摘要
生産線仿真是保證生産設計方案正确、合理、高效的前提，其中對生産線邏輯的正确性仿真最為關鍵。為實作基于數字孿生的生産線仿真技術，提出面向生産線仿真的數字孿生邏輯模型建構方法。首先提出生産線仿真系統組成架構，然後從幾何、實體、生産行為、仿真規則4個次元闡述數字孿生邏輯模型的建構方法，詳細介紹幾何屬性、實體屬性的定義方法，采用有限狀态機定義的生産行為，并定義行為資訊傳遞規則、同步推進規則和互斥優先規則3類仿真規則。基于模型建構方法開發了生産線邏輯仿真原型系統，通過生産線執行個體仿真驗證了模組化方法的有效性。
關鍵詞：生産線仿真、數字孿生邏輯模型、有限狀态機制、生産行為、仿真規則
1. 引言
制造業是大陸經濟的支柱産業，也是大陸經濟“創新驅動、轉型更新”的主要戰場。随着經濟的發展，産品多樣化、個性化、定制化發展的趨勢越來越明顯，為了适應目前多品種、中小批量的産品需要，柔性生産線( Flexible Manufacturing Line，FML)應運而生，特别是在航空、航天、雷達制造等行業，由于産品零件自身的結構特征和科研生産任務的性質，其零件制造呈現出品種多、批量小、周期短等離散型生産模式的特性，導緻生産線頻繁變動。為確定改造後的生産線能夠滿足生産需求，産前規劃是改造前必不可少的步驟。生産線仿真關注生産規劃這一環節，利用虛拟仿真技術對生産線的布局、工藝路徑、物流等進行預規劃。從實際的實體生産過程來看，生産線仿真是實作虛拟生産線和預測産能的重要決策依據。
國外對生産線仿真技術的研究起步較早，目前已經成熟，在歐美等國家和地區，生産線仿真軟體已廣泛應用于航空航天、汽車、造船等領域的生産規劃，在工廠仿真領域主要有美國的Flexsim、西門子公司的Plant Simulation和芬蘭的門子公司的Plant Simulation[8]和芬蘭的Visual Components等。
近年來,國内的專家學者也對生等。近年來，國内的專家學者也對生産線仿真軟體的不同層面進行了研究，戴曉明等較早開始研究所學生産線動态系統仿真，采用Visual C++和Visual Basic開發了DEDS Sim 軟體，但僅應用于某一煉鋼連鑄離散事件動态系統；胡明明等針對鋼材加工生産的複雜管理問題，研究設計了面向鋼材加工作業的離散生産仿真軟體；何駿等采用面向對象的方法，通過定義事件類來封裝底層邏輯功能，提供了實作離散事件通用仿真平台的新思路，但其事件類的定義不夠完善。相比國外，國内對生産線仿真技術的研究起步較晚，研究工作開展得比較分散，尚未形成成熟的通用化生産線仿真平台。
目前所用仿真技術的仿真過程基本獨立于實體世界，缺少刻畫和反映實體工廠中的房間中生産線行為、規則、限制等資訊的模型。近年發展的通過數字孿生(digital twin)技術溝通實體世界與資訊世界的理論，對提升生産線仿真技術有重要作用。數字孿生用于實作實體空間與虛拟空間之間的互聯互通，數字孿生模型間可互動的特性能夠有效聯通生産工廠中的房間，為提高仿真的逼近性提供了新思路。柳林燕等認為數字孿生技術為工廠中的房間生産過程的高效運作提供了一種技術手段，其中數字孿生模型是數字孿生技術的核心，是對生産線現場的實體映射。
數字孿生模組化是通過虛拟模型存儲和管理相關資料，實作實體實體在虛拟空間的數字化重制；VRABIC等提出數字孿生模型是通過共享數字空間來定義模型間的行為互動及互相關系；SCHLEICH等通過建構一種展現産品全生命周期的數字孿生模型，指出建構有效數字孿生的核心是準确的資料和準确的模型；NEGRI等制造系統中模型的具體行為與核心仿真分開，用于靈活啟動數字孿生模型的特定行為；
陶飛等指出虛拟工廠中的房間的本質是模型的集合，數字孿生模型包括要素、行為、規則3個層面，是對實體工廠中的房間的數字化重建，可以真實地反映實體世界。雖然在專家學者的廣泛研究下，将數字孿生技術運用于生産工廠中的房間模組化的理論知識和技術研究已經得到極大拓展，但是目前對數字孿生模型的研究處于全要素資訊抽象階段，尚未對專業領域中數字孿生模型的建構過程進行研究，尤其是用于生産線仿真的數字孿生模型的建立。
本文基于數字孿生模型的幾何、實體、行為、規則4個層面，對面向生産線仿真的數字孿生邏輯模型的建構方法進行研究。首先，将實體實體抽象為數字空間中集幾何、實體、生産行為和仿真規則于一體的數字孿生邏輯模型；然後，從單一模型加工運作狀态轉換和多模型協同運作仿真的角度，詳細闡述模型建構的關鍵技術———有限狀态機制下的生産行為以及模型間仿真規則的行為資訊傳遞規則、同步推進規則、互斥優先規則；最後，設計并開發了通用的生産線仿真原型系統，通過對某藥廠包裝線進行生産仿真驗證了所提方法的有效性。
2. 生産線仿真系統組成架構
生産過程是一個涉及多技術、多元度的複雜實體過程，在滿足生産線仿真需求的前提下，将生産線仿真系統劃分為實體實體層、數字孿生模型層和系統功能層，如圖1所示。其中，實體實體層指“人—機—物—料”等客觀存在的實體集合，負責執行工廠中的房間生産活動，并提供實體空間的資料資訊；數字孿生模型層是實體實體層的真實映射，數字孿生模型間互相關聯協作，對實體空間中的各類生産活動進行仿真分析；系統應用層中，生産線仿真系統與各智能制造資訊系統進行服務融合，實作生産計劃仿真、裝置效率分析和生産流程優化等功能。
實體實體空間中，與生産線相關的制造資源包括制造裝置、操作人員、物料和環境，通過其互動運作完成各類生産任務。傳統的虛拟仿真技術往往針對具體場景下的單一目标進行裝置模型、人員模型、物料模型和環境模型的獨立模組化，難以滿足制造資源在存在形式和業務流程上的多元度和多層次融合，無法完整真實地再現實際加工生産過程。生産線仿真過程中，孿生模型面對不同類型和多樣化功能的實體實體，需要建立統一的邏輯結構，進而建構數字空間中的數字孿生邏輯模型。本文根據陶飛等提出的“幾何—實體—行為—規則”多元度數字孿生模型，對生産線仿真的數字孿生邏輯模型建構方法展開研究。
利用數字孿生技術進行實體實體裝置的虛拟空間模組化，通過建構相應的數字孿生邏輯模型，實作生産制造資源從實體空間向數字空間的多元度映射，其中包括幾何、實體屬性對實體空間中制造裝置的幾何資料和實體特征的映射，生産行為對制造裝置的狀态變化、産品形态變化等行為的映射，以及仿真規則對實體空間裝置運作和演化規律的映射。是以，面向生産線仿真的數字孿生邏輯模型是在數字空間中從幾何參數、實體屬性、生産行為和仿真規則4個次元對生産制造資源進行描述的抽象模型。
圖1 生産線仿真系統組成架構
3. 數字孿生邏輯模型的建構
面向生産線仿真的數字孿生邏輯模型的建構過程如圖2所示。首先，以實體生産線中的實體為基礎，提取生産過程中實體實體的尺寸資訊、工廠中的房間布局設計和實體加工方式等生産資訊，作為數字孿生邏輯模型的幾何參數和實體屬性；然後，根據實體實體在實際生産過程中可能發生的生産行為，建構基于事件驅動的有限狀态轉移模型，使數字孿生邏輯模型具有行為特征、響應機制，以及進行狀态轉換的能力；最後，在幾何屬性、實體屬性和生産行為的基礎上，建立生産實體實體的數字孿生邏輯模型的仿真規則，通過制定模型間的同步推進規則和互斥優先規則，利用邏輯管道将仿真過程中産生的行為資訊傳遞給相關聯的模型，進而使各類模型裝置具備演化、運轉的能力。
圖2 數字孿生邏輯模型建構過程
4. 數字孿生邏輯模型的生産行為
生産行為是實際生産加工資源的行為抽象，因為邏輯層面忽略了實際制造裝置的加工動作，是以實體實體的數字孿生邏輯模型主要通過生産行為描述生産過程中相應要素的行為狀态。根據ROCHA等将UML序列圖擴充繪制成有限狀态機（Finite State Machine，FSM）的過程，本文通過有限狀态機對數字孿生邏輯模型内部行為和外部輸入事件的狀态轉移進行模組化，描述模型在其生命周期内經曆的有限狀态序列，以及抽象模型因外部事件觸發狀态改變的所有情況。
單一生産制造加工裝置在某道加工工序過程中共有空閑待機、正常作業和阻塞等待3種生産狀态。其中：空閑待機指物料還未進入制造裝置時的待機狀态；正常作業指物料進入制造裝置後的加工狀态；阻塞等待指物料完成加工後未被及時取出時的等待狀态。然而，僅通過這3種基本狀态無法保證邏輯仿真的正确性，是以邏輯模型引入完成加工這一輔助仿真狀态。完成加工是瞬時狀态，邏輯模型完成加工任務後将進入該狀态，做出簡單的事件響應後立刻轉換為基本狀态。通過有限狀态機建構的加工裝置模型生産行為的有限狀态模型如圖3所示：
圖3 加工裝置模型的有限狀态模型
根據表1中狀态、事件、動作和轉換的定義，加工裝置有限狀态模型的狀态轉換過程如下：
表1 狀态、事件和動作
（1）當仿真時間到達加工裝置模型所設定的仿真進入時間e1時，加工裝置模型進入邏輯仿真空間δ1 ，其初始狀态為空閑待機狀态q1。
（2）當物料模型的執行個體化對象到達指定加工位置e1時發生狀态轉換，加工裝置執行個體化對象進入正常作業狀态q2，并開始對物料進行加工δ2。
（3）當加工時間到達設定的加工時長e3時，加工裝置模型結束加工任務δ3，并發送加工任務完成信号δ4，此時加工裝置模型進入完成加工狀态q3，若此時能夠直接取出加工完成的物料e4，則加工裝置模型進行卸料操作δ5，傳回至空閑待機狀态q1，等待下一個加工任務到來；若目前無法直接取出加工完成的物料e5，則加工裝置執行個體化對象進入阻塞等待狀态q4，直到取出加工完成的物料e4，加工裝置模型卸料δ4并傳回至空閑待機狀态q1。
5. 數字孿生邏輯模型的仿真規則
在實際生産線加工過程中，各類制造裝置通過中控系統發出的排程指令完成各自的生産任務并進行相應的資訊回報。然而，在生産仿真過程中不是中控系統驅動所有生産資源有序執行，而是生産資源在綜合考慮自身幾何屬性、實體屬性和生産行為的基礎上，自發地根據仿真規則實作生産線的自主運作，進而對實際生産線的中控系統正确和合理地進行預仿真和預驗證。是以，在将回報資訊包含于生産行為資訊的基礎上，仿真規則需實作抽象模型間的資訊互動，進而保證邏輯仿真的正确映射。仿真規則包括：不同數字孿生邏輯模型間的行為資訊傳遞規則、解決仿真過程中事件驅動模型狀态轉換先後問題的同步推進規則，以及處理同級模型間資源競争問題的互斥優先規則。
1）行為資訊傳遞規則
在上述生産行為基礎上，通過邏輯鍊路模型進行不同模型生産相關行為資訊傳遞的過程如圖4所示。邏輯鍊路是加工工序相鄰抽象模型間連接配接的邏輯管道，在數字空間中表現為一個有向連接配接。通過邏輯管道相連的兩個執行個體化對象間自動建立前驅和後續關系，以進行仿真資訊互動。其中，前驅和後續關系是相對的，前驅模型提供目前模型前一道加工工序的模型，後續模型提供目前模型後一道加工工序的執行個體化模型。當模型對某些事件做出響應時，其狀态發生轉換，并将狀态轉換這一事件以信号的形式傳輸至邏輯管道，其前驅模型與後續模型讀取邏輯管道中的事件信号後觸發事件響應，做出相應的動作并改變其狀态。以此類推，完成整個邏輯仿真。
圖4 數字孿生邏輯模型事件資訊傳遞規則
因為完成每道工序所需的時間不同、各生産要素成本存在差異等原因，提供每道加工工序的生産要素數量不盡相同，是以抽象模型的資訊互動存在兩種不同的情況，分别為兩個單一模型相連的一對一模式和單一模型和多個模型同時相連的一對多模式。一對一模式下采用同步推進機制進行狀态轉換，一對多模式下采用互斥優先機制進行狀态轉換。
2）同步推進規則
在一對一模式下，數字孿生邏輯模型的狀态轉換取決于自身的仿真規則以及另一個模型傳輸的事件信号。LETTIERI等将作業系統中生産者—消費者模型的概念融入通信雙方消息發送或接收過程中，進而實作通信雙方的同步運作。本文采用生産者—消費者模型描述等待和通知機制。生産者即上述通過邏輯鍊路連接配接的前驅生産資源，消費者即後續生産資源。生産者隻需關注是否可以發出物料，不用關注具體的消費者；消費者不用關注具體的生産者，隻需關注是否有物料可以接收進行加工。
因為後一道工序的執行需要完成前一道工序的物料加工，是以将前一道工序的數字孿生邏輯模型視為生産者，後一道工序的數字孿生邏輯模型視為消費者。在邏輯仿真過程中，當生産者尚未傳入事件信号時消費者無法進行信号解析，當消費者尚未完成前一個信号解析時生産者無法直接傳入下一個信号，即一對一模式下的資訊互動存在明顯的先後順序，這種先後順序與執行個體化對象屬性中的加工時長相關。實際生産過程中存在生産時間等于消費時間、生産時間大于消費時間和生産時間小于消費時間3種情況，結合生産要素有限狀态模型中的空閑待機、正常工作和阻塞等待3種基本狀态轉換過程，建立生産者消費者狀态轉換時間關系。
根據三态轉換與對應的時間關系，采用同步推進機制解決事件信号的傳入與解析問題，上述3種情況的運轉情況如圖5所示。
圖5 同步推進規則三态轉換圖
（１）生産時間等于消費時間
如圖5a所示，整個過程不存在等待和阻塞時間，前驅生産者完成生産後，向邏輯管道傳入生産完成信号，消費者随即解析前驅發出的生産完成信号，同時向邏輯管路傳入等待消費信号；生産者解析後續消費者的可接收信号後發出貨物，消費者進入消費時間；生産者再次進入生産時間，等下一次生産者完成生産時消費者正好完成消費，再次進入上述信号傳入解析過程。
（２）生産時間小于消費時間
如圖5b所示，整個過程不存在待機時間，生産者的工作時間與阻塞時間之和等于消費者的工作時間。
（３）生産時間大于消費時間
如圖5c所示，整個過程不存在阻塞時間，消費者的工作時間與等待時間之和等于生産者的工作時間。
3）互斥優先規則
在一對多模式下，存在單一生産者和多個消費者相連以及多個生産者和單一消費者相連的情況，因為機關加工時間内一個生産者隻能生産一個物料且該物料隻能被一個消費者使用，是以在一對多模式中，多個消費者和多個生産者的情況下均會産生競争關系。本文采用互斥優先機制解決同種抽象模型中多個數字孿生邏輯模型間的競争關系，具體如圖6所示。
在邏輯生産線建構過程中，各模型通過幾何尺寸GP中的前驅模型集PMS和後續模型集BMS，記錄與目前模型之間具有生産者—消費者關系的對象、事件信号傳輸接收優先級及其此時的工作狀态。如圖6a所示，在單一生産者與多個消費者相連的情況下，當生産者完成加工後，查詢其後續對象工作狀态集，将完成物料加工這一事件信号傳輸給後續對象工作狀态集中優先級最高且處于空閑等待狀态的消費者；當生産者完成該事件信号傳輸後，其餘消費者無法獲得該事件信号，實作了事件信号的互斥解析。
如圖6b所示，在多個生産者與單一消費者相連的情況下，當所有生産者同時完成加工并在邏輯管道中傳入完成物料加工這一事件信号時，消費者查詢其前驅對象工作狀态集，從優先級最高的生産者邏輯管道中讀取事件信号進行解析，其餘生産者的事件信号仍然儲存在相應的邏輯管道中，實作了事件信号的優先解析。
圖6 互斥優先規則實作方式
6. 執行個體驗證
基于上文面向生産線邏輯仿真的數字孿生模型建構方法的研究，對以數字孿生邏輯模型為核心的生産線仿真原型系統進行開發。以某藥廠凍幹針劑生産線中的包裝線為例驗證生産線仿真過程，并通過原型系統的界面操作展現數字孿生邏輯模型的幾何屬性、實體屬性、生産行為和仿真規則。
7. 結束語
本文對适用于生産線仿真的數字孿生邏輯模型建構方法展開研究，根據已提出的幾何、實體、行為、規則4個次元的數字孿生模型理論建立生産線邏輯仿真的數字孿生模型。所建構的數字空間的數字孿生邏輯模型包括幾何屬性、實體屬性、生産行為和仿真規則4個層面，重點闡明了利用有限狀态機理論闡述的數字孿生邏輯模型的生産行為，以及Producer/Consumer Model程序互動思想闡述的模型間互動的仿真規則。基于上述建構方法，利用面向對象的思想建構各類加工制造裝置實體的數字孿生邏輯模型，然後通過仿真軟體，針對産線設計階段出現的異常情況進行生産線再設計，并對某藥廠的包裝線進行了執行個體驗證。本文所述模型建構方法僅針對數字孿生邏輯模型，對實際實體空間的實體要素描述不夠全面，數字空間的孿生模型需要繼續更新完備。
本文來源：《計算機內建制造系統》原創 DT國際研究中心