基于數(shù)字孿生理念的智能工廠與案例分析

1、 基于數(shù)字孿生理念的智能工廠與案例分析 導(dǎo)語(yǔ)在“中國(guó)制造2025”大戰(zhàn)略背景下，結(jié)合和使用新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界互聯(lián)互通與融合是智能制造得以實(shí)現(xiàn)的核心問(wèn)題之一。針對(duì)這一問(wèn)題，基于數(shù)字孿生理念，闡述了數(shù)字孿生與現(xiàn)代工廠的融合方法，整合了數(shù)字孿生與工廠融合后系統(tǒng)組成和它所具備的特點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際的案例分析，為數(shù)字孿生理念的實(shí)踐提供了借鑒。智能制造的概念是由美國(guó)的懷特教授和布恩教授在20世紀(jì)80年代首次提出1。智能制造技術(shù)是世界制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)2。智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，不斷自行升級(jí)優(yōu)化的信息化制造。信息化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，給現(xiàn)有的制造業(yè)帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)3。從2

2、0世紀(jì)中葉到90年代中期，信息化表現(xiàn)為以計(jì)算、通訊和控制應(yīng)用為主要特征的數(shù)字化階段；從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及應(yīng)用，信息化進(jìn)入了以萬(wàn)物互聯(lián)為主要特征的網(wǎng)絡(luò)化階段4；當(dāng)前，在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集群突破、融合應(yīng)用的基礎(chǔ)上5，人工智能實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性突破，信息化進(jìn)入了以新一代人工智能技術(shù)為主要特征的智能化階段。各制造大國(guó)也緊跟時(shí)代潮流，紛紛推出了國(guó)家層面的先進(jìn)制造戰(zhàn)略，如美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)5，德國(guó)工業(yè)4.07，中國(guó)制造2025和“互聯(lián)網(wǎng)+制造”等。美國(guó)在智能化方面一直處于世界領(lǐng)先地位，智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)以及多功能、自動(dòng)化的傳感器等新一代信息技術(shù)都來(lái)源于美國(guó)8。智能制造是“

3、中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略背景下的主攻方向9。如何在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能化的感知、人機(jī)交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程和制造裝備智能化，打造真正的智能工廠10，實(shí)現(xiàn)智能制造和生產(chǎn)。近些年來(lái)，數(shù)字孿生在越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域得以運(yùn)用。陶飛等11根據(jù)數(shù)字孿生理念提出了數(shù)字孿生車間；美國(guó)國(guó)防部將數(shù)字孿生理念引入到航空航天領(lǐng)域12；PTC公司則基于數(shù)字孿生理念運(yùn)用于產(chǎn)品售后服務(wù)與支持，為客戶帶來(lái)更好的售后體驗(yàn)13。數(shù)字孿生雖然在一些領(lǐng)域有一定的運(yùn)用，但很多相關(guān)研究還只是停留在理論層面，實(shí)際運(yùn)用案例很少。筆者根據(jù)數(shù)字孿生理念對(duì)某公司汽車混流裝

4、配線進(jìn)行規(guī)劃，闡述了數(shù)字孿生在汽車裝配工廠中運(yùn)用的具體步驟與數(shù)據(jù)分析結(jié)果。將數(shù)字孿生的理念與實(shí)踐相結(jié)合，為人們繼續(xù)深入研究數(shù)字孿生提供參考依據(jù)。1數(shù)字孿生與智能工廠1.1 數(shù)字孿生數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)如下14：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的虛擬模型是對(duì)物理對(duì)象的真實(shí)映射，并對(duì)物理對(duì)象的各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知并集成融合；通過(guò)參與物理對(duì)象的全生命周期，不斷積累相關(guān)信息，并與其共同進(jìn)化；虛擬空間的數(shù)字化模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)中的物理對(duì)象準(zhǔn)確描述，而且能夠控制物理對(duì)象的運(yùn)行過(guò)程，孿生數(shù)據(jù)能夠促使物理對(duì)象不斷優(yōu)化，直到最優(yōu)。數(shù)字孿生連接物理空間與信息空間的方式如圖1所示。圖1 數(shù)字孿生理念示意圖1.2 數(shù)字孿生與現(xiàn)代工廠的融合物

5、理工廠與虛擬工廠基于數(shù)字孿生的理念，以數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)為媒介，實(shí)現(xiàn)雙向真實(shí)映射與實(shí)時(shí)交互，打通物理世界和信息世界之間的桎梏，實(shí)現(xiàn)物理工廠與虛擬工廠的融合并產(chǎn)生孿生數(shù)據(jù)，在孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)工廠的全生產(chǎn)要素在物理工廠、虛擬工廠、工廠服務(wù)系統(tǒng)間的迭代運(yùn)行，最終使物理工廠不斷得到進(jìn)化，直到工廠生產(chǎn)和管控達(dá)到最優(yōu)的一種工廠運(yùn)行新模式。物理工廠和虛擬工廠交互融合示意圖如圖2所示。圖 2 物理工廠和虛擬工廠交互融合示意圖2數(shù)字孿生系統(tǒng)的組成數(shù)字孿生和工廠融合的主要系統(tǒng)組成如圖3所示。物理工廠是物理空間內(nèi)工廠的所有生產(chǎn)要素的總和，它是為了完成生產(chǎn)任務(wù)的客觀存在；虛擬工廠是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)建立起來(lái)的數(shù)字化模型，

6、反映物理工廠的一切生產(chǎn)活動(dòng)，負(fù)責(zé)對(duì)物理工廠的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控；CPS(cyber physical system)作為一套綜合技術(shù)體系，在智能工廠建設(shè)過(guò)程中為狀態(tài)感知-數(shù)據(jù)分析-資源決策-規(guī)劃執(zhí)行提供技術(shù)支持，協(xié)助構(gòu)建物理空間與信息空間各要素相互映射、實(shí)時(shí)交互、高效協(xié)同、共同進(jìn)化的復(fù)雜系統(tǒng)，尋找工廠內(nèi)資源配置的最優(yōu)解；工廠孿生數(shù)據(jù)是物理工廠、虛擬工廠和工廠服務(wù)系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，它是隨著智能工廠不斷進(jìn)化的。圖3 數(shù)字孿生與工廠融合的主要系統(tǒng)組成3數(shù)字孿生與工廠融合運(yùn)用案例3.1 數(shù)字孿生理念與汽車混流裝配線融合的方法針對(duì)混流裝配線運(yùn)行機(jī)制復(fù)雜問(wèn)題，采用仿真手段

7、進(jìn)行分析，先是基于Sketchup構(gòu)建靜態(tài)3D模型，還原生產(chǎn)線環(huán)境，確定場(chǎng)地、物料等約束條件；再通過(guò)傳感器等實(shí)時(shí)感知物理工廠內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并上傳至虛擬工廠進(jìn)行仿真和迭代優(yōu)化；虛擬工廠對(duì)物理工廠實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)物理工廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控。下面的案例是通過(guò)對(duì)某公司汽車混流裝配線的調(diào)研，基于數(shù)字孿生理念，對(duì)這條生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程分析并進(jìn)行規(guī)劃，把裝配線與數(shù)字孿生理念融合。在案例中僅以內(nèi)飾、底盤、終一、終二工段進(jìn)行分析，以下是數(shù)字孿生理念與汽車混流裝配線的融合采取的方法和步驟。根據(jù)實(shí)際作業(yè)流程，構(gòu)建各工站的動(dòng)態(tài)模型，分析整個(gè)工段運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)員工作業(yè)、物料配送進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果生成

8、的數(shù)據(jù)與物理汽車裝配線建立聯(lián)系，指導(dǎo)物理裝配線的生產(chǎn)過(guò)程；同時(shí)物理汽車裝配線產(chǎn)生的感知數(shù)據(jù)上傳到虛擬汽車裝配線進(jìn)行仿真模擬，產(chǎn)生數(shù)據(jù)。二者數(shù)據(jù)不斷交互，共同進(jìn)化。物理裝配線和虛擬裝配線二者數(shù)據(jù)交互的本質(zhì)是建立起與信息世界的聯(lián)系。3.2 虛擬汽車裝配線建立的步驟3.2.1 混流裝配線靜態(tài)建模通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪，利用Sketchup的線條、圓弧、推拉、路徑跟隨等工具，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的幾何建模。生產(chǎn)線旁料架、生產(chǎn)線旁布局的實(shí)物與3D建模對(duì)比圖如圖4和圖5所示。圖 4 料架實(shí)物與3D模型對(duì)比圖圖5 生產(chǎn)線旁布局對(duì)比圖3.2.2 混流裝配線動(dòng)態(tài)建模使用Flexsim建立一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的3D計(jì)算機(jī)數(shù)

9、字孿生模型，用更短的時(shí)間、更低的成本來(lái)研究系統(tǒng)。通過(guò)創(chuàng)建實(shí)體、實(shí)體連接、參數(shù)設(shè)置、可視化仿真，為后面數(shù)字孿生分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。3.2.3 基于Flexsim的混流裝配線仿真通過(guò)靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)建模，以完成各工段仿真模型的建立。Flexsim的仿真流程如圖6所示。通過(guò)對(duì)仿真運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而指導(dǎo)裝配線并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。圖6 Flexsim仿真流程圖本次仿真運(yùn)行時(shí)間為一個(gè)班次，每班次的工作時(shí)間為10h，即將單次仿真的終止時(shí)間設(shè)置為36000s。對(duì)于混流裝配線，主要研究裝配線平衡和投產(chǎn)排序。裝配線平衡主要研究各工位作業(yè)時(shí)間，而汽車總裝以人工裝配為主，反映在Flexsim仿真中即各工位操作員的作

10、業(yè)狀態(tài)；投產(chǎn)排序?qū)ρb配線的影響，主要為各工位的作業(yè)負(fù)荷和線旁物料的消耗，反映在Flexsim仿真中即為各工位操作員的作業(yè)狀態(tài)和暫存區(qū)物料的實(shí)時(shí)消耗狀況。仿真運(yùn)行36000s后，通過(guò)Flexsim的Dashboard和統(tǒng)計(jì)與報(bào)告等功能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析。(1)操作員實(shí)時(shí)狀態(tài)分析。通過(guò)圖7可知，B073L_2，B073R_1，B073R_2，B075L_1，B075R_1等工位操作員的空閑率較低，作業(yè)強(qiáng)度大，且取料、步行時(shí)間占比較大，為瓶頸工位。由圖8可知，這些瓶頸工位作業(yè)負(fù)荷波動(dòng)大，生產(chǎn)線平衡狀況差。圖7 操作員實(shí)時(shí)狀態(tài)圖8 操作員狀態(tài)平衡墻(2)物料實(shí)時(shí)消耗分析。由圖9可知，

11、生產(chǎn)線總共上線車輛為372輛，裝配完畢下線的車輛為366輛，有6輛車停留在生產(chǎn)線上。其中，車型1(CN112)生產(chǎn)和車型2(CN113)生產(chǎn)各123輛，車型3(CN180S)生產(chǎn)120輛。圖9 物料消耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果另外，由圖9可知，物料B073L_2_9053315(前地板孔蓋)消耗量最大為494；其次為物料B073L_2_24542553(尾門內(nèi)板孔塞)、B073R_1_23933512(導(dǎo)向環(huán)蓋)、B077R_2_23934016(導(dǎo)向環(huán)蓋)消耗量為246；其他物料消耗較均衡為123。為緩解物料供應(yīng)壓力，投產(chǎn)排序時(shí)不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)排產(chǎn)CN112、CN180S兩種車型。3.3 數(shù)字孿生與汽車裝配線

12、融合結(jié)果汽車裝配線的生產(chǎn)要素?cái)?shù)字信息可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳到虛擬汽車裝配線，虛擬裝配線根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模擬汽車裝配線實(shí)際的運(yùn)作情況進(jìn)行仿真優(yōu)化，并實(shí)時(shí)調(diào)控實(shí)際汽車裝配線的運(yùn)作，實(shí)際汽車裝配線與虛擬汽車裝配線通過(guò)實(shí)時(shí)的信息交互不斷進(jìn)化，使整個(gè)汽車裝配線的效益最大化。4總結(jié)(1)物理世界和信息世界的聯(lián)通與融合是智能制造可以廣泛應(yīng)用的桎梏。數(shù)字孿生是連接物理世界與信息世界的通道。(2)數(shù)字孿生與現(xiàn)代工廠的融合，打通了物理世界與信息世界的通道。根據(jù)物理工廠建立虛擬工廠，實(shí)現(xiàn)物理工廠與虛擬工廠(信息世界)的信息互聯(lián)與共享，二者并行存在，共同進(jìn)化。(3)通過(guò)對(duì)某汽車混流裝配線智能制造案例的分析，得出了數(shù)字孿生

13、與裝配線融合的方法，為數(shù)字孿生的實(shí)踐運(yùn)用提供了參考。參考文獻(xiàn)：1 于濟(jì)群.智能制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J.機(jī)械裝備研發(fā),2019(3):147-154.2 任杉,張映鋒,黃彬彬.生命周期大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜產(chǎn)品智能制造服務(wù)新模式研究J.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2019,54(22):194-203.3 陶飛,戚慶林.面向服務(wù)的智能制造J.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2018,54(16):11-23.4 屈挺,張凱,羅浩,等.物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的“生產(chǎn)-物流”動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)機(jī)制、系統(tǒng)及案例J.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,51(20):36-44.5 Tao F,Zhang L,Venkatesh V,et al.Cloud Manuf

14、acturing:A Computing and Service oriented Manufacturing ModelJ.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B.Journal of EngineeringManufacture,2011,225(10):1969-1976.6 Annunziata M,Evans P.Industrial Internet:Pushingthe Boundaries of Minds and MachinesJ.GeneralElectric,2012(1-2):1-23

15、.7 Kagermann H，Helbig J，Hellinger A，et al.Recommendations for Implementing the Strategic InitiativeINDUSTRIE 4.0:Securing the Future of German Manufacturing Industry; Final eport of the Industrie 4.0Working GroupM.Berlin: Forschungsunion,2013.8 王欣.智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析J.山東工業(yè)技術(shù),2019(9):46.9 國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì).

16、智能制造M.北京:電子工業(yè)出版社,2019.10 馬杰,姚波,李勇.智能制造工廠模型J.制造業(yè)自動(dòng)化,2019,41(6):48-53.11 陶飛,張萌,程江峰,等.數(shù)字孿生車間一種未來(lái)車間運(yùn)行新模式J.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2017,23(1):1-9.12 Tuegel E J,Ingraffea A ,Eason T G,et al.Reengineering Aircraft Structural Life Prediction Using aDigital TwinJ.International Journal of AerospaceEngineering,2011,2011:1-14.13 Pardon.Di