一些具有高頻換產(chǎn)需求的行業(yè)（如電子制造）要求制造系統(tǒng)具有高度柔性以適應(yīng)變化。本文提出了一種數(shù)字孿生驅(qū)動的自動化制造系統(tǒng)快速重構(gòu)方法。數(shù)字孿生模型由近物理仿真模塊和重構(gòu)優(yōu)化模塊組成，優(yōu)化模塊的結(jié)果反饋給近物理仿真進(jìn)行驗(yàn)證。本文提出了一種開放架構(gòu)式機(jī)臺（OAMT）設(shè)計(jì)模式。OAMT由一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)平臺和各種可快速互換的個(gè)性化模塊組成。通過將個(gè)性化模塊集成到OAMTs中，工程師可以靈活地重新配置制造系統(tǒng)以適應(yīng)工藝規(guī)劃變更。在此基礎(chǔ)上，本文闡述了如何快速地對制造系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和功能進(jìn)行雙層規(guī)劃，以適應(yīng)產(chǎn)品的快速換產(chǎn)。最后，通過智能手機(jī)裝配線案例驗(yàn)證了所提方法的有效性。
自動化制造系統(tǒng)快速重構(gòu)的需求
從系統(tǒng)控制的角度來看，自動化程度較高的制造系統(tǒng)普遍存在柔性差的缺點(diǎn)。特別是對于用戶需要的定制產(chǎn)品，傳統(tǒng)的自動化制造系統(tǒng)由于不能及時(shí)集成信息、設(shè)備和服務(wù)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)效率的定制生產(chǎn)。在工業(yè)4.0智能制造藍(lán)圖中，制造工廠必須具有高度柔性，并允許生產(chǎn)順序的多種變化，以面對新的個(gè)性化定制產(chǎn)品需求。
本文提出了一種基于數(shù)字孿生驅(qū)動的制造系統(tǒng)快速重構(gòu)方法。通過分析兩個(gè)產(chǎn)品之間的差異，推導(dǎo)出當(dāng)前系統(tǒng)在系統(tǒng)級（例如改變布局配置）、控制級（例如集成一個(gè)新的軟件模塊）和裝備級（例如添加新的夾具）的變更內(nèi)容，結(jié)合工藝規(guī)劃與執(zhí)行控制，將產(chǎn)能再平衡和重構(gòu)成本雙目標(biāo)進(jìn)行雙層規(guī)劃，得到最優(yōu)的重構(gòu)方案，基于數(shù)字孿生系統(tǒng)快速驗(yàn)證新的制造系統(tǒng)配置。本文重點(diǎn)分析了三個(gè)關(guān)鍵使能技術(shù)：開放架構(gòu)式機(jī)臺（OAMT）、REST風(fēng)格IIoT系統(tǒng)和數(shù)字孿生驅(qū)動的快速系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的開放架構(gòu)式體系，以更高的可重用性和更少的時(shí)間成本實(shí)現(xiàn)快速重構(gòu)。
開放架構(gòu)式機(jī)臺（OAMT）
裝備級重構(gòu)能力是系統(tǒng)制造功能重構(gòu)基礎(chǔ)。本文在此層面提出的開放架構(gòu)式機(jī)臺是由獨(dú)立的、可升級的、可互換的模塊組成的機(jī)床，基礎(chǔ)平臺包含了在開放源代碼許可證下由開放標(biāo)準(zhǔn)定義的一組內(nèi)部與/或外部接口。如圖所示，標(biāo)準(zhǔn)的即插即用平臺之上可以安裝各種功能模塊（例如上下料機(jī)械手、模塊夾具、即插即用循環(huán)設(shè)備、可調(diào)間歇緩存）。以智能手機(jī)裝配線為例，標(biāo)準(zhǔn)化平臺可以快速集成雙面TP壓合機(jī)、自動螺絲機(jī)等多種模塊。
基于REST風(fēng)格的物聯(lián)系統(tǒng)
制造系統(tǒng)重構(gòu)包括了IIoT（主要包括PLC控制器與傳感器資源）系統(tǒng)的重構(gòu)。為了滿足靈活的資源重配置需求，如圖所示，本文將所有的操作對象都抽象為REST中的資源。資源位置由統(tǒng)一的資源標(biāo)識符（即URI）標(biāo)識。資源的操作由URI和統(tǒng)一接口（例如HTTP）指定。這種方法提供了構(gòu)建可伸縮、簡單、可移植和松散耦合應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)原則。基于REST的特性，資源通常由標(biāo)準(zhǔn)模板表示。通過在智能網(wǎng)關(guān)上構(gòu)建一個(gè)基于REST的嵌入式Web服務(wù)器，可以資源映射到網(wǎng)絡(luò)上，在模板中定義物理資源與虛擬模型之間的映射關(guān)系，從而在IIoT網(wǎng)絡(luò)中快速組織和重配置控制器與傳感器資源。為了支持對IIoT設(shè)備資源進(jìn)行快速重構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)定量目標(biāo)函數(shù)，以合理、自適應(yīng)地分配智能網(wǎng)關(guān)訪問的資源節(jié)點(diǎn)。
數(shù)字孿生驅(qū)動的快速系統(tǒng)重構(gòu)
本文建立了一個(gè)集成虛擬重構(gòu)調(diào)試的數(shù)字孿生系統(tǒng)。數(shù)字孿生模型由近物理仿真模塊和重構(gòu)優(yōu)化模塊兩部分組成。近物理仿真的功能是映射物理制造系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)輸入到上層優(yōu)化模型中。通過快速優(yōu)化模型可以得到優(yōu)化決策結(jié)果，然后反饋給半實(shí)物仿真引擎，以驗(yàn)證重構(gòu)結(jié)果。其中，重構(gòu)優(yōu)化模塊包含了一種包含多維優(yōu)化變量和約束條件的快速重構(gòu)優(yōu)化算法，即上層產(chǎn)能再平衡和下層重構(gòu)成本的系統(tǒng)級雙層規(guī)劃；上層問題目標(biāo)是使重構(gòu)結(jié)果的產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效率最大化，下層問題目標(biāo)是最小化機(jī)器移動成本和機(jī)器保持成本以進(jìn)行重構(gòu)。
原型與案例
本文展示了一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)原型以及一個(gè)智能手機(jī)裝配系統(tǒng)重構(gòu)案例。如圖所示，基于Unity3D引擎開發(fā)了數(shù)字孿生系統(tǒng)（即DTS），實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)近物理仿真。整個(gè)智能手機(jī)裝配過程包括焊接、裝配、試驗(yàn)和質(zhì)量控制四個(gè)階段。裝配線包括多個(gè)生產(chǎn)單元，每個(gè)單元由多個(gè)并行和順序的機(jī)器組成，協(xié)同完成一種操作。數(shù)字孿生驅(qū)動的快速重構(gòu)方法在最小化重構(gòu)成本、縮短產(chǎn)品換產(chǎn)周期的同時(shí)，提高了制造系統(tǒng)性能。
結(jié)語
在開放架構(gòu)式機(jī)臺體系結(jié)構(gòu)下，制造系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備成為一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，從而可支持整個(gè)系統(tǒng)的快速重構(gòu)與升級。OAMT對于實(shí)現(xiàn)機(jī)床的可擴(kuò)展性、可靠性、互操作性、可擴(kuò)展性、可重構(gòu)性和可重用性至關(guān)重要。支持開放式體系結(jié)構(gòu)意味著行業(yè)達(dá)成群體共識，對于建立機(jī)床創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。開放式架構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢是將研發(fā)和生產(chǎn)結(jié)合，這種聚合效應(yīng)源于整個(gè)供應(yīng)鏈的開放性。核心制造商將生產(chǎn)這些開放式架構(gòu)平臺，而中小型企業(yè)可開發(fā)各式模塊。全球中小企業(yè)只要符合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、功能結(jié)構(gòu)和接口要求，就可以直接參與模塊的研發(fā)生產(chǎn)，集群化生產(chǎn)和相關(guān)配套設(shè)施更有可能激發(fā)創(chuàng)新理念，降低創(chuàng)新成本。然而，在制造商之間建立可重構(gòu)制造系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)共識極為困難。開發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)需要重新開發(fā)底層的軟件平臺，用于控制、交互和異構(gòu)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，這是工程實(shí)施難點(diǎn)，未來可將更多的人工智能方法融入到重構(gòu)引擎中。
