的信息系統(tǒng)當(dāng)中。因此，車間數(shù)字孿生模型需要與制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing execution system，MES）、企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise resource planning，ERP）、物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，對(duì)“數(shù)據(jù)集成”過程進(jìn)一步分解得到更具體的數(shù)據(jù)集成過程，如圖8所示。構(gòu)建物理車間與車間數(shù)字孿生模型之間的數(shù)據(jù)通信，基于物聯(lián)網(wǎng)、MES等系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集物理車間制造過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并對(duì)物理車間正在發(fā)生的事件做出動(dòng)態(tài)映射和實(shí)時(shí)反饋。通過與信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)交互，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)更新與推送展示，從而獲得車間生產(chǎn)要素信息、生產(chǎn)計(jì)劃信息、生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在虛擬空間中對(duì)產(chǎn)品加工狀態(tài)、人物運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)的三維可視化監(jiān)控。

圖8 數(shù)據(jù)集成UOB分解Fig.8 UOB decomposition of data integration

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖以對(duì)象為核心，是對(duì)PFN中關(guān)鍵對(duì)象在參與過程時(shí)狀態(tài)變換的詳細(xì)描述。以產(chǎn)品為例，圖9為產(chǎn)品在車間數(shù)字孿生模型中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。

圖9 產(chǎn)品狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.9 Diagram of product status transition

在圖9中，圓圈表示產(chǎn)品在車間數(shù)字孿生模型中的某一種狀態(tài)，箭頭所指方向表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方向；方盒是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品狀態(tài)變換的參照物，方盒的內(nèi)容表示產(chǎn)品在發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)所必須要滿足的條件和約束。產(chǎn)品狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖描述了產(chǎn)品從物理車間實(shí)體到虛擬車間三維模型構(gòu)建，再到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品位置更新和狀態(tài)更新的可視化監(jiān)控過程。

2.4 車間數(shù)字孿生模型本體建模

車間數(shù)字孿生模型的構(gòu)建是一個(gè)并行的過程，具有任務(wù)協(xié)作、模塊集成、系統(tǒng)交互和知識(shí)密集等特點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的建模方法在集成過程中自動(dòng)化程度低，模塊可移植性不高，且很難保證語義的一致性，因此將語義本體引入車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程的描述中，通過IDEF5圖形化本體獲取方法構(gòu)造車間數(shù)字孿生模型的概念模型，為車間數(shù)字孿生模型本體的開發(fā)提供一種交互的、共享的、結(jié)構(gòu)化的和具有一致性的概念框架。同時(shí)，本體的獲取能夠增強(qiáng)子模塊的“可重用性”。在工程領(lǐng)域中，往往會(huì)花費(fèi)大量的人力和物力去構(gòu)造已經(jīng)存在的信息和內(nèi)容，例如，在車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建過程中，驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)行的程序與驅(qū)動(dòng)人物運(yùn)行的程序存在相似的子程序，在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)往往會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和精力去編寫這些相似的子程序，而本體的獲取能夠很大程度上避免這種情況的發(fā)生。

本體是形成物理世界客觀現(xiàn)象的根本實(shí)體，一般來說，本體按照應(yīng)用范圍可以分為3個(gè)層次。第1層是領(lǐng)域本體，表示該領(lǐng)域中通用性最高的信息。例如，對(duì)于制造車間的一個(gè)領(lǐng)域本體，需要包括產(chǎn)品、設(shè)備、工藝文件、工具等制造車間領(lǐng)域所需要的通用信息。第2層是實(shí)踐本體，表示領(lǐng)域中相似工作場(chǎng)景的共同特點(diǎn)，是對(duì)領(lǐng)域本體的拓展。例如，開發(fā)制造車間中的一條復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工生產(chǎn)線，需要構(gòu)造一個(gè)表征這條生產(chǎn)線特征的實(shí)踐本體。第3層是專門工作場(chǎng)景本體，表示某一個(gè)特定的工作場(chǎng)景中相關(guān)的所有對(duì)象種類、性質(zhì)和關(guān)系信息。例如，針對(duì)某航天企業(yè)的數(shù)控加工車間，可以在制造車間領(lǐng)域本體和生產(chǎn)線實(shí)踐本體的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)詳細(xì)描述該企業(yè)設(shè)施的本體。

IDEF5模型中的本體是描述領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵實(shí)體、重要過程、屬性及其相互關(guān)系的一種領(lǐng)域建模的通用語言。IDEF5利用直觀的圖形表達(dá)、規(guī)范化的過程和結(jié)構(gòu)化的結(jié)果對(duì)實(shí)體進(jìn)行更深層次的描述，進(jìn)而為領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的獲取、展示和存儲(chǔ)提供媒介。IDEF5是以圖表語言形式為各類圖形構(gòu)造提供可視化支持，以細(xì)化說明語言形式為完整描述邏輯提供結(jié)構(gòu)化文本，二者相互支撐共同作用實(shí)現(xiàn)本體的構(gòu)造。

IDEF5以種類劃分及種類基本性質(zhì)作為抓取事物本質(zhì)特征的方法，進(jìn)而獲取本體知識(shí)。種類是將具有相同性質(zhì)的一類事物進(jìn)行劃分和歸類，對(duì)于一個(gè)種類來說，有且僅有該種類內(nèi)的成員具有某一種共同的特性。IDEF5方法中的種類與IDEF1x方法中的實(shí)體類似，但種類具有更深層次的事物特性和邏輯關(guān)系。事物的性質(zhì)可分為本質(zhì)的、附屬的、限定性的和非限定性的，如表1所示?？梢钥闯觯瑪?shù)控機(jī)床是一種由數(shù)控程序控制的機(jī)床，凡是由數(shù)控程序控制的機(jī)床都是數(shù)控機(jī)床，因此這一性質(zhì)就是數(shù)控機(jī)床本質(zhì)的性質(zhì)；每一個(gè)數(shù)控機(jī)床都有可識(shí)別的序列號(hào)，但是擁有序列號(hào)的設(shè)備都可以是數(shù)控機(jī)床，因此這一性質(zhì)是數(shù)控機(jī)床附屬的性質(zhì)。通過判斷一臺(tái)機(jī)床是否由數(shù)控程序控制來辨別該物體是否屬于數(shù)控機(jī)床這一種類，作為判斷的性質(zhì)就是數(shù)控機(jī)床的限定性的性質(zhì)，因此由數(shù)控程序控制的機(jī)床是數(shù)控機(jī)床本質(zhì)的、限定性的性質(zhì)。而對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件而言，其材質(zhì)可以是鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等，因此材質(zhì)對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件而言是一定會(huì)有但不能確定的性質(zhì)，是復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件附屬的性質(zhì)。在構(gòu)建本體時(shí)，需要特別注意性質(zhì)和屬性的區(qū)分，性質(zhì)是種類中所有個(gè)體所共同具有的直觀的、抽象的事物特征，而屬性是某一對(duì)象經(jīng)過映射后具有唯一值的特征。例如，材質(zhì)是復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的性質(zhì)，而對(duì)于某一鋁合金復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件而言，鋁合金材質(zhì)是其屬性。

表1 事物的性質(zhì)Table 1 Properties of things

車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程本體構(gòu)建流程如下：（1）通過信息采集、數(shù)據(jù)集成等方式獲得車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程相關(guān)信息、概念與知識(shí)的原始數(shù)據(jù)； （2）根據(jù)已獲得的原始數(shù)據(jù)對(duì)車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程中涉及的概念、關(guān)系和活動(dòng)進(jìn)行分析，提取運(yùn)行過程語義信息并明確概念間的層次關(guān)系以及活動(dòng)間的邏輯關(guān)系； （3）通過圖表語言和結(jié)構(gòu)化語義建立車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程的本體模型，即采用IDEF5方法抽取車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程本體模型的關(guān)鍵概念和屬性，構(gòu)建運(yùn)行過程本體的核心模型； （4）修改和完善車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程的本體模型并進(jìn)行保存。得到如圖10所示的車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程本體模型，對(duì)存在的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)一定義：組成關(guān)系 （Party-of）、驅(qū)動(dòng)關(guān)系 （Driven-of）、集成關(guān)系（Integration-of）、子類關(guān)系 （subClass-of）、活動(dòng)關(guān)系 （Activity-of）、順序關(guān)系（Sequential-of）等。

圖10 車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程本體模型Fig.10 Ontology model of operation process of workshop digital twin model

3 應(yīng)用驗(yàn)證

根據(jù)提出的基于IDEF的四維車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，以某精密制造車間為應(yīng)用對(duì)象，利用Microsoft Visual Studio 2017軟件，并結(jié)合Unity 2017.3.0f3軟件，開發(fā)了精密制造車間數(shù)字孿生平臺(tái)。

精密制造車間數(shù)字孿生平臺(tái)由3個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是虛擬車間三維靜態(tài)模型子系統(tǒng)、虛擬車間三維可視化監(jiān)控子系統(tǒng)、車間運(yùn)行狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)子系統(tǒng)，通過子系統(tǒng)間的集成與數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)車間實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控和車間運(yùn)行狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)。提出的基于IDEF的車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法從功能建模、信息建模、過程建模和本體建模4個(gè)維度分析精密制造車間數(shù)字孿生模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。精密制造車間數(shù)字孿生平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖11所示，其中虛擬車間三維可視化監(jiān)控子系統(tǒng)是車間運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展示的主要平臺(tái)；虛擬車間三維靜態(tài)模型子系統(tǒng)分層次構(gòu)建車間全要素三維模型，為車間實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控提供模型支持；構(gòu)建車間運(yùn)行狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控加工工序、工時(shí)預(yù)測(cè)和對(duì)車間運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)仿真，并將結(jié)果通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞椒答伣o可視化監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。

圖11 精密制造車間數(shù)字孿生平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure diagram of digital twin platform in precision manufacturing workshop

（1）虛擬車間三維靜態(tài)模型。虛擬車間三維靜態(tài)模型是在明確系統(tǒng)可視化監(jiān)控需求的基礎(chǔ)上，充分調(diào)研車間實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)資源生產(chǎn)情況，利用商業(yè)建模軟件對(duì)產(chǎn)品、人物、機(jī)床、小車和車間等生產(chǎn)要素進(jìn)行三維建模。圖12為從功能建模、信息建模、過程建模和本體建模4個(gè)維度分析的精密制造車間的虛擬車間三維靜態(tài)模型子系統(tǒng)。

圖12 虛擬車間三維靜態(tài)子系統(tǒng)Fig.12 3D static model subsystem of virtual workshop

精密制造車間的物理實(shí)體對(duì)象包括數(shù)控機(jī)床、上下料機(jī)器人、AGV小車、工人、產(chǎn)品等。靜態(tài)建模類基于數(shù)據(jù)采集、建模技術(shù)和車間布局活動(dòng)構(gòu)建包含產(chǎn)品、設(shè)備、工人等要素的虛擬車間靜態(tài)三維模型，為可視化監(jiān)控類提供平臺(tái)和基礎(chǔ)。靜態(tài)建模類是二元關(guān)系和的值域，是二元關(guān)系的自變量，約束靜態(tài)建模類的子類為設(shè)備類、產(chǎn)品類、工人類，約束靜態(tài)建模的活動(dòng)內(nèi)容，約束活動(dòng)的順序。設(shè)備類、產(chǎn)品類是二元關(guān)系的值域，約束其組成部分。通過UOB的分解可以將車間靜態(tài)建模這一過程細(xì)化為幾何數(shù)據(jù)采集、三維模型構(gòu)建、產(chǎn)品建模、人物建模、設(shè)備建模、布局規(guī)劃和渲染貼圖7個(gè)子過程。精密制造車間用于構(gòu)建車間靜態(tài)三維模型的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括車間幾何數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、布局信息、資源數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品、設(shè)備、人物等基本信息。通過采集車間物理實(shí)體的幾何參數(shù)、屬性信息，利用3ds Max三維建模軟件，采用特定的靜態(tài)建模方法等對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行分析和建模。對(duì)于產(chǎn)品、人物、設(shè)備模型的構(gòu)建，需要將實(shí)體分解為組件單元，按照各組件單元實(shí)際尺寸進(jìn)行三維建模，基于局部坐標(biāo)系進(jìn)行模型裝配，通過約束條件進(jìn)行位置方向約束，并定義各關(guān)節(jié)的父子關(guān)系。為了使虛擬車間模型與實(shí)際物理車間模型盡可能相似，根據(jù)車間實(shí)際布局情況對(duì)虛擬車間設(shè)備層、工位層、車間層的模型進(jìn)行重組和布局，并利用Unity 3D對(duì)三維模型進(jìn)行紋理貼圖、燈光配置和渲染優(yōu)化。此外還要構(gòu)建產(chǎn)品的三維模型庫，將同一產(chǎn)品不同階段的模型進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，以便后續(xù)在產(chǎn)品工藝狀態(tài)動(dòng)態(tài)映射中進(jìn)行產(chǎn)品模型的替換。最后完成整個(gè)精密制造車間的靜態(tài)建模，得到虛擬車間三維靜態(tài)模型，如圖13所示。

圖13 虛擬車間三維靜態(tài)模型Fig.13 3D static model of virtual workshop

（2）虛擬車間三維可視化監(jiān)控。虛擬車間三維可視化監(jiān)控是數(shù)字孿生車間動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)系統(tǒng)的主要展示平臺(tái)，在車間三維靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)字孿生車間全局?jǐn)?shù)據(jù)交互管理架構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信與傳輸，通過同步建模方法以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬車間三維模型動(dòng)態(tài)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、人物、物料流轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)映射。此外，以可視化看板的形式精確展示車間生產(chǎn)進(jìn)度信息、產(chǎn)品工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。

圖14為從功能建模、信息建模、過程建模和本體建模4個(gè)維度分析的精密制造車間的虛擬車間三維可視化監(jiān)控子系統(tǒng)?？梢暬O(jiān)控類基于虛擬車間三維模型以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)車間動(dòng)態(tài)運(yùn)行，對(duì)車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示并將歷史數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫的形式提供給工時(shí)預(yù)測(cè)類?？梢暬O(jiān)控類是二元關(guān)系和的值域，是二元關(guān)系的自變量，約束其驅(qū)動(dòng)關(guān)系。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)類是二元關(guān)系的值域，約束數(shù)據(jù)集成關(guān)系。約束車間運(yùn)行類的子類為狀態(tài)更新類和位置更新類，約束數(shù)據(jù)展示類可展示的信息為工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)信息、環(huán)境信息、屬性信息。通過UOB的分解可以將車間三維可視化建模這一過程細(xì)化為系統(tǒng)集成、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新、看板數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、模型驅(qū)動(dòng)、車間動(dòng)態(tài)運(yùn)行、位置更新、狀態(tài)更新8個(gè)子過程。在獲得虛擬車間三維模型的基礎(chǔ)上，基于數(shù)據(jù)傳輸方式與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與交互，獲得制造車間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。產(chǎn)品實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品的工藝信息、位置信息和狀態(tài)信息，分別表示產(chǎn)品的加工狀態(tài)、實(shí)時(shí)位置和工序狀態(tài)。人物的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是指人物的位置信息和動(dòng)作狀態(tài)信息，表示某個(gè)工人在某個(gè)位置的操作。設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按照類型的不同，可以分為機(jī)床、小車和機(jī)器人，分別表示不同設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。對(duì)于機(jī)床而言，還包括用于對(duì)機(jī)床健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)備報(bào)警信息，以及用于表示機(jī)床當(dāng)前工序內(nèi)容的加工信息?？窗鍞?shù)據(jù)是對(duì)車間生產(chǎn)要素信息的精確展示，根據(jù)類型，看板可分為涵蓋車間全部內(nèi)容的全局看板和針對(duì)某一對(duì)象的局部看板。然后以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)車間三維模型動(dòng)態(tài)映射，實(shí)現(xiàn)車間運(yùn)行狀態(tài)可視化監(jiān)控，如圖15所示。

圖14 虛擬車間三維可視化監(jiān)控子系統(tǒng)Fig.14 3D visual monitoring subsystem of virtual workshop

圖15 車間全局三維可視化監(jiān)控Fig.15 Global 3D visual monitoring of workshop

（3）車間運(yùn)行狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)。車間運(yùn)行狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)包括工時(shí)預(yù)測(cè)和仿真評(píng)估。工時(shí)預(yù)測(cè)是通過分析數(shù)控加工工時(shí)影響因素，構(gòu)建工序工時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，利用特征聚類和遺傳算法優(yōu)化算法提高工時(shí)預(yù)測(cè)的效率和準(zhǔn)確度。車間運(yùn)作狀態(tài)仿真是在工時(shí)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)車間產(chǎn)能、瓶頸工位、設(shè)備利用率等性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，以輸出的工時(shí)結(jié)果作為仿真的參數(shù)設(shè)置，以提高仿真的準(zhǔn)確度。

圖16為從功能建模、信息建模、過程建模和本體建模4個(gè)維度分析的精密制造車間的車間運(yùn)行狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)子系統(tǒng)。仿真預(yù)測(cè)類首先通過歷史數(shù)據(jù)分析和處理，提取工時(shí)影響因素，建立工時(shí)預(yù)測(cè)算法，并將預(yù)測(cè)結(jié)果反饋給可視化監(jiān)控類進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，同時(shí)工時(shí)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作為參數(shù)驅(qū)動(dòng)車間仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真評(píng)估。通過UOB的分解可以將車間仿真預(yù)測(cè)建模這一過程細(xì)化為歷史數(shù)據(jù)采集、工時(shí)預(yù)測(cè)建模、仿真評(píng)估、看板數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)5個(gè)子過程。車間歷史數(shù)據(jù)主要用于工時(shí)預(yù)測(cè)模型中工時(shí)影響因素的特征提取和預(yù)測(cè)算法的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，基于加工歷史數(shù)據(jù)對(duì)工時(shí)影響因素進(jìn)行量化分析，構(gòu)建工時(shí)預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工工時(shí)預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建車間仿真模型并以工時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，對(duì)車間運(yùn)行狀態(tài)重要指標(biāo)進(jìn)行量化和評(píng)估，最后通過車間全局看板展示工時(shí)預(yù)測(cè)信息和仿真評(píng)估信息，如圖17所示。

圖16 車間運(yùn)行狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)子系統(tǒng)Fig.16 Simulation and prediction subsystem for workshop operation status

圖17 車間運(yùn)行狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)看板Fig.17 Simulation and prediction panel for workshop operation status

4 結(jié)論

車間數(shù)字孿生模型構(gòu)建是在信息世界對(duì)物理車間從功能、信息、過程、本體4個(gè)方面進(jìn)行建模，描述制造車間的幾何模型、運(yùn)行邏輯、動(dòng)作狀態(tài)、仿真預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理車間行為、狀態(tài)和性能的模擬和仿真。建立一種基于IDEF的四維度加工車間數(shù)字孿生模型，提出從功能模型、信息模型、過程模型和本體模型4個(gè)維度構(gòu)建車間數(shù)字孿生模型，建立了加工車間的四維度數(shù)字孿生模型，提高了數(shù)字孿生車間建模語義一致性、可重用性、結(jié)構(gòu)化和開發(fā)的自動(dòng)化程度。

（1）利用IDEF0，通過功能分解、功能之間關(guān)系的分類對(duì)車間數(shù)字孿生模型功能進(jìn)行分析與描述，將車間數(shù)字孿生模型按功能分為車間靜態(tài)建模、車間可視化監(jiān)控、車間仿真預(yù)測(cè)3個(gè)模塊。

（2）利用IDEF1x描述了車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程中的重要信息，結(jié)合車間數(shù)據(jù)需求分析、概念模型設(shè)計(jì)、車間運(yùn)行邏輯和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分析對(duì)制造車間的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化與規(guī)程化建模表達(dá)。

（3）利用IDEF3，以車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)流動(dòng)過程為核心準(zhǔn)確描述了車間過程變化和狀態(tài)轉(zhuǎn)移。在信息建模和過程建模的基礎(chǔ)上，用圖形化語言將制造車間實(shí)際生產(chǎn)過程中事件發(fā)生和狀態(tài)改變的優(yōu)先級(jí)和因果關(guān)系進(jìn)行了描述與記錄。

（4）利用IDEF5獲取車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程本體模型的概念、術(shù)語和關(guān)系，通過車間數(shù)字孿生模型運(yùn)行過程本體建模采集事實(shí)和獲取知識(shí)，構(gòu)建了運(yùn)行過程本體的核心模型。