基于数字孪生的返工型生产系统能耗在线优化_孙贺.pdf

第 卷第期计算机集成制造系统 年月 ：收稿日期：；修订日期：。；基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；上海市“科技创新行动计划”自然科学基金资助项目（）；上海商用飞机系统工程科创中心联合研究基金资助项目（）；教育部中国移动联合基金建设资助项目（）；上海交通大学深蓝计划基金资助项目（）。：，（），（），（），（），（）基于数字孪生的返工型生产系统能耗在线优化孙贺，夏唐斌，石易达，冷柏寒，王皓，（上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室 机械与动力工程学院，上海 ；上海交通大学 弗劳恩霍夫智能制造项目中心，上海 ）摘要：针对采用“即刻返工”机制的生产系统面临的设备组成复杂性高、空闲机器空转时间长、能耗在线优化难度大等问题，提出一种基于数字孪生的生产系统在线能耗优化方法。构建了面向生产系统能耗优化的数字孪生系统，建立了面向“即刻返工”机制的生产系统能耗数字模型，融合实时数据实现了基于最佳缓存区阈值的在线能耗优化。以某新能源车厂电池车间模组产线为应用对象，设计并开发了该车间返工型生产线的能耗优化数字孪生系统，验证了所提方法的有效性与可行性。关键词：数字孪生；返工型生产系统；能耗在线优化；禁忌搜索中图分类号：；文献标识码：，（，；，）：，“”，“”，：；引言随着“智能化、绿色化、服务化”逐渐成为现代制造业发展的三大特征。工业界亟需遏制高耗能、高排放粗放型制造项目，推动生产线绿色转型积极发展。由于返工环线的应用能够大幅减少实际生产中计算机集成制造系统第 卷的原料浪费，有效控制生产成本，采用“即刻返工”机制的生产系统目前被广泛应用在各类制造工业中。但值得注意，考虑返工情形将加剧生产系统生产节拍差异带来的影响，如缺料、堵料以及机器空转能源浪费现象频繁出现。为优化返工型生产系统生产过程，降低返工型生产系统的能源消耗，近年来国内外学者针对生产系统能耗优化问题进行了大量研究。针对于生产线能耗优化，等提出了面向能耗的机器维护与刀具更换联合优化策略，将机器的预测性维护以及刀具更换相结合来形成节能方案。王君针对单机的生产排序问题，确定机器在生产间隙期的状态，从而减少能源消耗。陈赛等提出了面向可控加工时间（，）制造过程的节能优化策略，综合考虑单机能耗特性与生产方案的需求，调整工时分布，实现了更好的节能效果。等针对单台机器的生产调度决策，建立了以最小化能耗成本为目标的数学模型，来确定机器转换为加工、待机或停机状态的最佳实施时间。通过进一步结合系统串联结构和设备间关联性，等在系统层提出一种节能时间窗策略，显著地降低了生产线能耗。杨华强等针对批量生产的串联可持续制造系统，在设备层，拓展性地集成了能耗、成本、可用度个局部目标构 建 了 多 目 标 维 护 规 划 模 型（，），周期递进地输出各台设备的预知维护时间间隔；在系统层，综合考虑设备层预知维护规划结果以及设备间能耗关联性，提出的能耗结余窗（，）策略，实现了整个可持续制造系统的能耗降低。但在系统能耗优化领域，尚未考虑实际工业现场中的返工环线系统结构和“即刻返工”机制。针对 于 考 虑 返 工 情 形 的 生 产 系 统 建 模，等以带有返工环的伯努利串行生产线为对象进行研究，提出一种“”方法来获得产线的瞬态和稳态结果。周炳海等针对采用“即刻返工”机制的多环返工串行生产线，通过设置合理的缓存区阈值，优化在制品库存水平、系统平均生产率等系统性能指标。等针对返工线中带有支线的多环、多级生产线，建立了 （）马尔可夫模型来表征返工线中的在制品流，并据此提出了提升产线性能的方法。目前亟需将返工型生产系统建模与数字孪生前沿技术相结合，运用虚实结合、在线优化的综合性方法论，解决该类型系统的能耗优化需求。数字孪生（）是一种在信息世界刻画物理世界、仿真物理世界、优化物理世界、可视化物理世界的重要技术。在工业领域，陶飞等 提出数字孪生车间的概念，阐述了数字孪生车间的系统组成、运行机制、关键技术等，为数字孪生车间的落地应用提供了理论指导。李浩等 在分析面向人机交互的数字孪生系统特征的基础上，建立了面向人机交互的数字孪生系统工业安全与控制体系架构，提出数字孪生系统工业安全与控制机制，研究了系统工业安全与控制关键技术。等 提出了面向可重构制造系统的数字孪生与制造仿真一体化平台架构，实现了对生产流程的监控与仿真。刘娟等 针对当前车间运行状态在线预测难的问题，融合实时数据设计并开发了数字孪生车间的在线预测系统。田凌等 论述了数字孪生技术在生产线仿真分析领域的应用方向，指出了数字孪生在生产线仿真领域的发展趋势。施佳宏等 提出了面向生产线仿真的数字孪生逻辑模型构建方法，该方法重点阐明了数字孪生逻辑模型的生产行为以及模型间交互的仿真规则。苟艺星等 面向考虑质检报废的流水线，利用数字孪生系统采集到的实时生产数据，建立了事件驱动的系统生产损失模型，在此基础上获得产线质检机器配置的优化方案。此外，许多学者对数字孪生在车间可视化监控方面的应用进行了研究 。综上所述，当前考虑返工情形的生产系统能耗优化方法主要还是基于生产系统建模仿真。而基于模型仿真的方法在系统初始配置和设定上多由人为进行决定，且多数仿真方法为离线方法，实时性较差。一部分专家学者将数字孪生引入到生产线仿真领域，但目前的研究主要集中于生产线运行行为的实时仿真，未根据仿真的结果对生产线进行实时的性能优化。因此，本文将数字孪生技术引入到生产线能耗优化领域，首先建立面向能耗优化的返工型生产系统数字模型；在此基础上引入数字孪生技术，提出一种融合实时数据的返工型生产系统在线能耗优化方法，同时为加快模型求解速度，提出二阶段禁忌搜索算法计算缓存区最佳阈值，以实现实时、在线的能耗优化，最后设计并开发了返工型生产系统的能耗优化数字孪生系统，使车间管理人员第一时间获取生产线的状态和能耗优化结果，指导车间生产。第期孙贺 等：基于数字孪生的返工型生产系统能耗在线优化面向返工型生产系统能耗优化的数字孪生系统搭建根据采用“即刻返工”机制的生产系统能耗特征，搭建面向返工型生产系统能耗优化的数字孪生系统，其前提是在虚拟世界中构建与物理世界高度映射的虚拟产线。为了实现虚拟产线的高度映射，本文首先对物理车间进行数据采集，然后通过信息物理 系 统 数 据 总 线（）实现虚拟世界与物理世界的数据互联，借助 构建虚拟车间场景实现数据映射，最后对生产系统能耗进行优化。建立的面向返工型生产系统能耗优化的数字孪生系统总体框架，如图所示。物理车间数据采集物理车间是整个系统运行的基础。为了实现其多源异构数据的感知接入与融合（如图所示），首先以 协议以及以太网作为通信基础将采集到的设备状态、等数据储存到 缓存数据库进行统一管理，然后通过搭建的 服务对缓存数据库中采集到的实时数据进行分类、组合操作，最后将实时数据以消息帧的形式通过信息物理系统总线传输到虚拟车间以及能耗优化模块。消息帧定义示例如图所示。信息物理系统总线在获取到物理车间的实时数据后，为实现虚实空间数据的互联互通，建立了信息物理系统通讯服务，通讯服务总体框架如图所示。其中，信息物理系统总线是通讯服务的核心，总线定义了两种对象类型：设备对象和订阅对象。信息物理系统中所有的采集器（）属于设备对象，上层应用程序（监控服务、数据分析服务等）属于订阅对象。信息物理系统中的上层应用程序与下层采集器通过总线进行通讯。计算机集成制造系统第 卷设备对象具有两种功能：实时采集数据，直接获取 、设备等硬件信息，并以一定频率上传至总线；控制物理设备，实时接收来自总线的指令信息并控制所属物理设备执行相应动作。订阅对象具有种功能：信息展示，实时收取已订阅设备对象的数据，以多样化的形式展示；数据分析，执行在线数据分析，分析结果用于生产指导和优化；下发指令，根据生产需求或业务需求，通过信息物理系统总线实时下发控制指令。设备对象与订阅对象的通讯流程如图所示。第期孙贺 等：基于数字孪生的返工型生产系统能耗在线优化信息物理总线系统的应用涉及大量的传感器铺设、物理系统复杂度的提升等，因此拥有多物理量、多源异构等特点的大数据。数据的采集、传输与储存都隐藏着巨大的安全风险：中心化的数据储存方式会加剧泄露风险，攻击目标明确且成本低；多样性的数据蕴藏着极敏感和高价值的信息，面临的不是单一盗取者，而是多层次的盗取者；随着数据维度的增加，安全预防的应对方法和遭受攻击的解析过程愈加复杂，安全管理范围增加；虚拟空间的实施映射与生产系统数据分析都依靠准确的数据，一旦数据被篡改，或者分析系统被控制，后果是灾难性的。基于以上分析，需要采用全面且前沿的数据保护技术来降低风险。为此本文提出以下应对数据安全风险的技术手段：（）数据可信认证通过对采集数据进行标识，判断数据是否正确后进行采集，保证数据源的安全可靠。（）传输加密利用对称加密技术、非对称加密技术将数据转换为密文进行传输，确保数据的完整性。（）分类储存对数据进行分类储存，如对于元数据、高访问频次的数据，通过数据备份、数据镜像和灾难恢复等技术确保数据的完整性。（）安全销毁技术对于需要删除的数据，通过删除元数据等方式，确保数据删除彻底。虚拟场景搭建针对采用“即刻返工”机制的生产系统虚拟场景搭建，如图所示。虚拟场景的构建主要分为几何模型、场景搭建和数据实时映射。几何模型是虚拟场景构建的基础；场景搭建是对几何模型的进一步完善，包括添加物理属性、碰撞体、场景灯光和材质等，使虚拟车间更加真实；数据实时映射实现了虚拟场景对物理车间产线生产过程的实时映射，以及车间关键数据可视化。本研究将上传至虚拟车间的数据分为驱动数据和可视化数据两类。驱 动 数 据 驱 动 虚 拟 场 景 中 的 机 器 人 和，使虚拟场景实时映射物理车间产线生产过程；可视化数据通过数据面板在虚拟车间中进行实时展示，提高车间监控透明度。车间几何模型如图所示，可分为车间环境模型、加工模块模型、质检模块模型、人工处理模型、缓存区模型、物流模型以及人员模型。每个具体的设备模型采用“父子”节点的建模方 式，并采 用 建模软件对车间几何模型进行构建。为提高虚拟车间的场景真实感和沉浸感，采用 构建虚拟车间场景。在 中完成对几何模型的物理属性、材质、碰撞体和灯光的添加，使虚拟车间场景高度还原物理车间的环境。为实现对车间几何模型的实时驱动，以六自由度协作机器人为例，首先通过 中的 编程建立 类解析来自监控服务的实时数据，然后将数据转换为事件消息，最后建立机器人驱动蓝图类接收事件消息，实现对机器人的实时驱动。驱动机器人蓝图类如图 所示。对于车间产线关键数据的可视化，为提高用户体验感，首先使用 等设计软件设计数据可视化面板，然 后 依 靠 提 供 的 （）组件使可视化界面展示在虚拟车间中，最后对于用户来说有时需要重点看个别机器的数据面板，则需要面板界面可以通过外部输入事件进行显示与隐藏，因此通过蓝图系统建立面板界面控制类，实现对外部输入的响应，完成对面板界面的控制，提高用户体验。中数据面板显示组件和数据面板控制类如图 所示。面向能耗优化的返工型生产系统数字模型 问题描述本文的研究对象为多设备带缓存区的复杂返工型生产系统，该系统每个返工检查组由过程模块与缓存区模块组成，如图所示。本文采用离散时间仿真（）方法进行建模，生产时间将被均匀划分为若干个离散的时间段，每个时间段的长度即为一个系统时钟时刻（）长度。每当系统仿真进入下一个离散时间段，系统将根据输入变量和先决的自身规则更新状态，并产生一定输出值。本文主要参数说明如表所示。计算机集成制造系统第 卷表主要参数说明表参数说明，过程模块，为加工模块、质检站模块与人工处理站的统称第个返工检查组中，过程模块的前继缓冲区第个返工检查组中的加工模块第个返工检查组中的质检站第个返工检查组中的人工处理站 （）过程模块在时刻的在制品数量（）的缓存水平（）缓存区在时刻移出生产系统的在制品数量的最大容量值的返工率 的（平均）单件加工周期时间总仿真时间段数生产系统中返工检查组的数量规定生产时限计划产量值（）在时段处于加工（值为）还是待机（值为）状态（）在时刻处于开机（值为）还是关机（值为）状态 的上阈值 的下阈值单位能耗