「 1. 數字孿生車間概念模型 」

數字孿生車間（digital twin shop-floor, DTS）的(de)概念模型如圖1所示，包括物(wù)理(lǐ)車間（physical shop-floor, PS）、虛拟車間（virtual shop-floor, VS）、車間服務系統（shop-floor service system, SSS）、車間孿生數據（shop-floor digital twin data, SDTD）、連接（connection, CN）。

圖1 DTS概念模型^[1]

PS是車間客觀存在的(de)生産設備、人(rén)員(yuán)、産品、物(wù)料等實體的(de)集合，主要負責接收SSS下(xià)達的(de)生産任務，并嚴格按照(zhào)VS仿真優化(huà)後的(de)預定義的(de)生産指令，執行生産活動并完成生産任務。PS的(de)設備、人(rén)員(yuán)、産品、物(wù)料等生産要素的(de)實時(shí)狀态數據可(kě)通(tōng)過各類傳感器進行有效采集。由于這(zhè)些數據來(lái)自不同數據源，存在數據結構不同、接口不同、語義各異等問題，因此，爲了(le)實現對(duì)多(duō)源異構數據的(de)統一接入，需要一套标準的(de)接口與協議(yì)轉換裝置。^[2]

VS是PS的(de)忠實完全數字化(huà)鏡像，從幾何、物(wù)理(lǐ)、行爲、規則多(duō)個(gè)層面對(duì)PS進行描述與刻畫(huà)，主要負責對(duì)PS的(de)生産資源與生産活動進行仿真、評估及優化(huà)，并對(duì)實際生産過程進行實時(shí)監測、預測與調控等。VS本質上是由多(duō)個(gè)幾何、物(wù)理(lǐ)、行爲及規則模型構成的(de)模型集合，能夠對(duì)PS進行全面地多(duō)維度描述與刻畫(huà)。根據數字孿生3層結構^[3]，VS中包括人(rén)員(yuán)、設備、工具等單個(gè)生産要素的(de)單元級模型，由多(duō)個(gè)生産要素單元級模型構成的(de)系統級産線模型，以及包括多(duō)個(gè)系統級産線模型及模型間交互與耦合關系的(de)複雜(zá)系統級車間模型。

SDTD是PS、VS、SSS相關數據、領域知識，以及通(tōng)過數據融合産生的(de)衍生數據的(de)集合，是PS、VS、SSS運行交互與叠代優化(huà)的(de)驅動。融合數據是SDTD的(de)重要組成部分(fēn)，是通(tōng)過特定的(de)規則将來(lái)自物(wù)理(lǐ)和(hé)信息空間的(de)數據聚合在一起得(de)到的(de)。其中，物(wù)理(lǐ)空間的(de)數據主要指PS相關數據，這(zhè)些數據是物(wù)理(lǐ)實體産生的(de)真實數據；信息空間的(de)數據主要指VS相關數據和(hé)SSS相關數據，這(zhè)些數據不是從物(wù)理(lǐ)空間直接采集得(de)到的(de)，而是在物(wù)理(lǐ)數據的(de)基礎上，利用(yòng)信息空間模型仿真、算(suàn)法推演、系統衍生等過程得(de)到的(de)，是對(duì)物(wù)理(lǐ)數據的(de)補充。

SSS是數據驅動的(de)各類服務功能的(de)集合或總稱，它将DTS運行過程中所需數據、模型、算(suàn)法、仿真、結果進行服務化(huà)封裝，形成支持DTS管控與優化(huà)的(de)功能性與業務******。SSS的(de)運行過程包括子服務封裝、需求解析、服務組合及服務應用(yòng)。^[1]

CN實現DTS各部分(fēn)的(de)互聯互通(tōng)，它包括PS和(hé)SDTD的(de)連接（CN_PD）、PS和(hé)VS的(de)連接（CN_PV）、PS和(hé)SSS的(de)連接（CN_PS）、VS和(hé)SDTD的(de)連接（CN_VD）、VS和(hé)SSS的(de)連接（CN_VS）、SSS和(hé)SDTD的(de)連接（CN_SD）。

「 2. 數字孿生車間運行機制 」

下(xià)面從DTS的(de)生産要素管理(lǐ)、生産活動計劃、生産過程控制3個(gè)方面闡述DTS的(de)叠代優化(huà)機制，如圖2所示。其中，基于PS與SSS的(de)交互，可(kě)實現對(duì)生産要素管理(lǐ)的(de)叠代優化(huà)；基于SSS與VS的(de)交互，可(kě)實現對(duì)生産計劃的(de)叠代優化(huà)；基于PS與VS的(de)交互，可(kě)實現對(duì)生産過程控制的(de)叠代優化(huà)。

圖2 數字孿生車間運行機制^[1]

圖2中階段①是對(duì)生産要素管理(lǐ)的(de)叠代優化(huà)過程，反映了(le)DTS中PS與SSS的(de)交互過程，其中SSS起主導作用(yòng)。當DTS接到一個(gè)輸入（如生産任務）時(shí)，SSS中的(de)各類服務在SDTD中的(de)生産要素管理(lǐ)數據及其他(tā)關聯數據的(de)驅動下(xià)，根據生産任務對(duì)生産要素進行管理(lǐ)及配置，得(de)到滿足任務需求及約束條件的(de)初始資源配置方案。SSS獲取PS的(de)人(rén)員(yuán)、設備、物(wù)料等生産要素的(de)實時(shí)數據，對(duì)要素的(de)狀态進行分(fēn)析、評估及預測，并據此對(duì)初始資源配置方案進行修正與優化(huà)，将方案以管控指令的(de)形式下(xià)達至PS。PS在管控指令的(de)作用(yòng)下(xià)，将各生産要素調整到适合的(de)狀态，并在此過程中不斷将實時(shí)數據發送至SSS進行評估及預測，當實時(shí)數據與方案有沖突時(shí)，SSS再次對(duì)方案進行修正，并下(xià)達相應的(de)管控指令。如此反複叠代，直至對(duì)生産要素的(de)管理(lǐ)最優。基于以上過程，階段①最終得(de)到初始的(de)生産計劃/活動。階段①産生的(de)數據全部存入SDTD，并與現有的(de)數據融合，作爲後續階段的(de)數據基礎與驅動。

圖2中階段②是對(duì)生産計劃的(de)叠代優化(huà)過程，反映了(le)DTS中SSS與VS的(de)交互過程，在該過程中，VS起主導作用(yòng)。VS接收階段①生成的(de)初始的(de)生産計劃/活動，在SDTD中的(de)生産計劃及仿真分(fēn)析結果數據、生産的(de)實時(shí)數據以及其他(tā)關聯數據的(de)驅動下(xià)，基于幾何、物(wù)理(lǐ)、行爲及規則模型等對(duì)生産計劃進行仿真、分(fēn)析及優化(huà)。VS将以上過程中産生的(de)仿真分(fēn)析結果反饋至SSS，SSS基于這(zhè)些數據對(duì)生産計劃做(zuò)出修正及優化(huà)，并再次傳至VS。如此反複叠代，直至生産計劃最優。基于以上過程，階段②得(de)到優化(huà)後的(de)預定義的(de)生産計劃，并基于該計劃生成生産過程運行指令。階段②中産生的(de)數據全部存入SDTD，與現有數據融合後作爲後續階段的(de)驅動。

圖2中階段③是對(duì)生産過程的(de)實時(shí)叠代優化(huà)過程，反映了(le)DTS中PS與VS的(de)交互過程，其中PS起主導作用(yòng)。PS接收階段②的(de)生産過程運行指令，按照(zhào)指令組織生産。在實際生産過程中，PS将實時(shí)數據傳至VS，VS根據PS的(de)實時(shí)狀态對(duì)自身進行狀态更新，并将PS的(de)實際運行數據與預定義的(de)生産計劃數據進行對(duì)比。若二者數據不一緻，VS對(duì)PS的(de)擾動因素進行辨識，并通(tōng)過模型校正與PS保持一緻。VS基于實時(shí)仿真數據、實時(shí)生産數據、曆史生産數據等數據從全要素、全流程、全業務的(de)角度對(duì)生産過程進行評估、優化(huà)及預測等，并以實時(shí)調控指令的(de)形式作用(yòng)于PS，對(duì)生産過程進行優化(huà)控制。如此反複叠代，實現生産過程最優。該階段産生的(de)數據存入SDTD，與現有數據融合後作爲後續階段的(de)驅動。

通(tōng)過階段①②③的(de)叠代優化(huà)，SDTD被不斷更新與擴充，DTS也(yě)在不斷進化(huà)和(hé)完善。

「 3. 數字孿生車間的(de)特點 」

DTS特點主要包括4個(gè)方面。

1）虛實映射

DTS虛實映射的(de)特點主要體現在兩個(gè)方面。

(1）PS與VS是雙向真實映射的(de)。首先，VS通(tōng)過數據實時(shí)更新與模型校正，實現與PS不斷從不一緻到一緻的(de)共同進化(huà)。其次，PS忠實地再現VS定義的(de)生産過程，嚴格按照(zhào)VS定義的(de)生産過程以及仿真和(hé)優化(huà)的(de)結果進行生産，使得(de)生産過程不斷得(de)到優化(huà)。

(2）PS與VS是實時(shí)交互的(de)。在DTS運行過程中，PS的(de)所有數據會被實時(shí)感知并傳送給VS。VS根據實時(shí)數據對(duì)PS的(de)運行狀态進行仿真優化(huà)分(fēn)析，并對(duì)PS進行實時(shí)的(de)調控。通(tōng)過PS與VS的(de)實時(shí)交互，二者能夠及時(shí)地掌握彼此的(de)動态變化(huà)并實時(shí)地做(zuò)出響應，生産過程不斷地得(de)到優化(huà)。

2）數據驅動

SSS、PS和(hé)VS以SDTD爲基礎，通(tōng)過數據驅動實現自身的(de)運行以及兩兩之間的(de)交互。

（1）對(duì)于SSS：首先，PS的(de)實時(shí)狀态數據驅動SSS對(duì)生産要素配置進行優化(huà)，并生成初始的(de)生産計劃。随後，初始的(de)生産計劃交給VS進行仿真和(hé)驗證。在VS仿真數據的(de)驅動下(xià)，SSS反複地調整、優化(huà)生産計劃直至最優。

（2）對(duì)于PS：SSS生成最優生産計劃後，将計劃以生産過程運行指令的(de)形式下(xià)達至PS。PS的(de)各要素在指令數據的(de)驅動下(xià)，将各自的(de)參數調整到适合的(de)狀态，并開始生産。在生産過程中，VS實時(shí)地監控PS的(de)運行狀态，在VS反饋數據的(de)驅動下(xià)，PS優化(huà)生産過程。

（3）對(duì)于VS：在産前階段，VS接收來(lái)自SSS的(de)生産計劃數據，并在生産計劃數據的(de)驅動下(xià)仿真并優化(huà)整個(gè)生産過程，實現對(duì)資源的(de)最優利用(yòng)。在生産過程中，在PS實時(shí)運行數據的(de)驅動下(xià)，VS不斷校正與更新，實現對(duì)模型的(de)叠代優化(huà)與進化(huà)。

3）全要素、全流程、全業務集成與融合

DTS的(de)集成與融合可(kě)體現在以下(xià)3個(gè)方面。

（1）車間全要素的(de)集成與融合：在DTS中，通(tōng)過物(wù)聯網、互聯網、務聯網等信息手段，PS的(de)人(rén)員(yuán)、設備、物(wù)料、環境等生産要素數據被全面接入信息世界，實現了(le)彼此間的(de)互聯互通(tōng)和(hé)數據共享。更重要的(de)是，在全面的(de)生産要素數據的(de)驅動下(xià)，VS與SSS的(de)仿真、評估及分(fēn)析功能能夠在考慮其他(tā)要素狀态的(de)同時(shí)優化(huà)各要素行爲，從而支持要素間的(de)聯動和(hé)優化(huà)組合，保證生産的(de)順利進行。

（2）車間全流程的(de)集成與融合：在生産過程中，PS生産的(de)所有環節與流程（如生産、裝配、清洗、檢驗）數據被實時(shí)監控。在DTS環境下(xià)，通(tōng)過關聯、組合、加權平均等操作，這(zhè)些數據在一定準則下(xià)被加以自動分(fēn)析、評估、綜合，從而支持各環節間的(de)交互、集成及協作。

（3）車間全業務的(de)集成與融合：由于DTS中SSS、VS和(hé)PS之間通(tōng)過數據交互形成了(le)一個(gè)整體，因此，車間中的(de)各種業務（如生産資源配置、生産計劃生成、生産過程控制等）彼此緊密關聯，通(tōng)過SDTD實現數據共享，消除信息孤島，從而在整體上提高(gāo)DTS的(de)效率。

4）叠代運行與優化(huà)

在DTS中，PS、VS以及SSS兩兩之間不斷交互，叠代優化(huà)。

（1）SSS與PS之間通(tōng)過數據雙向驅動、叠代運行，使得(de)生産要素管理(lǐ)最優。SSS根據生産任務産生資源配置方案，并根據PS生産要素的(de)實時(shí)狀态對(duì)其進行優化(huà)與調整。在此叠代過程中，生産要素得(de)到最優的(de)管理(lǐ)及配置，并生成初始生産計劃。

（2）SSS和(hé)VS之間通(tōng)過循環驗證、叠代優化(huà)，達到生産計劃最優。在生産執行之前，SSS将生産任務和(hé)生産計劃交給VS進行仿真和(hé)優化(huà)。然後，VS将仿真和(hé)優化(huà)的(de)結果反饋至SSS，SSS對(duì)生産計劃進行修正及優化(huà)。此過程不斷叠代，直至生産計劃達到最優。

（3）PS與VS之間通(tōng)過虛實映射、實時(shí)交互，使得(de)生産過程最優。在生産過程中，VS實時(shí)地監控PS的(de)運行，根據PS的(de)實時(shí)狀态生成優化(huà)方案并反饋指導PS的(de)生産。在此叠代優化(huà)中，生産過程以最優的(de)方案進行直至生産結束。

DTS在以上3種叠代優化(huà)中得(de)到持續的(de)優化(huà)與完善。

「 4. 數字孿生車間關鍵技術 」

如圖3所示，DTS的(de)關鍵技術依據其主要系統組成分(fēn)爲6大(dà)類。

（1）PS“人(rén)-機-物(wù)-環境”共融技術。主要包括：①多(duō)源異構數據封裝技術；②多(duō)源異構數據預處理(lǐ)技術；③異構制造資源感知接入技術與裝置研制；④多(duō)源異構傳感器協同測量及優化(huà)布局技術；⑤多(duō)源異構數據通(tōng)訊與發布技術；⑥異構制造資源分(fēn)布式協同控制技術；⑦邊緣端部署與邊緣計算(suàn)技術等。

（2）VS構建、仿真運行及驗證技術。主要包括：①VS建模技術，如車間“要素－行爲－規則”多(duō)維多(duō)尺度建模與仿真技術；②多(duō)維多(duō)尺度模型集成與融合技術；③VS運行機理(lǐ)及演化(huà)規律；④多(duō)維多(duō)尺度模型驗證技術；⑤模型運行與管理(lǐ)技術；⑥車間VR和(hé)AR應用(yòng)技術等。

（3）SDTD構建與管理(lǐ)技術。主要包括：①多(duō)類型、多(duō)時(shí)間尺度、多(duō)粒度數據規劃與清洗技術；②數據級、特征級、決策級數據融合技術；③數據分(fēn)布式存儲技術；④數據使用(yòng)與維護技術；⑤數據測試技術；⑥車間大(dà)數據技術等。

（4）SSS精準服務産生與管理(lǐ)技術。主要包括：①服務封裝技術；②服務優選技術；③供需匹配技術；④服務組合優化(huà)技術；⑤服務QoS評估技術；⑥服務容錯技術；⑦服務維護技術等。

（5）基于CN的(de)雙向交互與互聯互通(tōng)技術。主要包括①異構制造資源協議(yì)解析與數據交互技術；②多(duō)源異構數據映射技術；③多(duō)源異構數據傳輸安全技術；④連接兼容性、可(kě)靠性、敏感性測試技術；⑤系統集成測試技術等。

（6）DTS運行技術。主要包括：①生産要素管理(lǐ)、生産計劃、生産過程等叠代運行與優化(huà)技術；③DTS運行标準、協議(yì)及技術規範等；④DTS設備PHM技術；⑤DTS設備動态調度技術；⑥DTS生産過程參數選擇決策技術；⑦DTS能耗管理(lǐ)與優化(huà)技術等。