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4 基于數字孿生的智能生產線運行模式發展趨勢

毫無疑問，自動化技術是智能制造發展的重要支撐技術之一。一直以來很多企業將自動化線建設視為智能制造的重要抓手，并且涌現出了一些“黑燈生產”、“無人工廠”的示范案例。但目前企業較為常見的自動化生產線，更多的體現為物流周轉基礎上的聯動動作時序的協調，可以視之為一系列離散硬件裝置在特定動作序列約束下運行的生產線。傳統的自動線是通過PLC梯形程序進行控制，或者通過專門的工控軟件進行控制，不僅控制正常的流程，也具有一定程度的異常處理控制能力。

因此，本文結合目前很多企業在上馬自動化線或已經建成自動化線的局面下，如何進行智能化提升，也是不得不和必須面對的問題，尤其是是數字孿生技術在其中的體現。本部分從兩個方面論述：一是德國工業4．0關于自動化柔性線的數字孿生內涵；二是融合軟件定義制造思想的自動化柔性線數字孿生發展趨勢。

4．1 德國工業4．0關于自動化柔性線運行的數字孿生內涵

圖4是德國工業4．0的典型資料圖片，其所表達的含義是生產線中所有的硬件單元都有對應的軟件形式的服務，比如傳感器服務、控制服務、通訊服務、校驗服務、信息服務等，整個CPS網絡系統就是一個服務連接網絡，具有“服務聯網”的概念，這些服務有層次并且能夠動態組合配置［4］。所謂的智能管控，體現為硬件資源的離散化，通過服務化封裝，實現業務資源鏈條的重構與控制，并可以進一步的支持“軟件定義制造”理念的落地。其在自動化生產線硬件之上構建的服務聯網系統，具有明確的數字孿生內涵。

圖3德國工業4．0關于自動化柔性線的管控思路

4．2 融合軟件定義制造思想的自動化柔性線數字孿生發展趨勢

德國工業4．0所倡導的自動化柔性線智能管控核心是實現資源的柔性配置，而這種配置的手段也是面向智能制造的APS的重要發展方向。融合軟件定義制造思想的自動化柔性線數字孿生發展趨勢如下所述。

（1）自動線構成要素裝置的CPS獨立控制能力的發展

對于自動化產線線而言，一般都是連續的沒有間斷的按照時序執行動作。但這些動作時序的執行，也是需要依靠一些構成要素裝置的，比如閥、泵乃至機床及其內部的執行動作部件等，或者是各種集成程度的獨立裝置等。對這些要素按照能夠狀態反饋、指令執行的方式，進行改造和提升，為后續的智能化柔性控制提供支持。

（2）硬件裝置構成要素的必要性聯動控制能力的發展

這種聯動控制并不是限定自動化產線中某兩個裝置的固定時序，其核心目的是增加柔性，目標是自動線上任何需要建立關聯的構成要素裝置能夠實現聯動控制。這方面的分析可以從產品的工藝流程角度入手，按照生產過程中各個構成要素裝置時序關系進行分析。

（3）以產品性能保證為核心的工藝知識沉淀及物化能力的發展

產線對產品性能保證的技術提升無止境的，根據需要可以分析產品的性能指標的保證機制，比如引入機器視覺、比如引入自適應加工等，豐富自動線運行的知識基礎上的智能化內涵。

（4）多產品混線生產的關聯控制與協調能力的發展

只有當自動線能夠支持多產品混線生產，自動線能夠提供柔性的關聯控制與協調能力，才能說這條線具有智能化體現。比如自動數控加工線，可以自動的獲取狀態并進行分析，可以下發指令進行硬件裝置的工作參數調整；比如自動數控加工線，根據需要為不同的硬件裝置傳遞不同的數控程序；比如不同產品的工藝流程不同，可以通過柔性的聯動控制，實現生產路徑的快速轉換，以及不同品種產品在自動線上的混流交叉生產。

（5）基于APS的軟硬一體化控制的柔性控制的發展

如果自動線只是生產一種產品，則所有的硬件要素裝置鎖定了某種動作指令序列而已。但如果自動線是多品種混線的，則動作指令序列將具有復雜的組合聯調配置要求。如果這種組合判斷比較簡單，可以通過PLC或工控軟件來實現。但如果這種組合判斷比較復雜，尤其是加入了智能化體現的分析、推理、決策等內容，單純的狀態0－1式或閾值式判斷將無法滿足需求，需要引入復雜軟件系統的形式進行控制，才能滿足需求。并且，這種復雜軟件控制系統，面對多產品混流生產的復雜的生產過程，將是目前傳統的APS向軟硬一體化緊密關聯協調控制的重要轉變和發展方向。

5 結束語

智能生產管控是提高制造企業生產運行效能的追求目標，數字孿生技術與智能生產管控具有內在統一的有機聯系，是推動智能生產管控落地的關鍵使能技術。

（1）分析了智能生產管控的實時狀態感知、分析推理決策和閉環控制執行的特點；

（2）通過對標數字孿生技術內涵與智能生產管控需求特征，實現了兩者之間有機融合；

（3）提出了基于數字孿生的智能生產管控應用的兩個重點：智能制造服務化智能配置管理決策和自適應智能加工工藝決策；

（4）結合我國制造業自動化產線建設的需求，結合德國工業4．0理念，融合了軟件定義制造思想，給出了基于數字孿生的智能生產線運行模式發展趨勢的判斷。

參考文獻：

［1］制造強國戰略研究項目組． 制造強國戰略研究：智能制造專題卷［M］． 北京：電子工業出版社，2015．

［2］陶飛，程穎、程江峰等人，數字孿生車間信息物理融合理論與技術［J］．計算機集成制造系統，2017，23（8）：1603－1611． DOI：10．13196／j．cims．2017．08．001

［3］ 王愛民．制造執行系統（MES）實現原理與技術［M］．北京：北京理工大學出版社，2014．

［4］ 國務院發展研究中心課題組． 借鑒德國工業4．0推動中國制造業轉型升級［M］． 北京：機械工業出版社，2018．