摘要（Abstract）：

智能生產(chǎn)管控是智能制造的核心表現(xiàn)形式。本文以智能制造CPS理念為牽引，通過對(duì)標(biāo)實(shí)時(shí)狀態(tài)感知、分析推理決策，以及閉環(huán)控制執(zhí)行的智能生產(chǎn)管控需求特征和數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵，建立了業(yè)務(wù)需求與技術(shù)融合的結(jié)合機(jī)制。結(jié)合科研項(xiàng)目實(shí)踐，給出了制造服務(wù)化智能配置管理決策和自適應(yīng)智能加工工藝決策的基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)管控應(yīng)用重點(diǎn)案例，并結(jié)合當(dāng)前自動(dòng)化產(chǎn)線建設(shè)熱潮，給出了基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線運(yùn)行模式發(fā)展趨勢(shì)的判斷。

0 引言

智能制造作為我國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略，為我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變提供了有效地技術(shù)支撐。作為智能制造核心理念的CPS（Cyber Physical System 賽博物理系統(tǒng)）具有智能感知、推理分析和閉環(huán)控制等特征，并直接推動(dòng)了工業(yè)物聯(lián)／互聯(lián)網(wǎng)、人工智能／大數(shù)據(jù)、智能柔性控制等相關(guān)技術(shù)與制造業(yè)的進(jìn)一步深度融合發(fā)展［1］。

直面產(chǎn)品產(chǎn)出的生產(chǎn)環(huán)節(jié)始終是智能制造覆蓋的重要業(yè)務(wù)領(lǐng)域熱點(diǎn)。尤其在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，以訂單碎片化為驅(qū)動(dòng)的多品種變批量乃至大規(guī)模定制生產(chǎn)模式已經(jīng)成為制造企業(yè)運(yùn)行的主流方式。工業(yè)物聯(lián)／互聯(lián)網(wǎng)和智能柔性控制為資源及其控制的泛在化提供了技術(shù)支撐，作為智能制造核心體現(xiàn)的管理與工藝決策也日益成為企業(yè)智能生產(chǎn)管控的核心追求，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)外部變化并實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置的必然技術(shù)選擇。

數(shù)字孿生技術(shù)是智能制造發(fā)展的新趨勢(shì)和重要抓手。數(shù)字孿生是以產(chǎn)品及其生命周期各環(huán)節(jié)及其關(guān)聯(lián)為物理映射對(duì)象，以構(gòu)建狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)采集、分析推理、精準(zhǔn)執(zhí)行的實(shí)時(shí)閉環(huán)鏈路為支撐，以物理對(duì)象的數(shù)字化虛擬建模與決策分析為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)及其服役使用的改善與優(yōu)化。生產(chǎn)環(huán)節(jié)是數(shù)字孿生技術(shù)的重要應(yīng)用場(chǎng)景，陶飛等人建立了涵蓋物理車間、虛擬車間、車間孿生數(shù)據(jù)、車間服務(wù)系統(tǒng)等的數(shù)字孿生車間模型，做出了有益的嘗試［2］。

本文圍繞制造企業(yè)最核心的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過分析企業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求特點(diǎn)，探討以智能管控為目標(biāo)的數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵及其應(yīng)用方向，為推動(dòng)智能生產(chǎn)管控提供借鑒參考。

1 智能生產(chǎn)管控需求特征分析

當(dāng)前制造企業(yè)面向的生產(chǎn)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了大幅度變化，已經(jīng)從傳統(tǒng)的小品種向多品種轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的大批量向中小批量、批量為1的單件定制轉(zhuǎn)變，制造企業(yè)的訂單呈現(xiàn)出明顯的碎片化特點(diǎn)。制造企業(yè)必須面對(duì)復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)柔性生產(chǎn)，其核心在于實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和資源的優(yōu)化運(yùn)行。

按照智能制造核心理念CPS的思路，對(duì)于生產(chǎn)環(huán)節(jié)而言，其在智能感知、推理分析和閉環(huán)控制等方面的需求特點(diǎn)如下：

（1）面向生產(chǎn)運(yùn)行保證的持續(xù)狀態(tài)感知

生產(chǎn)過程處于持續(xù)動(dòng)態(tài)的不確定環(huán)境，智能生產(chǎn)系統(tǒng)的核心目的是化解這種不確定對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定的沖擊，因此不僅需要對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行感知，包括任務(wù)執(zhí)行與資源運(yùn)行的狀態(tài)，并據(jù)此判斷是否存在生產(chǎn)異常等，同時(shí)也需要從時(shí)間軸線上，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行前瞻預(yù)測(cè)，為生產(chǎn)運(yùn)行提供持續(xù)的穩(wěn)態(tài)保證。

（2）面向生產(chǎn)異常的分析推理決策

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的異變是常態(tài)，智能生產(chǎn)系統(tǒng)具有對(duì)感知到異常狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)有效的分析推理決策處理的能力。其中主要涉及到兩個(gè)方面：一是對(duì)管理角度的任務(wù)資源優(yōu)化配置做出決策，比如實(shí)現(xiàn)對(duì)插單、資源故障、物料缺位等進(jìn)行響應(yīng)調(diào)整；二是對(duì)工藝角度的產(chǎn)品制造工程進(jìn)行自適應(yīng)加工決策，比如根據(jù)資源當(dāng)前狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整等。

（3）基于生產(chǎn)軟硬件系統(tǒng)集成的閉環(huán)執(zhí)行

生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行涉及到管理性MES／WMS／MDC／DNC等系統(tǒng)，也包括工藝裝備／裝置，智能生產(chǎn)系統(tǒng)具有軟硬件系統(tǒng)有機(jī)集成的特點(diǎn)，其核心體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的自動(dòng)流程，不僅包括自下而上的數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)自動(dòng)反饋，也包括自上而下的生產(chǎn)控制指令甚至直達(dá)工藝裝備／裝置的自動(dòng)下達(dá)。

2 智能生產(chǎn)管控與數(shù)字孿生的融合

智能生產(chǎn)管控與數(shù)字孿生在技術(shù)內(nèi)涵上具有內(nèi)在的一致性。就技術(shù)而言，數(shù)字孿生具有“物理實(shí)體狀態(tài)實(shí)施采集－數(shù)字虛體分析推理決策－物理實(shí)體精準(zhǔn)精確執(zhí)行”的鏈路，其中實(shí)時(shí)性與閉環(huán)性是其中最為核心的兩個(gè)特征，與智能生產(chǎn)管控具有直接而密切的一致性關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（1）由虛向?qū)嵉膶\生實(shí)時(shí)映射與智能生產(chǎn)持續(xù)狀態(tài)感知的融合

數(shù)字孿生涉及到物理世界和數(shù)字世界之間的孿生映射，或者說物理實(shí)體與數(shù)字虛體的孿生協(xié)調(diào)，需要指出的是，這種孿生映射與協(xié)調(diào)具有雙向的含義。在數(shù)字孿生語境下，生產(chǎn)環(huán)境的物理實(shí)體是整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，包括目視可見生產(chǎn)線及其工藝設(shè)備裝置以及其運(yùn)行組織模式，并且這種模式是隨時(shí)間逐步變化的。

數(shù)字孿生的第一個(gè)原則是虛實(shí)映射，其核心是對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化表征，包括生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及資源優(yōu)化配置、工藝執(zhí)行過程的內(nèi)在機(jī)理等，并且由于生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的持續(xù)性，從而要求這種孿生映射或協(xié)調(diào)具有隨時(shí)間推進(jìn)而逐步變化的特點(diǎn)，因此，智能生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行決定了數(shù)字孿生虛體建模的實(shí)時(shí)性是基本要求，從而要求基于數(shù)字虛體所進(jìn)行的分析推理決策應(yīng)該具有服務(wù)化的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的前瞻預(yù)測(cè)和分析推理決策。

同時(shí)，數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性內(nèi)涵能夠有效的解決傳統(tǒng)上面臨的“虛而不擬、仿而不真”的問題，尤其是其缺乏從時(shí)間軸線上考慮物理實(shí)體演變所導(dǎo)致的分析推理滯后從而不真實(shí)的缺陷。智能生產(chǎn)系統(tǒng)在目前工業(yè)物聯(lián)／互聯(lián)技術(shù)的支持下，已經(jīng)具有實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)系統(tǒng)狀態(tài)的技術(shù)能力，從而推動(dòng)了數(shù)字孿生在智能生產(chǎn)管控領(lǐng)域中的應(yīng)用。

（2）基于運(yùn)行機(jī)理模型的數(shù)字虛體與智能生產(chǎn)推理決策的融合

數(shù)字孿生的核心不在于將物理實(shí)體的狀態(tài)以數(shù)字化乃至三維的方式進(jìn)行展現(xiàn)，而在于對(duì)物理實(shí)體運(yùn)行的內(nèi)在機(jī)制和機(jī)理進(jìn)行孿生映射與刻畫。對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)而言，在物理實(shí)體狀態(tài)獲取的基礎(chǔ)上，可以利用運(yùn)行組織機(jī)制知識(shí)和工藝過程機(jī)理建立數(shù)字孿生當(dāng)中的數(shù)字虛體。

生產(chǎn)系統(tǒng)是在其機(jī)理規(guī)律在發(fā)生作用的推動(dòng)下運(yùn)行的，而這種作用就是數(shù)字孿生建設(shè)數(shù)字虛體的重點(diǎn)。對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)而言，其重點(diǎn)主要在兩個(gè)方面。

一是復(fù)雜動(dòng)態(tài)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)下的制造資源優(yōu)化配置，支持智能生產(chǎn)系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知與推理決策。其中態(tài)勢(shì)感知的目的是支持對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的持續(xù)態(tài)勢(shì)判斷，偏重于傳統(tǒng)的仿真技術(shù)范疇。其中推理決策的目的是結(jié)合當(dāng)天動(dòng)態(tài)變化的實(shí)際執(zhí)行狀態(tài)，其核心是對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行糾偏或優(yōu)化，提供持續(xù)優(yōu)化的資源配置決策方案，偏重傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化的技術(shù)范疇。

二是復(fù)雜動(dòng)態(tài)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)下的工藝執(zhí)行過程監(jiān)控，支持智能生產(chǎn)系統(tǒng)的高效生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，是直接決定制造企業(yè)生存的關(guān)鍵。其同樣存在兩個(gè)層次的內(nèi)涵：一是工藝執(zhí)行過程的監(jiān)視，基于所構(gòu)建的內(nèi)在工藝機(jī)理模型，一般來說這種模型應(yīng)該工件－機(jī)床－刀具等及其工藝過程知識(shí)的綜合模型，對(duì)當(dāng)前的實(shí)際執(zhí)行狀態(tài)的正確與否進(jìn)行預(yù)判；二是工藝執(zhí)行過程的控制，即基于所構(gòu)建的工藝機(jī)理模型，在實(shí)際執(zhí)行狀態(tài)輸入的驅(qū)動(dòng)下，通過分析推理決策對(duì)實(shí)際工藝執(zhí)行參數(shù)進(jìn)行修正和優(yōu)化。

（3）由實(shí)向虛的孿生閉環(huán)映射與智能生產(chǎn)閉環(huán)執(zhí)行的融合

由實(shí)向虛的孿生閉環(huán)映射是基于數(shù)字虛體所做出的分析推理決策結(jié)果而對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)的過程，是數(shù)字孿生得以體現(xiàn)和發(fā)揮作用的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)而言，其智能性體現(xiàn)特征之一就是基于生產(chǎn)軟硬件系統(tǒng)集成的閉環(huán)執(zhí)行。傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真領(lǐng)域研究，主要是做到了對(duì)物理實(shí)體某時(shí)刻狀態(tài)或在實(shí)際狀態(tài)輸入情況下的運(yùn)行監(jiān)視，尚不具有孿生閉環(huán)映射的特點(diǎn)。這種只是監(jiān)視而非控制的應(yīng)用模式，在一定程度上弱化了分析推理模型的應(yīng)有價(jià)值，而這正是數(shù)字孿生技術(shù)和智能生產(chǎn)管控所應(yīng)當(dāng)和要求的運(yùn)行模式。

通過數(shù)字虛體的分析推理得出修改糾偏的工藝參數(shù)或者優(yōu)化的運(yùn)行配置方案，并且以控制指令的方式自動(dòng)的下發(fā)到物理實(shí)體進(jìn)行執(zhí)行，在目前柔性自動(dòng)控制深入發(fā)展的基礎(chǔ)上，已經(jīng)具有了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的能力和條件。

同時(shí)由實(shí)向虛的孿生閉環(huán)映射與智能生產(chǎn)閉環(huán)執(zhí)行的融合，與智能制造所倡導(dǎo)的CPS理念具有直接的對(duì)接關(guān)系。并且這種運(yùn)行模式，將數(shù)字孿生或智能生產(chǎn)管控從監(jiān)視推向了監(jiān)控，相當(dāng)于通過數(shù)字孿生當(dāng)中的數(shù)字虛體為物理實(shí)體賦予了一個(gè)大腦，從而支撐生產(chǎn)系統(tǒng)向智能化發(fā)展。目前同樣在深入發(fā)展的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中“互”的含義包括兩個(gè)方面：一是物理實(shí)體，比如說設(shè)備不再“盲聾啞”而實(shí)現(xiàn)自下而上的數(shù)據(jù)狀態(tài)輸出，二是體現(xiàn)自上而下的自動(dòng)柔性控制。