趙 林，吳 雙，徐 健，張可義，田 博

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120；3.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)及信息技術(shù)的快速發(fā)展,我國制造業(yè)正大踏步向前邁進(jìn)。制造業(yè)的高速發(fā)展里離不開物流業(yè),作為物流業(yè)不可或缺的組成部分,物流裝備呈現(xiàn)出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展,激烈的競爭、較短的產(chǎn)品開發(fā)周期以及產(chǎn)品和工藝復(fù)雜度日益增加已經(jīng)成為當(dāng)今物流裝備行業(yè)的主要特點[1～3]。為了適應(yīng)行業(yè)特點,物流裝備的開發(fā)需要跨學(xué)科緊密協(xié)同、機(jī)電高度集成、多學(xué)科并行設(shè)計。

數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為產(chǎn)品設(shè)計過程和結(jié)果驗證提供了新的思路。數(shù)字孿生是利用數(shù)字模型在虛擬世界中對物理實體的行為狀態(tài)等進(jìn)行完全映射的一種技術(shù)。在產(chǎn)品設(shè)計方面,陶飛等[4]學(xué)者于2019年提出數(shù)字孿生五維模型的概念并探索了其在十大領(lǐng)域應(yīng)用的思路。李琳利[5]等人研究了數(shù)字孿生在復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用,并提出了機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字孿生多學(xué)科協(xié)同設(shè)計建模參考架構(gòu)。李浩[6]等人提出了數(shù)字孿生在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計制造一體化開發(fā)中環(huán)形設(shè)計框架,并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索。Koo[7]等人研究了數(shù)字孿生分支之一的虛擬調(diào)試技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用,并指出利用虛擬調(diào)試能夠減少75%的實際調(diào)試時間。

本文將數(shù)字孿生的理念引入物流裝備的設(shè)計中,提出一種并行設(shè)計方法。構(gòu)建了物流裝備數(shù)字孿生虛擬模型組成,通過并行設(shè)計方法進(jìn)行數(shù)字孿生建模：在概念設(shè)計階段建立設(shè)備功能模型,基于功能模型并行開展詳細(xì)設(shè)計,實現(xiàn)了物流裝備幾何機(jī)械模型、物理機(jī)械模型、電氣行為模型和運行規(guī)則模型在虛擬空間的全面映射。最后,將該方法應(yīng)用于倉儲物流系統(tǒng)中典型機(jī)電裝備堆垛機(jī)的設(shè)計建模,驗證了該方法的可行性和有效性。

1 物流裝備設(shè)計過程

物流裝備的設(shè)計過程主要包含方案設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計兩個階段,根據(jù)設(shè)計工作學(xué)科屬性的不同,詳細(xì)階段的設(shè)計工作又分為機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計和自動化工程三個階段。

傳統(tǒng)的物流裝備設(shè)計過程中,各階段是順序、串行進(jìn)行的,如圖1所示。由于各階段設(shè)計工作相互獨立,跨學(xué)科協(xié)同程度低,使得設(shè)計問題通常在產(chǎn)品開發(fā)后期跨學(xué)科集成階段才會暴露出來,在這個階段進(jìn)行糾錯,設(shè)計變更多,流程復(fù)雜,還存在返工的風(fēng)險,從而導(dǎo)致設(shè)備開發(fā)周期長、開發(fā)成本高、性能不可控等技術(shù)問題。

圖1 傳統(tǒng)物流裝備設(shè)計過程

本文提出的基于數(shù)字孿生的物流裝備并行設(shè)計方法如圖2所示。在概念方案設(shè)計階段根據(jù)設(shè)計需求進(jìn)行物流裝備功能結(jié)構(gòu)的工作原理方案構(gòu)思和系統(tǒng)求解,通過功能分解方法建立設(shè)備功能模型；基于功能模型并行開展詳細(xì)設(shè)計工作,最終得到機(jī)電集成的設(shè)備數(shù)字孿生模型及自動控制程序。基于設(shè)備數(shù)字孿生模型,可在任意設(shè)計階段根據(jù)功能模型對設(shè)備的關(guān)鍵子功能（關(guān)鍵結(jié)構(gòu)）進(jìn)行跨學(xué)科協(xié)同驗證,提高設(shè)計過程中的協(xié)同性,減少在設(shè)備開發(fā)后期的跨學(xué)科集成階段因機(jī)械結(jié)構(gòu)不合理和控制程序不完善導(dǎo)致的開發(fā)周期延長和開發(fā)成本增加。

圖2 基于數(shù)字孿生的并行設(shè)計過程

2 基于數(shù)字孿生的虛擬設(shè)備模型組成

在進(jìn)行數(shù)字孿生模型的并行設(shè)計之前,需要先明確數(shù)字孿生的虛擬設(shè)備模型組成。本文基于數(shù)字孿生五維模型[4]構(gòu)建了物流裝備的虛擬設(shè)備模型組成。根據(jù)學(xué)科屬性不同,將物流裝備的虛擬設(shè)備模型劃分為三個部分：機(jī)械和運動系統(tǒng)模型、電氣和行為模型以及運行規(guī)則模型,如圖3所示。

圖3 虛擬設(shè)備模型組成

其中,物理和運動系統(tǒng)模型包含設(shè)備主體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸送帶等機(jī)械組件及其相應(yīng)的物理和運動屬性；電氣和行為模型包含驅(qū)動器、傳感器等活動部件及其相應(yīng)的電氣行為屬性等；運行規(guī)則模型則是控制物流裝備自動運行的控制器及控制程序。

通過虛擬設(shè)備模型的構(gòu)建能夠在賽博空間（Cyberspace）中從多物理尺度、多時空尺度對物理設(shè)備進(jìn)行描述與刻畫。

3 基于數(shù)字孿生的并行設(shè)計方法

本文提出的設(shè)計方法支持機(jī)械、電氣和自動化的并行設(shè)計。通過建立設(shè)備功能模型,完成從設(shè)計需求到功能結(jié)構(gòu)的定量描述,為詳細(xì)設(shè)計提供可參考的系統(tǒng)方案。基于設(shè)備功能模型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計,多學(xué)科設(shè)計工作能夠并行開展。利用該方法構(gòu)建與控制器協(xié)同交互并能反應(yīng)物理設(shè)備運行狀態(tài)的設(shè)備數(shù)字孿生模型。通過并行設(shè)計方法能夠有效縮短物流裝備的開發(fā)周期,基于數(shù)字孿生的虛擬測試能夠?qū)崿F(xiàn)在項目實施前對設(shè)計結(jié)果的提前驗證,提高設(shè)計質(zhì)量。

3.1 概念設(shè)計

概念設(shè)計是通過功能分析方法從設(shè)計需求出發(fā)求解滿足產(chǎn)品功能的結(jié)構(gòu)方案解的過程[8]。對于復(fù)雜物流裝備,通常無法直接求得實現(xiàn)總功能的結(jié)構(gòu)方案解。本文采用功能分解樹法建立物流裝備功能-行為-結(jié)構(gòu)（FBS,Function-Behavior-Structure）功能模型。

設(shè)備功能模型構(gòu)建過程如圖4所示：將設(shè)計需求作為輸入,分析得到設(shè)備總功能,利用功能分解樹法將總功能逐級分解為子功能、運行行為描述、功能元等,對各功能元分別求解,并將功能元解進(jìn)行有機(jī)組合最終建立物流裝備功能模型,獲得系統(tǒng)功能的結(jié)構(gòu)方案解。在文獻(xiàn)[9]中對概念設(shè)計過程進(jìn)行了詳細(xì)研究,此處不再贅述。

圖4 功能模型構(gòu)建過程

3.2 基于功能模型的詳細(xì)設(shè)計

基于數(shù)字孿生的詳細(xì)設(shè)計分為三部分：機(jī)械和運動系統(tǒng)模型設(shè)計、電氣和行為模型設(shè)計以及運行規(guī)則模型設(shè)計。

3.2.1 機(jī)械和運動系統(tǒng)模型設(shè)計

機(jī)械和運動系統(tǒng)模型設(shè)計方法如圖5所示,基于功能模型進(jìn)行機(jī)械和運動系統(tǒng)建模,分為幾何機(jī)械模型和物理機(jī)械模型兩個部分：

圖5 機(jī)械和運動系統(tǒng)模型設(shè)計

1）幾何機(jī)械建模：設(shè)備幾何機(jī)械模型通常由設(shè)備供應(yīng)商以二維或三維圖形的方式提供。對于自研機(jī)構(gòu),可以在三維設(shè)計軟件中通過構(gòu)造幾何實體（CSG,Constructive Solid Geometry）的方式構(gòu)建幾何機(jī)械模型。

2）物理機(jī)械建模：物理機(jī)械模型是指包含物理設(shè)備的零部件間的運動副和耦合關(guān)系,還包括設(shè)備材料屬性和可達(dá)的工作范圍等。根據(jù)機(jī)構(gòu)工作原理對前一步建立的設(shè)備幾何機(jī)械模型進(jìn)行基本物理屬性和相對運動關(guān)系的定義建立設(shè)備物理機(jī)械模型。

通過機(jī)械和運動系統(tǒng)建模,得到包含機(jī)械結(jié)構(gòu)和零部件物理運動關(guān)系的機(jī)械學(xué)數(shù)字設(shè)備模型。

3.2.2 電氣和行為模型設(shè)計

在構(gòu)建機(jī)械和運行系統(tǒng)模型的同時,電氣和行為模型的設(shè)計也能根據(jù)功能模型同步進(jìn)行。電氣和行為模型設(shè)計方法如圖6所示,基于設(shè)備將電氣元件三維模型導(dǎo)入設(shè)計軟件中與機(jī)械模型進(jìn)行集成裝配,獲得機(jī)械與電氣協(xié)同集成的虛擬設(shè)備模型。電氣行為模型分為傳感器和執(zhí)行器兩類：

圖6 電氣和行為模型設(shè)計

1）傳感器：根據(jù)傳感器工作原理進(jìn)行觸發(fā)條件的定義,并將傳感器的三維元件模型、行為模型及與控制系統(tǒng)的交互信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)對應(yīng)?；趥鞲衅餍袨榻?設(shè)備數(shù)字模型就能根據(jù)觸發(fā)條件將信號反饋到控制系統(tǒng)；

2）執(zhí)行器：根據(jù)執(zhí)行器驅(qū)動機(jī)構(gòu)工作原理,在相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維模型中對執(zhí)行元件的運動控制參數(shù)進(jìn)行定義,并將與控制系統(tǒng)的交互信號、行為模型和機(jī)械結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)對應(yīng)。通過執(zhí)行器行為建模,設(shè)備數(shù)字模型就能在控制系統(tǒng)輸出信號的驅(qū)動下控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動。

通過電氣與行為建模,將電氣模型與機(jī)械模型關(guān)聯(lián)對應(yīng),得到機(jī)械和電氣協(xié)同集成的數(shù)字設(shè)備模型。

3.2.3 運行規(guī)則模型設(shè)計

物流裝備的運行規(guī)則模型就是驅(qū)動設(shè)備自動運行的控制程序。對于復(fù)雜物流裝備,無法直接開發(fā)實現(xiàn)設(shè)備總功能的自動控制程序,需要先創(chuàng)建設(shè)備邏輯模型,通過邏輯模型提高程序開發(fā)效率和準(zhǔn)確性。本文采用DEVS（Discrete Event System Specification）離散事件系統(tǒng)規(guī)范進(jìn)行物流裝備的邏輯建模。DEVS模原子模型（atomicDEVS）是一個7元結(jié)構(gòu)體[10],如式(1)所示：

其中,X是外部輸入事件集；S是系統(tǒng)狀態(tài)集；Y是輸出事件集；ta(S→R+)是時間推進(jìn)函數(shù)；δint(S→S)是內(nèi)部轉(zhuǎn)換函數(shù)；δext(S×X→S)是外部轉(zhuǎn)換函數(shù),λ(S→YU｛φ｝)是輸出函數(shù)。

邏輯模型的構(gòu)建方法是將物流裝備執(zhí)行作業(yè)的過程按觸發(fā)信號分為n個任務(wù),每一個任務(wù)都有相應(yīng)的觸發(fā)信號,任務(wù)完成后也會輸出信號觸發(fā)下一個任務(wù)。其中,每一個任務(wù)稱為邏輯模型的一個狀態(tài),完成系統(tǒng)總功能的所有狀態(tài)組成系統(tǒng)狀態(tài)集；將PLC的輸入信號作為輸入事件集；PLC的輸出信號作為輸出事件集；系統(tǒng)在輸入信號下發(fā)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程為外部轉(zhuǎn)換函數(shù)；當(dāng)沒有輸如信號觸發(fā)是,系統(tǒng)狀態(tài)內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程為內(nèi)部轉(zhuǎn)換函數(shù)；時間推進(jìn)函數(shù)用于控制內(nèi)部轉(zhuǎn)換函數(shù),當(dāng)時間滿足時系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)觸發(fā),并在狀態(tài)發(fā)生改變之前觸發(fā)輸出函數(shù)。基于DEVS的物流裝備邏輯模型設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 物流裝備邏輯建模流程

邏輯模型可以清晰的描述系統(tǒng)的控制決策和執(zhí)行過程?；谶壿嬆Ｐ偷目刂瞥绦蜷_發(fā)方法如圖8所示,將控制程序按執(zhí)行步驟的狀態(tài)封裝成塊,將邏輯模型中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)化為梯形圖指令,通過邏輯模型與梯形圖指令的映射關(guān)系進(jìn)行自動控制程序的開發(fā),構(gòu)建設(shè)備運行規(guī)則模型。

圖8 基于邏輯模型的控制程序開發(fā)方法

4 實例驗證

以倉儲物流系統(tǒng)中典型物流裝備堆垛機(jī)的并行設(shè)計過程為例,驗證提出的設(shè)計方法的可行性。

4.1 堆垛機(jī)功能模型建立

根據(jù)提出的并行設(shè)計方法,堆垛機(jī)功能分解過程如下：

1）確定總功能：根據(jù)設(shè)計需求,通過對同類產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)的分析抽象出堆垛機(jī)的總功能,在高層貨架的立體倉庫中完成貨物單元的自動出入庫作業(yè)；

2）分解子功能：將總功能按工序步驟逐級分解,獲得產(chǎn)品子功能。根據(jù)堆垛機(jī)的作業(yè)需求,將總功分解為4個子功能,除基本的入、出庫功能外,還需要具備貨物檢測以及設(shè)備自動運行時的安全保護(hù)功能；

3）分解功能元：根據(jù)產(chǎn)品子功能分析滿足子功能所需的運行行為,根據(jù)運行行為將各子功能分解成可以直接進(jìn)行求解的功能元；

4）功能元求解：根據(jù)功能元求解完成從功能到結(jié)構(gòu)的最終映射。

建立堆垛機(jī)的功能模型如圖9所示。

圖9 堆垛機(jī)功能模型

4.2 基于功能模型的堆垛機(jī)詳細(xì)設(shè)計

4.2.1 堆垛機(jī)機(jī)械和運動系統(tǒng)模型設(shè)計

將機(jī)械零件三維模型導(dǎo)入三維設(shè)計軟件中與通過構(gòu)造幾何實體方法建立的自研機(jī)構(gòu)三維模型進(jìn)行集成裝配,得到堆垛機(jī)幾何機(jī)械模型。根據(jù)堆垛機(jī)的機(jī)構(gòu)工作原理在幾何機(jī)械模型的基礎(chǔ)上對基本零件的物理屬性等進(jìn)行定義,如零件材料、剛體、摩擦系數(shù)等,并對相對運動的機(jī)構(gòu)之間的運動副關(guān)系進(jìn)行定義,包括固定副、滑動副、鉸鏈副等,得到堆垛機(jī)物理機(jī)械模型。

圖10 堆垛機(jī)機(jī)械和運動系統(tǒng)模型

4.2.2 堆垛機(jī)電氣和行為模型設(shè)計

將電氣元件三維模型與機(jī)械模型進(jìn)行集成裝配,獲得機(jī)械與電氣集成的堆垛機(jī)虛擬設(shè)備模型,通過對執(zhí)行機(jī)構(gòu)添加執(zhí)行元件,并定義執(zhí)行元件驅(qū)動參數(shù),建立堆垛機(jī)電氣和行為模型如圖11所示。

圖11 堆垛機(jī)電氣和行為模型

4.2.3 堆垛機(jī)運行規(guī)則模型設(shè)計

根據(jù)提出的邏輯模型建立方法,堆垛機(jī)水平（Y軸）運行機(jī)構(gòu)邏輯模型的創(chuàng)建過程如下：

輸入事件集：

系統(tǒng)狀態(tài)集：

輸出事件集：

內(nèi)部轉(zhuǎn)換函數(shù)：

外部轉(zhuǎn)換函數(shù)：

輸出函數(shù)：

時間推進(jìn)函數(shù)：

建立堆垛機(jī)入庫作業(yè)過程的邏輯模型如圖12所示。

圖12 堆垛機(jī)入庫過程邏輯模型

將邏輯模型中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)映射為梯形圖命令,將控制程序按執(zhí)行步驟的狀態(tài)封裝成塊,建立堆垛機(jī)入庫作業(yè)過程的控制程序如圖13所示。

圖13 堆垛機(jī)控制程序開發(fā)

將控制程序下載到控制器中,通過控制系統(tǒng)與虛擬設(shè)備模型間的程序耦合和信號交互,驅(qū)動數(shù)字孿生模型虛擬運行,實現(xiàn)堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣布局和控制程序的跨學(xué)科協(xié)同驗證。最終,建立堆垛機(jī)數(shù)字孿生模型和控制程序如圖14所示,證明了提出的并行設(shè)計方法在物流裝備設(shè)計過程中應(yīng)用是可行的。

圖14 堆垛機(jī)數(shù)字孿生模型及控制程序

5 結(jié)語

本文將數(shù)字孿生理念引入物流裝備的設(shè)計開發(fā)過程中,研究了基于數(shù)字孿生的物流裝備并行設(shè)計建模方法。分別從機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計和自動控制層面進(jìn)行虛擬設(shè)備建模,實現(xiàn)了物理設(shè)備在虛擬空間中多學(xué)科特性的全方位映射?；诠δ苣Ｐ偷脑O(shè)計過程,使跨學(xué)科的并行設(shè)計得以實現(xiàn),利用虛擬模型的仿真驗證,增加了設(shè)計過程中的跨學(xué)科協(xié)同。該方法對同類設(shè)備數(shù)字孿生設(shè)計建模具有借鑒意義。

目前,數(shù)字孿生模型設(shè)計的研究還處于起步階段,在虛擬設(shè)備建模過程中,如何通過標(biāo)準(zhǔn)化模型庫和設(shè)計知識庫的構(gòu)建,提高虛擬設(shè)備模型的建模速度和質(zhì)量,以及實現(xiàn)虛擬設(shè)備對物理設(shè)備運行狀態(tài)的等時同步映射等還有待進(jìn)一步研究。因此,下一步的研究重點是并行設(shè)計知識庫和模型庫的構(gòu)建,以及基于模型重用的快速建模。