文章導(dǎo)讀

智能制造系統(tǒng)（SMS）是一個(gè)多領(lǐng)域物理系統(tǒng)，各個(gè)組件之間具有復(fù)雜的耦合。通常，各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者只能基于對(duì)動(dòng)力學(xué)的有限認(rèn)知及預(yù)估來設(shè)計(jì)SMS的子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)統(tǒng)一的SMS模型來有效地模擬制造過程的每一個(gè)交互和行為是一個(gè)挑戰(zhàn)。作為一種新興的技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)可被運(yùn)用于SMS設(shè)計(jì)階段來發(fā)現(xiàn)早期設(shè)計(jì)錯(cuò)誤及缺陷，通過實(shí)現(xiàn)近物理仿真以減少物理調(diào)試與重構(gòu)的大量時(shí)間和成本。

數(shù)字孿生在智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)（SMSD）中的發(fā)展處于起步階段?；赪eb of Science數(shù)據(jù)庫(kù)文獻(xiàn)檢索，本文提出了一個(gè)新穎的功能-結(jié)構(gòu)-行為-控制-智能-性能（FSBCIP）框架，以考察數(shù)字孿生技術(shù)是如何融入和促進(jìn)SMSD。本文還介紹了基于數(shù)字孿生的SMSD定義、框架、主要設(shè)計(jì)步驟、新藍(lán)圖模型、關(guān)鍵使能技術(shù)、設(shè)計(jì)案例和研究方向。希望本文能為工業(yè)4.0時(shí)代開發(fā)部署新SMS帶來新的啟示。

一、 前言

在工業(yè)4.0中，智能制造已成為世界制造業(yè)的發(fā)展方向。世界各國(guó)新的先進(jìn)制造戰(zhàn)略使得設(shè)計(jì)新的智能制造系統(tǒng)的需求日益增加。智能制造系統(tǒng)（SMS）是一個(gè)由智能機(jī)器、智能材料、智能產(chǎn)品等各種要素復(fù)雜耦合組成的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)。SMSD是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括對(duì)來自多個(gè)來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、分析、挖掘和學(xué)習(xí)。

除了輸入需求和過程擾動(dòng)的不確定性外，設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)之間復(fù)雜的相互作用、耦合、沖突使得SMSD成為一個(gè)高度迭代和費(fèi)時(shí)費(fèi)力的任務(wù)。在SMS的數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，SMS可以在數(shù)字空間中分解為各種粒度的數(shù)字模型，而物理產(chǎn)品和制造過程則存在于另一個(gè)物理空間中；

因此，映射SMS真實(shí)世界的高保真網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于彌補(bǔ)SMS設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行階段之間的差距至關(guān)重要。另外，由于SMS與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的主要區(qū)別在于工業(yè)智能，因此與傳統(tǒng)的MSD相比，SMSD在工業(yè)人工智能模型的設(shè)計(jì)方面更具挑戰(zhàn)性。

然而，數(shù)字孿生在智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)（SMSD）中的發(fā)展處于起步階段。有必要對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)融入SMSD的研究進(jìn)行探索和梳理。本文試圖展示如何將數(shù)字孿生技術(shù)合理融入SMSD，真正促進(jìn)智能制造的發(fā)展。如下圖所示，本文綜述了基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)定義、框架、主要設(shè)計(jì)步驟、新藍(lán)圖模型、關(guān)鍵使能技術(shù)、設(shè)計(jì)案例和研究方向。

二、 基于數(shù)字孿生的SMSD方法優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)上，仿真技術(shù)是僅限于支持設(shè)計(jì)人員解決特定工程問題的標(biāo)準(zhǔn)工具。將仿真從設(shè)計(jì)階段擴(kuò)展到后續(xù)的生命周期活動(dòng)是一種趨勢(shì)。如下圖4所示，現(xiàn)有的MSD方法在設(shè)計(jì)過程中缺乏有效迭代優(yōu)化。由于仿真設(shè)計(jì)未經(jīng)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以保證。雖然仿真模型對(duì)于支持設(shè)計(jì)可視化是有用的，但是如何建立一個(gè)跨多學(xué)科的統(tǒng)一SMS模型仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

解決方案是建立一個(gè)反映和觀察現(xiàn)實(shí)世界SMS行為的數(shù)字孿生模型，并將其用于所有設(shè)計(jì)過程，包括系統(tǒng)部署和調(diào)試；在本文中稱之為基于數(shù)字孿生模型的智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)（DT-SMSD）。數(shù)字孿生是基于將多領(lǐng)域物理仿真模型與產(chǎn)品/系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)相結(jié)合而建立的，被成為仿真領(lǐng)域的下一波浪潮。數(shù)字孿生模型可以被及時(shí)修改和驗(yàn)證，以避免在SMS仿真和開發(fā)過程中出現(xiàn)瓶頸。SMS的設(shè)計(jì)過程意味著其相應(yīng)數(shù)字孿生的概念設(shè)計(jì)（Concepting）、形成（Forming）和精調(diào)（Fine-tuning）過程。

數(shù)字孿生概念設(shè)計(jì)階段（功能模型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)）：使用多學(xué)科模擬來快速驗(yàn)證概念方案。這個(gè)階段的目標(biāo)不是追求模擬精度，而是快速模擬。

數(shù)字孿生形成階段（行為模型設(shè)計(jì)和控制模型設(shè)計(jì)）：通過仿真確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。盡管數(shù)字孿生的目的是壓縮物理調(diào)試的高昂成本，但在實(shí)踐中需要保留必要的近物理系統(tǒng)調(diào)試，特別是一些行業(yè)規(guī)范要求的調(diào)試。近物理系統(tǒng)調(diào)試是本階段的重點(diǎn)。

數(shù)字孿生的精調(diào)階段（智能模型設(shè)計(jì)和性能模型設(shè)計(jì)）：數(shù)字孿生用于幫助構(gòu)建SMS原型和規(guī)劃系統(tǒng)測(cè)試方案。數(shù)字孿生可以減少試驗(yàn)和錯(cuò)誤，精確定位需要智能化的設(shè)計(jì)點(diǎn)。以精益的方式可以獲得最佳的性能。也就是說，數(shù)字孿生方法能夠以較少的測(cè)試次數(shù)達(dá)到SMS驗(yàn)證的目的，提高了設(shè)計(jì)效率。對(duì)相應(yīng)的數(shù)字孿生進(jìn)行精調(diào)的關(guān)鍵點(diǎn)在于SMS具有良好的“功能-結(jié)構(gòu)-行為-控制”可重構(gòu)性和柔性，以支持快速變更和替代原型設(shè)計(jì)解決方案。

三、 功能-結(jié)構(gòu)-行為-控制-智能-性能（FSBCIP）框架

SMSD的本質(zhì)是建立滿足如布局約束、生產(chǎn)能力、舊設(shè)備集成和制造效率等個(gè)性化需求的功能集成實(shí)體。在SMSD過程中，客戶域和產(chǎn)品域的個(gè)性化需求被傳遞到SMS配置域和相應(yīng)的執(zhí)行域，包括工業(yè)人工智能模型。本文提出了一個(gè)功能-結(jié)構(gòu)-行為-控制-智能-性能（FSBCIP）框架來綜述DT-SMSD的主要步驟。

a） SMS功能模型設(shè)計(jì) 功能模型是對(duì)制造產(chǎn)品的活動(dòng)以及活動(dòng)之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)化描述。該模型突出了概念設(shè)計(jì)中制造商需求對(duì)產(chǎn)品可制造性、裝配性、維修性和安全性的影響。SMS具有什么樣的功能，取決于它所面臨的產(chǎn)品特點(diǎn)和發(fā)展要求。該模型通常包括工藝規(guī)劃、設(shè)備選型和機(jī)械設(shè)計(jì)。

b） SMS結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)模型是對(duì)實(shí)現(xiàn)制造功能、原理和行為的機(jī)械結(jié)構(gòu)之間融合、連接和裝配關(guān)系的結(jié)構(gòu)化描述。機(jī)械結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系是制造系統(tǒng)的材料、能量、信息和運(yùn)動(dòng)行為的傳遞和轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。該模型通常包括SMS中的拓?fù)涠x、布局規(guī)劃、夾具載體設(shè)計(jì)和緩存設(shè)計(jì)。

c） SMS行為模型設(shè)計(jì) 行為模型是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞、運(yùn)動(dòng)形式變換及其相互關(guān)系的結(jié)構(gòu)化描述。機(jī)械系統(tǒng)之間存在的物質(zhì)、能量、信息聯(lián)系主要體現(xiàn)在機(jī)械運(yùn)動(dòng)行為的傳遞關(guān)系上。此模型通常包括SMS中的設(shè)備運(yùn)動(dòng)、在制品運(yùn)動(dòng)、物料夾持處理和工序銜接。運(yùn)動(dòng)行為的基本要素主要包括力、位移、速度、加速度、躍度、角位移、角速度、角加速度、角躍度等。

d） SMS控制模型設(shè)計(jì) 控制模型是通過統(tǒng)計(jì)或工程方法來處理制造過程的結(jié)構(gòu)、操作或演算，以控制過程的輸出。它通常包括電氣和氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制和傳感器網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備控制設(shè)計(jì)和多過程協(xié)調(diào)。

e） SMS智能模型設(shè)計(jì) 智能模型能夠是從控制優(yōu)化的角度描述、開發(fā)和驗(yàn)證SMS的學(xué)習(xí)能力、優(yōu)化能力和自主能力。它包括一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以及各種推理規(guī)則、機(jī)器學(xué)習(xí)算法和計(jì)算優(yōu)化算法，使SMS得以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性能表現(xiàn)。

f） SMS性能模型設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)決策的差異影響制造執(zhí)行性能。性能模型通常包括系統(tǒng)性能的評(píng)估和優(yōu)化，如效率、柔性、可重構(gòu)性、魯棒性、自適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和恢復(fù)能力等。

四、DT-SMSD研究進(jìn)展

a） SMS功能模型設(shè)計(jì)進(jìn)展

i. 基于數(shù)字孿生的工藝規(guī)劃 工藝規(guī)劃是SMSD的基礎(chǔ)，可以通過數(shù)字孿生技術(shù)來增強(qiáng)。制造工藝規(guī)劃是在產(chǎn)品制造特征識(shí)別的基礎(chǔ)上，由工程師在SMSD早期階段對(duì)可制造性、成本和效率進(jìn)行分析的過程，包括生產(chǎn)工序選擇和工序排序。關(guān)于如何處理工藝規(guī)劃過程中隨機(jī)干擾和復(fù)雜載荷的研究很少，就目前基于仿真的工藝規(guī)劃方法而言，獲取足夠的工藝信息和搜索最優(yōu)決策需要占據(jù)74%的規(guī)劃時(shí)間。原文作了基于數(shù)字孿生的工藝規(guī)劃研究進(jìn)展綜述。

ii. 基于數(shù)字孿生的設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì) 為了設(shè)計(jì)出高性能的加工設(shè)備，有必要對(duì)加工過程進(jìn)行物理模擬。數(shù)字孿生技術(shù)通過對(duì)加工過程的高度理解能力可改善設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量。因?yàn)樵O(shè)備的數(shù)字孿生體意味著設(shè)備加工物理過程的數(shù)字孿生，數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)加工過程進(jìn)行近物理模擬，以反映物理設(shè)備的所有活動(dòng)與狀態(tài)。例如，在激光加工設(shè)備的設(shè)計(jì)中，需要建立激光與材料相互作用過程的數(shù)字孿生模型，從而通過仿真對(duì)激光材料的制造過程有更深入的了解。原文作了基于數(shù)字孿生的設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)研究進(jìn)展綜述。

b） SMS結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)進(jìn)展 i. 基于數(shù)字孿生的布局規(guī)劃與拓?fù)鋬?yōu)化 基于數(shù)字孿生技術(shù)，物理制造過程可以在網(wǎng)絡(luò)空間中與數(shù)字模型進(jìn)行及時(shí)的映射和驗(yàn)證，從而支持布局信息的自動(dòng)檢索，便于規(guī)劃優(yōu)化布局。此外，應(yīng)用于SMSD過程的數(shù)字孿生模型自然具有拓?fù)鋬?yōu)化能力。根據(jù)工藝路線和工藝間的優(yōu)先關(guān)系，SMSD可以確定系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備間的連接關(guān)系?；跀?shù)字孿生的協(xié)調(diào)以更高的預(yù)見能力確保每個(gè)設(shè)備都被分配到正確的位置。原文作了基于數(shù)字孿生的布局規(guī)劃與拓?fù)鋬?yōu)化研究進(jìn)展綜述。

ii. 基于數(shù)字孿生的模具和緩沖區(qū)設(shè)計(jì) 復(fù)雜產(chǎn)品20%以上的制造時(shí)間是輔助準(zhǔn)備時(shí)間，是提高制造效率的關(guān)鍵。模具和緩沖設(shè)計(jì)是影響產(chǎn)品制造輔助準(zhǔn)備時(shí)間的關(guān)鍵步驟。通過節(jié)拍時(shí)間分析和生產(chǎn)率平衡率分析，確定各工序的機(jī)器種類、數(shù)量和緩沖能力。然而，SMS中的隨機(jī)物流、大規(guī)模干擾和各種物流模式使得工具和緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。數(shù)字孿生技術(shù)可縮小模具/緩沖區(qū)設(shè)計(jì)與控制之間差距。原文作了基于數(shù)字孿生的模具和緩沖區(qū)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展綜述。

c） SMS行為模型設(shè)計(jì)進(jìn)展 i. 基于數(shù)字孿生的設(shè)備行為設(shè)計(jì) 建立設(shè)備的數(shù)字孿生模型有利于物理設(shè)備的行為設(shè)計(jì)，也有利于物理設(shè)備運(yùn)行中故障的進(jìn)一步診斷和預(yù)測(cè)。設(shè)備行為設(shè)計(jì)是根據(jù)工藝路線和工藝要求，定義設(shè)備（工藝設(shè)備和中間設(shè)備）的動(dòng)作（包括高級(jí)動(dòng)作模式）和多工序協(xié)調(diào)動(dòng)作，并避免不必要的操作沖突和死鎖。盡管虛擬設(shè)備的構(gòu)建有助于安全、經(jīng)濟(jì)地模擬設(shè)備的性能，但要準(zhǔn)確地模擬物理設(shè)備行為卻很困難。原文作了基于數(shù)字孿生的設(shè)備行為設(shè)計(jì)研究進(jìn)展綜述。

ii. 基于數(shù)字孿生的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì) 混合自動(dòng)化模式得益于人機(jī)協(xié)作的協(xié)同效應(yīng)。柔性、適應(yīng)性和安全性的要求使得人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和再設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且容易出錯(cuò)的過程?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的數(shù)字孿生技術(shù)可通過傳感器采集到人機(jī)協(xié)作數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化人工勞動(dòng)行為的人機(jī)工程學(xué)性能，并對(duì)指導(dǎo)改善人機(jī)交互的工作環(huán)境有關(guān)鍵作用。原文作了基于數(shù)字孿生的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展綜述。

iii. 基于數(shù)字孿生的在制品/物料搬運(yùn)設(shè)計(jì) 在制品和物料搬運(yùn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)離不開三個(gè)方面的考慮：1）制造過程對(duì)物流的影響；2）生產(chǎn)能力對(duì)物流設(shè)施的要求；3）生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間對(duì)物流的影響。數(shù)字孿生技術(shù)可以更有效地評(píng)估這些動(dòng)態(tài)因素和影響。數(shù)字孿生技術(shù)通過面向制造的設(shè)計(jì)方式，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)出色的物流跟蹤性、可控性和效率。原文作了基于數(shù)字孿生的在制品/物料搬運(yùn)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展綜述。

d） SMS控制模型設(shè)計(jì)進(jìn)展 i. 基于數(shù)字孿生的工藝優(yōu)化與設(shè)備控制設(shè)計(jì) 虛擬設(shè)備通常被用來模擬各種工件/零件的加工軌跡，通過對(duì)每個(gè)加工過程進(jìn)行仿真來指導(dǎo)控制指令的生成。如果建立了物理設(shè)備的數(shù)字孿生模型，設(shè)計(jì)人員不僅可以確定其功能，大大縮短設(shè)計(jì)周期，而且可以方便地進(jìn)行制造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

從工件的角度來看，將幾何模型融入到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，進(jìn)行工藝優(yōu)化和控制設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而保證產(chǎn)品所需的幾何尺寸是至關(guān)重要的。原文作了基于數(shù)字孿生的工藝優(yōu)化與設(shè)備控制設(shè)計(jì)研究進(jìn)展綜述。

ii. 基于數(shù)字孿生的系統(tǒng)控制調(diào)試 SMS系統(tǒng)控制調(diào)試主要包括三種方法：虛擬調(diào)試、物理調(diào)試和近物理調(diào)試。物理調(diào)試需要等待物理設(shè)備組裝和控制邏輯設(shè)計(jì)完成之后開展，這不可避免地會(huì)遇到設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、邏輯錯(cuò)誤、編碼錯(cuò)誤或其他問題，造成修改與等待時(shí)間浪費(fèi)。

因此，進(jìn)行近物理（硬件在環(huán)）調(diào)試是非常必要的。以分布式物理設(shè)備的數(shù)字孿生子為調(diào)試對(duì)象，在遠(yuǎn)程虛擬環(huán)境下運(yùn)行控制邏輯，優(yōu)化驗(yàn)證邏輯的合理性和可行性。數(shù)字孿生模型能真實(shí)反映物理設(shè)備的變化，并不斷積累相關(guān)知識(shí)，在特定的控制下優(yōu)化分析現(xiàn)狀，從而支持設(shè)計(jì)決策。原文作了基于數(shù)字孿生的系統(tǒng)控制調(diào)試研究進(jìn)展綜述。

e） SMS智能模型設(shè)計(jì)進(jìn)展 i. 基于數(shù)字孿生的SMS機(jī)器學(xué)習(xí)模型設(shè)計(jì) SMS的特點(diǎn)之一是其復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和混沌行為?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的智能控制模型（如樸素貝葉斯、決策樹、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）存在于制造設(shè)備、生產(chǎn)線、車間、工廠、跨工廠等不同層次SMS。選擇和設(shè)計(jì)合適的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來處理動(dòng)態(tài)事件和實(shí)現(xiàn)智能過程控制是SMSD的關(guān)鍵問題。SMS的機(jī)器學(xué)習(xí)模型設(shè)計(jì)是為了開發(fā)和驗(yàn)證各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以支持可持續(xù)的SMS性能提升。原文作了基于數(shù)字孿生的SMS機(jī)器學(xué)習(xí)模型設(shè)計(jì)研究進(jìn)展綜述。

ii. 基于數(shù)字孿生的SMS計(jì)算優(yōu)化模型設(shè)計(jì) SMS中的計(jì)算優(yōu)化包括各種控制和管理優(yōu)化算法，如大規(guī)模優(yōu)化、復(fù)雜性理論、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和魯棒性/敏感性分析。計(jì)算優(yōu)化算法的超參數(shù)初始化將影響計(jì)算精度，且對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合非常敏感。因此，SMS計(jì)算優(yōu)化模型設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是尋找一種能夠處理各種系統(tǒng)變化（應(yīng)對(duì)擾動(dòng)）的強(qiáng)魯棒性設(shè)計(jì)方法。數(shù)字孿生技術(shù)提供了一個(gè)高度可信的運(yùn)行時(shí)環(huán)境來模擬復(fù)雜系統(tǒng)，以搜索強(qiáng)魯棒性的計(jì)算優(yōu)化模型。原文作了基于數(shù)字孿生的SMS計(jì)算優(yōu)化模型設(shè)計(jì)研究進(jìn)展綜述。

f） SMS性能模型設(shè)計(jì)進(jìn)展 i. 面向質(zhì)量目標(biāo)的DT-SMSD產(chǎn)品質(zhì)量是評(píng)價(jià)新設(shè)計(jì)SMS性能的重要指標(biāo)。一方面，從產(chǎn)品的角度來看，公差規(guī)格的數(shù)學(xué)建模對(duì)于實(shí)現(xiàn)總體公差分析至關(guān)重要，數(shù)字孿生技術(shù)可以增強(qiáng)這一點(diǎn)。另一方面，從制造系統(tǒng)的角度來看，在超精密制造領(lǐng)域，關(guān)鍵零件的全場(chǎng)位移感知是一種理想的方法。原文作了如何在SMS早期設(shè)計(jì)和規(guī)劃配置階段使用數(shù)字孿生技術(shù)來模擬和優(yōu)化產(chǎn)品制造質(zhì)量的研究進(jìn)展綜述。

ii. 面向柔性目標(biāo)的DT-SMSD在大規(guī)模定制個(gè)性化模式趨勢(shì)下，SMS的生產(chǎn)切換非常頻繁，這就要求SMS具有快速的系統(tǒng)設(shè)計(jì)重構(gòu)能力和高度的柔性。一個(gè)理想的SMS應(yīng)該能夠保證對(duì)新產(chǎn)品的可擴(kuò)展性和兼容性，以滿足制造業(yè)不斷開發(fā)產(chǎn)品和服務(wù)的需要。許多關(guān)于SMSD的研究都體現(xiàn)了不同產(chǎn)品訂單的生產(chǎn)柔性。在工業(yè)4.0藍(lán)圖中，SMS中的每個(gè)元素（如機(jī)床、工件、機(jī)器人）都應(yīng)該用Asset AdministrativeShell（AAS）技術(shù)來描述。

AAS是一種知識(shí)結(jié)構(gòu)，可對(duì)SMS中各個(gè)元素的功能和交互進(jìn)行建模，這也是數(shù)字孿生模型的關(guān)鍵技術(shù)。原文作了面向柔性目標(biāo)的DT-SMSD研究進(jìn)展綜述。

iii. 面向重構(gòu)性目標(biāo)的DT-SMSD 傳統(tǒng)的SMSD方法通常局限于制造單一類型的產(chǎn)品，在引入新類型的產(chǎn)品時(shí)，需要付出巨大的重構(gòu)成本。隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，這種“先新產(chǎn)品設(shè)計(jì)-后新系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的邏輯就沒有那么有效了。SMS的可重構(gòu)性和適應(yīng)性在不確定和不可預(yù)測(cè)的產(chǎn)品變化方面是不明確的，這使得確定一種適合不同類型產(chǎn)品的SMSD具有挑戰(zhàn)性。原文作了面向重構(gòu)性目標(biāo)的DT-SMSD研究進(jìn)展綜述。

iv. 面向可持續(xù)性目標(biāo)的DT-SMSD 降低能源消耗的壓力越來越大，制造商面臨著提高SMS可持續(xù)性的挑戰(zhàn)。優(yōu)化加工參數(shù)設(shè)計(jì)是節(jié)能、減排和節(jié)約成本的關(guān)鍵。

SMS應(yīng)具有根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不斷協(xié)調(diào)多個(gè)組件之間關(guān)系的能力，以確保在持續(xù)發(fā)展過程中始終保持內(nèi)部協(xié)調(diào)。然而，在SMS設(shè)計(jì)階段，對(duì)能源效率和碳排放的正式定義和優(yōu)化關(guān)注甚少。在工業(yè)4.0中，數(shù)字孿生技術(shù)是理解和優(yōu)化SMS中所有相關(guān)物質(zhì)、能量和資源流之間相互作用的強(qiáng)大工具。數(shù)字孿生技術(shù)在為實(shí)現(xiàn)面向可持續(xù)發(fā)展的SMSD提供數(shù)據(jù)豐富的運(yùn)行時(shí)環(huán)境方面起著關(guān)鍵作用。原文作了面向可持續(xù)性目標(biāo)的DT-SMSD研究進(jìn)展綜述。

v. 面向安全性目標(biāo)的DT-SMSD 安全是SMS控制的一個(gè)重要問題。數(shù)字孿生模型可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)故障，在設(shè)計(jì)階段可以用來優(yōu)化SMS的工藝過程安全（Safety）和信息流安全（Security）。從控制安全的角度來看，容錯(cuò)能力是控制器在不需要人工干預(yù)的情況下調(diào)整系統(tǒng)行為以應(yīng)對(duì)故障的關(guān)鍵能力。

設(shè)計(jì)主動(dòng)控制策略可以提高SMS的容錯(cuò)能力，也可以稱之為SMS的系統(tǒng)魯棒性。原文作了面向安全性目標(biāo)的DT-SMSD研究進(jìn)展綜述。

五、 DT-SMSD關(guān)鍵使能技術(shù)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能算法等各種關(guān)鍵使能技術(shù)的集成，使DT-SMSD更加可靠和高效。本節(jié)回顧了如下圖所示的這些關(guān)鍵使能技術(shù)及其在SMSD的重要作用。

a） 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）用于實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)感知，為數(shù)字孿生體提供高質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)高保真虛擬建模和模擬計(jì)算?；跀?shù)字孿生的近物理調(diào)試允許設(shè)計(jì)師使用來自原型SMS的IIoT數(shù)據(jù)，使數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠在早期開發(fā)階段提前驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，如果發(fā)現(xiàn)效率低下和設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，則可低成本地進(jìn)行相應(yīng)的重新設(shè)計(jì)或調(diào)整決策。

b） 多領(lǐng)域物理化學(xué)建模

SMS是一個(gè)多場(chǎng)物理（機(jī)-電-液-熱-磁控制等）集成系統(tǒng)。傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是各領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者分別設(shè)計(jì)各自相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，然后進(jìn)行集成。雖然在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了全面的考慮、討論和協(xié)商，但仍然很難把握系統(tǒng)各個(gè)部分的復(fù)雜耦合。各個(gè)專業(yè)的模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于SMS設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，但是這些模型缺乏統(tǒng)一的編碼建模，不能共享。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）成為各專業(yè)學(xué)科模型的樞紐。各方設(shè)計(jì)人員圍繞系統(tǒng)模型進(jìn)行需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真等工作，MBSE可方便SMSD團(tuán)隊(duì)協(xié)同工作。因此，需要一種基于多領(lǐng)域建模和多學(xué)科仿真知識(shí)的新一代數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。

SMS的數(shù)字孿生模型可以包含反映不同維度的物理動(dòng)力學(xué)特性的模型，例如流體、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、應(yīng)力、疲勞損傷和材料狀態(tài)（剛度和強(qiáng)度等）。如何關(guān)聯(lián)這些維度對(duì)于建立數(shù)字孿生體至關(guān)重要。模型和數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體的核心。數(shù)字孿生模型應(yīng)反映物理系統(tǒng)的內(nèi)在運(yùn)行規(guī)律。對(duì)SMS中發(fā)生的規(guī)律、現(xiàn)象和過程的本質(zhì)的深刻理解將使我們能夠開發(fā)和應(yīng)用相關(guān)的多領(lǐng)域物理化學(xué)模型。

c） 實(shí)時(shí)同步與離散事件仿真

模型仿真是一種通過將包含確定性規(guī)律和機(jī)制的模型轉(zhuǎn)換為軟件來模擬物理世界的技術(shù)，是創(chuàng)建并保證數(shù)字孿生模型與相應(yīng)物理實(shí)體之間有效閉環(huán)的核心。模擬只要模型是正確的，并且提供了完整的上下文信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就能夠準(zhǔn)確地反映物理世界的特征和參數(shù)。實(shí)時(shí)物理同步是數(shù)字孿生方法與傳統(tǒng)仿真方法的主要區(qū)別。虛實(shí)同步延遲是衡量數(shù)字孿生系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

d） 可視化與虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

SMSD是一個(gè)復(fù)雜且易出錯(cuò)的人機(jī)交互過程。傳統(tǒng)的三維仿真系統(tǒng)通常不支持設(shè)計(jì)者作為終端用戶以身臨其境的方式體驗(yàn)最終的SMS。人們提出了一些具有虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）或混合現(xiàn)實(shí)（MR）的智能系統(tǒng)來支持工程師的設(shè)計(jì)和操作。在這種以VR/AR/MR技術(shù)為補(bǔ)充的人機(jī)系統(tǒng)中，“虛擬”和“真實(shí)”之間的界限變得模糊。利用VR/AR/MR技術(shù)對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)，可以提高設(shè)計(jì)效率。

e） 大數(shù)據(jù)分析與工業(yè)人工智能

傳統(tǒng)的基于知識(shí)的系統(tǒng)可分為基于實(shí)例的推理系統(tǒng)和基于規(guī)則的推理系統(tǒng)。在數(shù)字智能時(shí)代，一個(gè)更好的學(xué)習(xí)方法是有效地發(fā)現(xiàn)大規(guī)模案例數(shù)據(jù)中隱藏的知識(shí)和模式，以提高設(shè)計(jì)效率。領(lǐng)域?qū)＜彝ǔ：茈y意識(shí)到一個(gè)復(fù)雜的SMS系統(tǒng)隱含的因素相關(guān)性，考慮到制造過程中的隨機(jī)性，數(shù)字孿生體的正確設(shè)計(jì)仍然難以實(shí)現(xiàn)其魯棒性和適應(yīng)性。例如，即使溫度設(shè)置的微小偏差也可能導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的重大缺陷。然而，大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)方法可以捕捉到這一點(diǎn)。深度學(xué)習(xí)（例如，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)）作為最有前途的人工智能技術(shù)之一，可用于刺激和擴(kuò)展SMSD中的人工智能。具有學(xué)習(xí)能力的數(shù)字孿生模型可以使SMSD越來越智能化。來自歷史設(shè)計(jì)案例和上下文操作數(shù)據(jù)的日益可用性使得數(shù)據(jù)分析能夠創(chuàng)造附加值。在未來，將更多高級(jí)工業(yè)人工智能算法融入數(shù)字孿生模型有望實(shí)現(xiàn)自動(dòng)創(chuàng)建和生成新設(shè)計(jì)解決方案的能力。

f） 工業(yè)區(qū)塊鏈與智能合約

現(xiàn)有的數(shù)字孿生系統(tǒng)大多是集中式的，存在著數(shù)據(jù)可審計(jì)性差和可追溯性差的缺點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)攻擊下，SMS協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)安全是一個(gè)關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全方法需要改進(jìn)，以應(yīng)對(duì)威脅協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的攻擊。區(qū)塊鏈與智能合約為協(xié)同式SMSD的數(shù)據(jù)安全提供了新的解決方案。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂眉用芗夹g(shù)和分布式共識(shí)協(xié)議來確保網(wǎng)絡(luò)傳輸和訪問的安全，從而增強(qiáng)各個(gè)設(shè)計(jì)參與者之間的信息傳遞安全。

g） 面向分布式數(shù)字孿生的云計(jì)算和web服務(wù)

除了區(qū)塊鏈之外，實(shí)現(xiàn)協(xié)同式SMSD的另一種關(guān)鍵使能技術(shù)是支持分布式數(shù)字分析、設(shè)計(jì)和仿真工作的云計(jì)算和web服務(wù)。在協(xié)同式SMSD的上下文中，設(shè)計(jì)者和計(jì)算資源都是不同地理位置分布的。云計(jì)算和web服務(wù)系統(tǒng)允許在位于地理分散的多個(gè)類似成員之間合作共享設(shè)計(jì)活動(dòng)。SMSD中仿真工作對(duì)高性能計(jì)算的需求是引入云計(jì)算技術(shù)的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，云計(jì)算技術(shù)可以提供低成本的計(jì)算資源共享、動(dòng)態(tài)分配和靈活擴(kuò)展。將web服務(wù)與云計(jì)算集成，使設(shè)計(jì)人員能夠遠(yuǎn)程分布式地開展SMSD工作。

六、 研究方向

a） 將SMSD與產(chǎn)品開發(fā)相結(jié)合

一個(gè)產(chǎn)品在完成制造之前要經(jīng)過一組制造商以及一系列協(xié)調(diào)的制造活動(dòng)。許多制造商僅僅在自己的業(yè)務(wù)流程中開發(fā)了數(shù)字孿生，從而使現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型局限于一個(gè)企業(yè)內(nèi)部孤立的物理領(lǐng)域。為了適應(yīng)不斷變化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)使企業(yè)實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈整合的自動(dòng)化是至關(guān)重要的，但目前還沒有相關(guān)研究。目前，由于缺乏可用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和反應(yīng)迅速的設(shè)計(jì)規(guī)劃系統(tǒng)，使數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用變得困難。將智能產(chǎn)品開發(fā)/供應(yīng)鏈集成與SMSD相結(jié)合的數(shù)字孿生模型統(tǒng)一在未來的產(chǎn)品研發(fā)中是未來發(fā)展方向之一的，因?yàn)樗鼘⑹刮覀兡軌蛉鎯?yōu)化產(chǎn)品的生命周期活動(dòng)。

b） DT-SMSD標(biāo)準(zhǔn)

在中小型制造企業(yè)中實(shí)施數(shù)字孿生非常耗時(shí)，因?yàn)樗璧臉?biāo)準(zhǔn)尚不明確。此外，實(shí)際的物理制造和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間往往存在很大的差異。應(yīng)制定標(biāo)準(zhǔn)來回答如何實(shí)現(xiàn)良好的DT-SMSD的問題，并確定評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。制定DT-SMSD標(biāo)準(zhǔn)是制定技術(shù)指南和實(shí)施文件具體規(guī)定的過程，包括DT-SMSD中的技術(shù)原理、前提假設(shè)、處理方法、軟件工具、模型定義、邊界條件、設(shè)計(jì)步驟、變量控制、結(jié)果評(píng)估和結(jié)果校準(zhǔn)。

開發(fā)DT-SMSD標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可能包括以下評(píng)估維度：1）數(shù)字線程寬度，2）數(shù)據(jù)同步頻率，3）人工智能類型/級(jí)別，4）仿真能力，5）參考模型豐富性，以及6）用戶界面。與使用基于數(shù)字孿生的CAD軟件相比，DT-SMSD標(biāo)準(zhǔn)更為復(fù)雜，指定難度更大，不僅需要對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，而且需要進(jìn)行大量的誤差標(biāo)定工作。

c） DT-SMSD數(shù)據(jù)模式與參考架構(gòu)

由于缺乏一個(gè)通用的數(shù)據(jù)模式來同步、協(xié)調(diào)和集成SMS的跨域數(shù)字孿生模型，導(dǎo)致了大量的投資浪費(fèi)?？坍嬰姎?、機(jī)械、工效學(xué)和軟件等特定領(lǐng)域中的SMSD方案差異，并建立一個(gè)一致的數(shù)字孿生接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)模型是至關(guān)重要的。

應(yīng)在DT-SMSD參考架構(gòu)中從方法、技術(shù)、操作和業(yè)務(wù)方面來定義開發(fā)、操作和評(píng)估DT-SMSD解決方案。參考架構(gòu)回答了在哪里以及通過什么方式使用數(shù)字孿生的問題。如何確定數(shù)字孿生能夠發(fā)揮最大價(jià)值的設(shè)計(jì)任務(wù)，并在必要時(shí)確保正確的決策指導(dǎo)，是建立DT-SMSD參考架構(gòu)的任務(wù)。

DT-SMSD參考架構(gòu)應(yīng)該能夠滿足整個(gè)數(shù)字生命周期中的可重用性、互操作性、互換性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和自主性的要求。此外，考慮到企業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的成熟度正在逐步演進(jìn)，參考架構(gòu)不應(yīng)只規(guī)定“當(dāng)使用完全成熟的數(shù)字孿生系統(tǒng)完成SMSD時(shí)，應(yīng)該做哪些數(shù)字孿生實(shí)施工作”，但同時(shí)也應(yīng)該規(guī)定“在數(shù)字孿生系統(tǒng)的不同成熟度水平上，應(yīng)該定制什么樣的設(shè)計(jì)功能”。

d） DT-SMSD服務(wù)化

SMSD的服務(wù)化是行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，它采用服務(wù)商業(yè)模式，不僅提供單一的設(shè)計(jì)解決方案，還提供延伸到運(yùn)營(yíng)階段的服務(wù)，以滿足個(gè)性化的調(diào)整需求。與服務(wù)型制造和智能產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的概念類似，DT-SMSD的服務(wù)化旨在通過利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生作為媒介和工具，提供隨需應(yīng)變的設(shè)計(jì)能力，以獲得個(gè)性化的滿足，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的消極影響。

DT-SMSD的服務(wù)化是一種以客戶為導(dǎo)向的趨勢(shì)，它實(shí)現(xiàn)了制造商個(gè)性化需求向SMS要素、特性和參數(shù)的不斷轉(zhuǎn)換?？紤]到SMS中的動(dòng)態(tài)行為和交互，DT-SMSD服務(wù)化趨勢(shì)是從大規(guī)模歷史案例數(shù)據(jù)中挖掘決策支持知識(shí)和模式，以增強(qiáng)SMSD服務(wù)和上下文感知的價(jià)值共創(chuàng)。

引用本文： Jiewu Leng， Dewen Wang， Weiming Shen， Xinyu Li， Qiang Liu， Xin Chen. Digital twins-based smart manufacturing system design in Industry 4.0： A review. Journal of Manufacturing Systems， 2021， 60： 119-137.

文章發(fā)表于《Journal of Manufacturing Systems》期刊，2021年5月。

第一作者：冷杰武副教授 通訊作者：劉強(qiáng)教授

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612521001151

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編輯：jq