林曉清

(武漢理工大學(xué) 圖書館，湖北 武漢 430070)

智能制造的概念是由美國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)未來發(fā)展的重要趨勢[2]。智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，不斷自行升級優(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)帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)[3]。從20世紀(jì)中葉到90年代中期，信息化表現(xiàn)為以計算、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年代中期開始，互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及應(yīng)用，信息化進(jìn)入了以萬物互聯(lián)為主要特征的網(wǎng)絡(luò)化階段[4]；當(dāng)前，在大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(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。各制造大國也緊跟時代潮流，紛紛推出了國家層面的先進(jìn)制造戰(zhàn)略，如美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[6]，德國工業(yè)4.0[7]，中國制造 2025 和“互聯(lián)網(wǎng)+制造”等。美國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、自動化的傳感器等新一代信息技術(shù)都來源于美國[8]。

智能制造是“中國制造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)計過程、制造過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，數(shù)字孿生在越來越多的工業(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；美國國防部將數(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)字孿生理念對某公司汽車混流裝配線進(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]：①利用計算機(jī)技術(shù)建立的虛擬模型是對物理對象的真實(shí)映射，并對物理對象的各類數(shù)據(jù)實(shí)時感知并集成融合；②通過參與物理對象的全生命周期，不斷積累相關(guān)信息，并與其共同進(jìn)化；③虛擬空間的數(shù)字化模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)中的物理對象準(zhǔn)確描述，而且能夠控制物理對象的運(yùn)行過程，孿生數(shù)據(jù)能夠促使物理對象不斷優(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；虛擬工廠是通過計算機(jī)技術(shù)建立起來的數(shù)字化模型，反映物理工廠的一切生產(chǎn)活動，負(fù)責(zé)對物理工廠的生產(chǎn)活動進(jìn)行仿真和優(yōu)化，并對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與調(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。

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

針對混流裝配線運(yùn)行機(jī)制復(fù)雜問題，采用仿真手段進(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，確定場地、物料等約束條件；再通過傳感器等實(shí)時感知物理工廠內(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；虛擬工廠對物理工廠實(shí)時監(jiān)控，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對物理工廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控。

圖3 數(shù)字孿生與工廠融合的主要系統(tǒng)組成

下面的案例是通過對某公司汽車混流裝配線的調(diào)研，基于數(shù)字孿生理念，對這條生產(chǎn)線生產(chǎn)過程分析并進(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)建各工站的動態(tài)模型，分析整個工段運(yùn)行狀態(tài)，對員工作業(yè)、物料配送進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果生成的數(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)過程；同時物理汽車裝配線產(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

通過對生產(chǎn)線現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地測繪，利用Sketchup的線條、圓弧、推拉、路徑跟隨等工具，可實(shí)現(xiàn)對物體的幾何建模。生產(chǎn)線旁料架、生產(chǎn)線旁布局的實(shí)物與3D建模對比圖如圖4和圖5所示。

圖4 料架實(shí)物與3D模型對比圖

圖5 生產(chǎn)線旁布局對比圖

3.2.2 混流裝配線動態(tài)建模

使用Flexsim建立一個真實(shí)系統(tǒng)的3D計算機(jī)數(shù)字孿生模型，用更短的時間、更低的成本來研究系統(tǒng)。通過創(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

通過靜態(tài)建模和動態(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。通過對仿真運(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)行時間為一個班次，每班次的工作時間為10 h，即將單次仿真的終止時間設(shè)置為36 000 s。

對于混流裝配線，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)時消耗狀況。仿真運(yùn)行36 000 s后，通過Flexsim的Dashboard和統(tǒng)計與報告等功能實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線實(shí)時數(shù)據(jù)的監(jiān)測與統(tǒng)計分析。

(1)操作員實(shí)時狀態(tài)分析。通過圖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)荷波動大，生產(chǎn)線平衡狀況差。

圖7 操作員實(shí)時狀態(tài)

圖8 操作員狀態(tài)平衡墻

(2)物料實(shí)時消耗分析。由圖9可知，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。

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)排序時不能長時間連續(xù)排產(chǎn)CN112、CN180S兩種車型。

圖9 物料消耗統(tǒng)計結(jié)果

3.3 數(shù)字孿生與汽車裝配線融合結(jié)果

汽車裝配線的生產(chǎn)要素數(shù)字信息可以通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時上傳到虛擬汽車裝配線，虛擬裝配線根據(jù)實(shí)時數(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實(shí)時的信息交互不斷進(jìn)化，使整個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)通過對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。