宁方昊 丁云鹏
苏州工业职业技术学院 271200
【摘要】本文对车间调度进行研究，分析基于数字化双胞胎的车间加工的实时路线以及进行动态调度的方法。
【关键词】数字化双胞胎；三维可视化车间
1.数字化双胞胎车间道的相关概念
数字化双胞胎是在美国宇航局研究出2个一模一样的太空飞行器之后，根据一位名为“迈克尔·格雷夫斯”的教授所提出的“信息镜像模型”慢慢演变而成的，数字化双胞胎又称作数字化映射、数字影像以及数字孪生[1]。在2012年，美国国家航空航天局把数字化双胞胎定义为：一个集多个概率、多个物理量以及多个尺度为一体的仿真过程，通过运行历史、物理模型以及更新传感器等相关信息数据在虚拟空间进行映射，继而反映以及刻画相应的物理世界实体产物的整个生命的周期过程。其中包括：第一，虚拟空间的产品和物理空间的产品之间信息以及数据的连接；第二，物理空间中存在的物理产品；第三，使用数字化的方式所构建的一个和物理实物产品相对应的虚拟产品。
产品数字化双胞胎具体指的是在设计产品的阶段、生产产品的阶段以及服务阶段构建数字化双胞胎。在对产品进行设计的阶段，借助模拟真实产品的这一过程来分析产品设计，并且对存在的问题进行改进；制造产品的阶段是对生产成本降低的过程进行模拟；服务阶段则是预测用户的使用效果以及收集应用户的使用反馈来对产品进行有效的改进完善，并且对每个不同阶段中的产品使用数据进行实时收集，然后根据收集的信息来对产品进行优化。车间数字化双胞胎具体指的是在车间的层面构建一个数字化的虚拟车间以及真实存在的物理车间，通过使这2者之间产生双向的映射以及连接，然后借助相关要素信息的有机融合来对生产活动进行优化、有效管理生产车间的要素以及对生产过程中进行精准控制。
相较于传统的生产车间而言，数字化双胞胎车间有许多优点，例如：通过将数据信息有效融合以及连接，从而让生产车间的每个部分都实现车间数据共享以及同步，继而提升车间各个部分之间的协调性，对“孤岛效应”的消除发挥着关键的作用。除此之外，当物理车间系统的信息采集功能以及执行功能在车间其他部分作用的时候，数据信息就能够产生双向的流动，继而形成闭环系统，最终使车间之间的循环以及迭代运行得到有效实现，从而使车间的自治性以及柔性得到有效提升。
2.数字化双胞胎车间加工路线的实时动态调度方式
数字化双胞胎车间加工路线的实时动态调度相关机制
随着社会的进步发展，制造业的市场环境迎来一个新的局面，为了使顾客的个性化需求得到满足，达到个性化定制的目的，继而提高了对制造车间的要求，相关部门应当尽快提高制造车间面对突发情况时的反应能力以及解决能力。传统制造车间感知信息以及数据的系统不够完善[2]，难以对车间出现的变化做到及时感知并且及时进行调度。然而基于数字化双胞胎的三维可视化车间则由于虚拟车间以及物理车间之间的连接以及数据而具有实时性，继而能够储存各种各样的融合数据，一旦车间发生任何动态变化，例如：设备出现故障、紧急的订单以及员工离岗等，车间均能够第一时间感知这些不确定性极高的事件，而不用如过去传统车间运行时，要反复评估考虑发生这些不确定事件的几率为多少。数字化双胞胎车间可以将车间中的所有状态以及变化掌握于手中。因此，在车间发生状况时，数字化双胞胎车间能够在一个虚拟的环境下极快的生成一个全新的车间调度方案，并且将这个全新的调度方案传达给现场的车间执行系统。
继而优化产品的加工路径，对产品的加工路径进行适当的调整，最终将制造车间系统的自治性以及灵活性大幅度提升。在制造车间中，经常要面对批量生产产品的情况，由各种不同的操作来组成每一个产品的加工过程，而这些不同的操作则是由各种各样的资源来进行的，例如：机器人和机床[3]。所以，由于制造车间的可用资源有限，寻找一个产品加工时间最短并且可行的加工路线调度是十分有必要的举措。产品制造车间的制造系统归属为离散事件系统，而离散事件系统的理论核心方式包括：Petri网、极大值加大代数、布尔函数法、自动机与形式语言、Markov Chain扰动分析以及排队论。制造车间中需要进行生产制造的订单任务会依次送达，每一个订单任务中的每一个工件，均必须根据规定的工序序列来对此原件进行相应的加工，而在对工件加工的过程中，关键的问题就是，需要加工的工件有很多，怎样在使用资源有限的情况下来合理的协调以及安排这些可使用资源，换而言之就是怎样合理的规划所有工件的加工路线。面对这个问题，首先应当对车间中产品的完整制造过程建立一个模型。接着使用数学中的相关计算方法来求解模型，最终获得一个产品加工时间最少并且具有可行性的产品加工路线。而Petri网不仅能够有效反映车间制造系统的冲突、同步以及并行等内部关系，使用图形化的方式来将建立模型的对象直观而清晰的描述出来，并且可以将车间制造系统的动态结构以及静态结构也很好的描述出来，方便进行理解。除此之外，Petri网也可以将车间制造系统的约束、活动以及资源都有效的表达出来，极其适合用来作为描述离散事件系统的工具，而且车间的整个产品制造过程也符合上述特征。最后，Petri网是一项具有严密的数学计算基础的理论，能够对各种数据以及情况进行很好的数学计算。
用Petri网来对车间制造产品的整个过程进行建模的时候，其结合数字化双胞胎车间的实时动态调度流程如下：
步骤一，对车间的设施组成结构以及车间产品的整个加工过程进行科学、合理的分析，用Petri网来构建一个车间初期制造产品的过程模型。
步骤二，按照产品制造初期的制造过程的Petri网模型，通过虚拟空间来对模型进行求解，最终得到产品加工的路线调度策略。
步骤三，通过物理空间以及虚拟空间之间的信息交互来把车间的调度指令传达给物理车间的产品制造执行系统，接着传达给相关制造设备，然后物理车间根据调度方案的操作方法来进行产品制造生产。
步骤四，这时，物理车间开始进行一系列的运作，工件开始慢慢进行加工，通过数字化双胞胎车间的运行系统来收集实时的车间运行信息。
步骤五，对目前的运行状态到所有加工完成时的状态的最短加工时间的对应加工序列再次进行求解，继而形成全新的调度策略，并且回到步骤三。
结语
在数字化双胞胎的驱动下，制造车间的工件加工路线的相关调度模式使得产品制造过程的管控工作发生了一些改变，把原来以管理者作为中心的被动式调度转为了以工件以及机器作为中心的主动式调度，对于产品制造过程的管理与控制变得更加精准，对车间的实时动态的调度策略进行进一步的优化。
【参考文献】
[1]朱国良.数字化双胞胎之虚拟调试技术应用[J].中国仪器仪表,2020(06):19-23.
[2].PSO Easergy A5数字化双胞胎助力面向未来的数据中心建设[J].智慧工厂,2020(05):32-33.
[3]梁生龙.数字化双胞胎技术在燃气轮机生产参数校正中的应用[J/OL].山东农业大学学报(自然科学版):1-4[2020-09-27].http://kns.cnki.net/kcms/detail/37.1132.S.20200329.2014.006.html.
作者简介：宁方昊（1998-11），男，汉族，学历：大专，研究方向：MCD机电一体化虚拟仿真