工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)包括智能實體工廠、工廠數(shù)字孿生體和孿生服務(wù)系統(tǒng)，工廠數(shù)字孿生體由虛擬工廠和數(shù)字孿生引擎組成。實體工廠是實際存在的工廠，包括車間、生產(chǎn)線、在制品、產(chǎn)品、人員等。實體工廠需要有數(shù)字接口，能及時采集各類運行數(shù)據(jù)上傳給數(shù)字孿生體，并且具有一定智能化執(zhí)行功能，能接受數(shù)字孿生體發(fā)送來的控制指令進(jìn)行優(yōu)化運行。

工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的特點

01多領(lǐng)域數(shù)字孿生系統(tǒng)交互特征

在制造數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)中，一個工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)、供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)相互獨立且交互，共同形成制造數(shù)字孿生生態(tài)，而工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)本身也可以看作是包括了產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)、工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)字孿生生態(tài)，同時也和供應(yīng)鏈上其他數(shù)字孿生系統(tǒng)實現(xiàn)互動。不同數(shù)字孿生系統(tǒng)之間的集成和演化共同形成了智能制造系統(tǒng)能力。

02數(shù)據(jù)-知識混合驅(qū)動服務(wù)特征

知識服務(wù)是融入用戶之中并貫穿于用戶決策過程的服務(wù)，智能工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)需要將系統(tǒng)服務(wù)以最便捷、最直觀的形式提供給用戶，并直接與用戶交互。智能工廠中全面感知的制造數(shù)據(jù)連接著生產(chǎn)過程與生產(chǎn)決策，并通過生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計、信息的邏輯建模驅(qū)動生產(chǎn)決策的生成可以有效地提高生產(chǎn)管控能力、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，需要滿足智能工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)中“物理資源一模型一數(shù)據(jù)一知識一服務(wù)”多層級映射關(guān)系以及數(shù)據(jù)一知識混合驅(qū)動服務(wù)機制來滿足市場大規(guī)模定制化服務(wù)的需求。

03服務(wù)驅(qū)動管理特征

生產(chǎn)任務(wù)的動態(tài)變化、生產(chǎn)/物流任務(wù)目標(biāo)/約束多樣性、生產(chǎn)要素不齊套、生產(chǎn)能力限制等會導(dǎo)致智能工廠制造能力和質(zhì)量的不穩(wěn)定。因此工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)需要形成制造運行管理過程中所需的智能服務(wù)，并需要進(jìn)一步進(jìn)行服務(wù)融合來滿足智能生產(chǎn)、精準(zhǔn)管控等實際需求。工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)服務(wù)融合與協(xié)同應(yīng)形成“服務(wù)動態(tài)調(diào)度機制→服務(wù)匹配組合→服務(wù)組合可靠性評估”層級反饋關(guān)系。同時智能工廠受生產(chǎn)能力限制，需借助工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)與外部制造系統(tǒng)提供的制造服務(wù)進(jìn)行配置與交互。

04柔性特征

工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)的資源、信息和服務(wù)在時間和空間上具有動態(tài)演變特性，同時，面向大規(guī)模定制化服務(wù)，以及系統(tǒng)故障等擾動，都會對生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性提出新的要求。當(dāng)發(fā)生需求變化等各類擾動時，工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)的資源流與信息流都需要快速地、高效地調(diào)整運行，保證數(shù)字孿生系統(tǒng)提供的服務(wù)與客戶需求動態(tài)匹配。

05人機-物-信息協(xié)同共融特征

CPS和數(shù)字孿生技術(shù)是智能制造系統(tǒng)重要使能技術(shù)，CPS目的是使得信息空間和物理空間完美映射和深度融合以實現(xiàn)個性化產(chǎn)品制造過程中實時仿真和管理智能化。在復(fù)雜產(chǎn)品的智能工廠中，完全無人化的制造過程難以實現(xiàn)。充分利用人的感知能力和學(xué)習(xí)能力，“人在復(fù)雜制造環(huán)節(jié)”中可以充當(dāng)機器難以實現(xiàn)的智能車間執(zhí)行環(huán)節(jié)。人感知到的信息、決策思維以及執(zhí)行能力作為智能車間中增強部分，發(fā)揮著不可或缺的作用，最終實現(xiàn)智能工廠中“人-機物-信息”協(xié)同共融。人-信息物理的關(guān)系框架如圖1所示。

圖1 工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)中“人-信息-物理”交互特征

數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了智能制造工廠中物理實體與數(shù)字孿生虛體之間的虛實映射，并通過數(shù)字孿生建模、數(shù)據(jù)接口通信、實時同步仿真、智能決策優(yōu)化以及實時主動控制這一閉環(huán)執(zhí)行邏輯，實現(xiàn)數(shù)據(jù)-知識混合驅(qū)動的智能制造空間自治管控。實時同步仿真是實現(xiàn)智能決策與主動控制的核心，通過多學(xué)科、多物理量、多模態(tài)、多尺度、多概率仿真模型結(jié)合來自真實物理空間中的狀態(tài)、事件、行為等數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果導(dǎo)入智能決策模型進(jìn)行綜合評價、優(yōu)化與預(yù)測，以生成控制指令與決策信息用于物理實體的實時主動控制。因此，數(shù)字孿生技術(shù)是智能工廠支撐物理空間、信息空間與業(yè)務(wù)交互空間泛在融合的核心使能技術(shù)。

工廠數(shù)字生系統(tǒng)的總體架構(gòu)

參考數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)，結(jié)合工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的特點，其總體架構(gòu)如圖2所示。工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)包括智能實體工廠、工廠數(shù)字孿生體和孿生服務(wù)系統(tǒng)，工廠數(shù)字孿生體由虛擬工廠和數(shù)字孿生引擎組成。

圖2 工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)

實體工廠是實際存在的工廠，包括車間、生產(chǎn)線、在制品、產(chǎn)品、人員等。實體工廠需要有數(shù)字接口，能及時采集各類運行數(shù)據(jù)上傳給數(shù)字孿生體，并且具有一定智能化執(zhí)行功能，能接受數(shù)字孿生體發(fā)送來的控制指令進(jìn)行優(yōu)化運行。

虛擬工廠，是指工廠相關(guān)的數(shù)字模型以及相關(guān)的信息系統(tǒng)。智能工廠的運行離不開信息系統(tǒng)的驅(qū)動，信息系統(tǒng)完成了工廠各級管理、運行控制功能，因此，智能工廠是一個信息物理系統(tǒng)(CPS)。工廠相關(guān)數(shù)字模型，除了工廠數(shù)字模型(工廠DMU)外，還包括產(chǎn)品數(shù)字模型和管理模型，這些模型是工廠運行所必需的。其他模型包括智能工廠監(jiān)控所需要的如環(huán)境控制、能源管理、安全防護(hù)等方面的模型。

數(shù)字孿生引擎是連接物理工廠和虛擬工廠，形成數(shù)字孿生系統(tǒng)，并提供基于數(shù)字孿生高級服務(wù)功能的軟件平臺，因此也是數(shù)字孿生體的一個部分。工廠數(shù)字孿生引擎包括數(shù)據(jù)融合、模型融合兩個基本部分，通過模型和數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)系統(tǒng)自組織、自調(diào)節(jié)、自更新、自優(yōu)化的智能功能，以及工廠運行管控等實時監(jiān)控功能并且對產(chǎn)品數(shù)字孿生體進(jìn)行更新。

工廠的智能功能主要從三個方面體現(xiàn):系統(tǒng)自組織、系統(tǒng)自調(diào)節(jié)/自更新以及系統(tǒng)自優(yōu)化，其中系統(tǒng)自組織包括客戶訂單需求解析、供應(yīng)鏈評估優(yōu)化、生產(chǎn)/物流計劃生成和生產(chǎn)仿真；系統(tǒng)自調(diào)節(jié)/自更新包括工廠多層次監(jiān)控、動態(tài)調(diào)度策略更新、基于模型自更新等；系統(tǒng)自優(yōu)化包括基于知識的數(shù)據(jù)分析、模型訓(xùn)練與優(yōu)化以及動態(tài)調(diào)度策略與方法。智能功能經(jīng)過服務(wù)演化和封裝發(fā)布到應(yīng)用終端，與用戶進(jìn)行最直觀的交互。

工廠數(shù)字孿生服務(wù)系統(tǒng)，是基于數(shù)字孿生引擎提供的包括供應(yīng)鏈管理、設(shè)計優(yōu)化等功能的服務(wù)，是工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)所具有的外在功能接口。通過服務(wù)的形式向外發(fā)布，并且支持各類應(yīng)用的開發(fā)和運行。智能工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)服務(wù)包括：供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品裝配優(yōu)化及指導(dǎo)、產(chǎn)品質(zhì)量控制、實時物流規(guī)劃及配送指導(dǎo)、能效優(yōu)化等服務(wù)，參與到工廠的管理系統(tǒng)中，有效地、智能地驅(qū)動工廠管理。而隨著AR/VR/MR等技術(shù)的發(fā)展和移動應(yīng)用的普及，通過基于新技術(shù)的人機交互服務(wù)，可以便于數(shù)字孿生應(yīng)用系統(tǒng)提供更高級的人機交互接口，能讓人更方便、精準(zhǔn)地參與到制造活動中，實現(xiàn)智能工廠中“人-機-物-信息”協(xié)同共融。

需要說明的是，“工廠”是一個比較寬泛的名詞，工廠的規(guī)模、組成差別很大，因此，圖2給出的只是一個工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構(gòu)，不同的工廠根據(jù)其自身特點，會有不同。

相對工廠的復(fù)雜來說，車間規(guī)模可控。因此，“車間數(shù)字孿生系統(tǒng)”是在工程實施中比較好的應(yīng)用切入口。車間數(shù)字孿生系統(tǒng)的架構(gòu)可以參考圖2來設(shè)計只是在車間數(shù)字孿生系統(tǒng)中，ERP、PLM等系統(tǒng)都算作外在系統(tǒng)，相互關(guān)系可以參考圖3。

圖3 車間數(shù)字孿生系統(tǒng)與外部系統(tǒng)集成示意圖