摘要

1、在解析基于数字孪生生产系统仿真软件的特征和应用需求的基础上,阐述了生产系统仿真软件的关键技术,包括生产系统孪生模型构建、生产系统仿真优化和离散事件基础仿真引擎。

2、通过整合国内外生产系统仿真软件,总结了生产系统仿真软件的应用。

3、基于数字孪生的生产系统仿真软件的特征,以及软件与数字孪生模型高保真表示、高效构建、高效仿真和人机交互等的紧密结合,探讨了基于数字孪生的生产系统仿真软件开发的技术挑战与发展趋势。

0 引言

工业软件是制造业发展的重要支撑和引领力量，工业软件的安全性、可靠性、自主性被视为产业发展和信息安全的重要基础。因此，需要突破关键技术，打造自主可控的工业核心软件。

生产系统仿真软件是核心工业软件的重要组成部分,在产品研制中占据核心地位,是工业数字化转型的关键。

论文综述了生产系统仿真技术和软件的应用与发展。

基于数字孪生的生产系统仿真软件面临如下问题：

• (1)生产系统仿真软件对多维数字孪生模型数据表示的要求较高
• (2)生产系统仿真软件对数字孪生模型高效构建的要求较高
• (3)生产系统仿真软件对计算机硬件的要求较高

问题

综上所述,离散制造企业在响应个性化需求和支持柔性化定制生产时,常存在生产系统的生产能力评估不充分、资源配置不足、系统布局不合理等问题,对所使用的生产系统仿真软件提出了更高的要求。

意义

前沿技术的诞生与发展,促使现代生产系统仿真软件逐渐向基于数字孪生的生产系统仿真软件发展。数字孪生也是近年来软件巨头布局的业务,加快其在国产生产系统仿真软件上的应用,对发展国产自主化工业软件具有重要意义。

本文对基于数字孪生的生产系统仿真软件及其关键技术和应用进行分析，

• 1、介绍了基于数字孪生的生产系统仿真软件的特征和基本架构
• 2、通过分析在基于数字孪生的生产系统仿真软件研究领域的相关代表性文献,对数字孪生、生产系统孪生模型构建、生产系统仿真优化和离散事件基础仿真引擎4大主要关键技术,以及基于数字孪生的生产系统仿真软件应用进行了阐述,并依托前沿技术,探讨了基于数字孪生的生产系统仿真软件的技术挑战与趋势

1基于数字孪生的生产系统仿真软件特征与体系架构

1.1基于数字孪生的生产系统仿真软件的特征

• (1)提升多维数字孪生模型数据表示
• (2)加强建模过程规范化和智能化支持
• (3)削弱对计算机硬件的要求
• (4)提升多维数字孪生模型数据的兼容性
• (5)支持拓展功能集成

1.2基于数字孪生的生产系统仿真软件体系架构

描述基于数字孪生的生产系统仿真软件的结构形式及其各组成模块之间的关联关系,是支撑软件的基础。

目前专门针对基于数字孪生的生产系统仿真软件的体系架构研究相对较少,大多是针对特定应用对象构建。基于数字孪生的生产系统仿真软件的研发涉及物理实体、模型构建、仿真引擎、分析与优化等多方面因素的耦合与集成,虽然各种研究提出的各种数字孪生体系架构层次有一定出入,但是覆盖内容大体相同。

结合现有数字孪生架构与生产系统仿真软件特点,构建框架如图1所示：

• (1)物理实体层

包含车间内的工业机器人、升降辊床和提升机等物理要素,负责车间内的生产加工活动,并在物理空间收集和传输数据,如设备数据、材料信息、人员信息、环境数据等。

• (2)数据传输层

通过车间底层协议技术贯通物理实体层,用于虚实信息相互映射。

• (3)数据层

该层能对多源异构数据进行清洗、融合、存储等,并完成与各层间的数据交互。

• (4)工具与可视化层

主要包括建模工具、仿真引擎以及分析与优化等工具。

• (5)应用层

指开展的设计仿真、生产过程管理、设备故障诊断和产品质量控制等应用。

2 基于数字孪生的生产系统仿真软件关键技术研究

2.1数字孪生

数字孪生已从概念研究向关键技术研究和多领域融合运用转变,但是在生产系统仿真软件中的生产系统模型构建、生产系统仿真优化、数字孪生驱动的生产系统仿真、孪生数据驱动的生产系统优化、离散事件基础仿真引擎等基础核心技术研究方面,仍面临巨大的挑战。

2.2基于数字孪生的生产系统模型构建

在现有研究中,建模可从模型内容和提升建模效率两方面展开,然而现有数字孪生模型建模技术与工具研究是离散和分离的。

• 1、在模型内容方面的研究综述；
• 2、在建模效率方面,随着市场需求的不断增加以及竞争程度的不断加剧,如何实现高效建模也成为当下的研究重点。

生产系统仿真软件通常都能支持生产系统孪生模型建模。

问题：

工程师用上述软件建模时,通常需要基于软件提供的脚本语言和软件内置的组件构建生产系统孪生模型,并深度参与建模。该过程过于依赖工程师的多次操作,建模周期较长,而且所建模型在全面刻画和描述物理实体方面有待提升。

综上所述,已有商业化生产系统仿真软件和现有研究在数字孪生模型建模内容和高效建模上取得了一定成果,鉴于现有生产系统仿真软件所面临的多维数字孪生模型数据表示和建模效率等问题,已有研究成果只能作为进一步深化研究的基础。

• 目前各生产系统仿真软件面临的挑战：

在精准表示多维数字孪生模型数据的同时,保证建模和仿真效率,将建模技术有效转化成实用的建模工具。

2.3基于数字孪生的生产系统仿真优化

2.3.1生产系统仿真优化

相关研究主要集中于生产系统布局、生产线平衡和生产排产等方面。

这几方面的研究现状以及未来的研究趋势：

• 1、生产系统布局的仿真优化是对车间设备间的摆放问题进行仿真优化,需要考虑物料运输和几何条件约束等多方面问题。
• 2、生产线平衡优化旨在对工作站的任务分配进行优化,使各工作站的作业节拍和任务负荷尽可能相同。
• 3、生产排产优化是合理安排工件在每台机器上的作业顺序。

综上所述：

• 1、现有文献均通过建立数学模型或者在生产系统仿真软件中建立数字孪生模型开展生产线的布局、平衡和排产等单方面目标优化研究,少数开始综合研究上述多方面目标。
• 2、同时,现有研究较少将离散系统中的故障率、合格率等各项影响因素集成建模,而且各作业单元间的作用机制也考虑不足。
• 3、另外,现有生产系统仿真优化研究更多基于已有数据驱动,缺乏实时数据驱动,难以实时对生产系统进行精准调整和优化。

因此,后续仿真优化研究应考虑在精准且可信的数字孪生模型下展开,充分集成离散生产系统的各项影响因素和实时动态数据,综合考虑布局、平衡和排产等各项优化目标,智能和精准地调整生产系统。

2.3.2数字孪生驱动的生产系统仿真

在实际生产过程中,生产系统的状态会时刻发生变化,使离线的生产系统模型难以真实刻画和描述生产系统的物理实体,导致仿真结果易偏离预期效果。数字孪生可以实现虚实生产系统融合,即通过物理实体数据实时更新数字孪生模型,使虚实生产系统无限接近,以提升仿真结果的准确性。

针对数字孪生驱动的生产系统仿真的时效性和有效性需要进一步改进与优化

重点关注的方向如下:

针对生产过程数据的多源异构特性,需要进一步研究数据的处理、融合、挖掘和存储等高效操作,将物理实体的多源异构数据实时映射到数字孪生模型中,使生产系统孪生模型能够精确反映实际生产系统的生产状态,有效提升仿真效果,为优化孪生数据驱动的生产系统奠定基础。

2.3.3孪生数据驱动的生产系统优化

相关研究可从以下两方面展开:

• ①基于孪生数据对监测到的生产异常进行诊断,有针对地进行优化调整;
• ②通过分析生产过程的孪生数据,求解出最佳的参数组合,使生产过程更加高效而精确地进行优化。经过多年发展,数据驱动的生产系统优化方法取得了一定成果,然而针对基于数字孪生的生产系统仿真的时效性和有效性,仍需在以下方面进行深入研究:
• ①生产过程的动态性会使历史数据训练的诊断和预测模型难以适应当前生产需求,研究如何将历史数据与实时数据实时有效结合,实现对诊断、预测和优化模型的有效更新;
• ②如何建立完善的知识库,不断发现新知识,将设计知识、工程经验知识和机理知识等与数据驱动方法结合,提升诊断、预测和优化模型的准确性与运行效率。

2.4离散事件基础仿真引擎

是生产系统仿真软件的核心,该引擎提供了一整套仿真控制逻辑。离散时间仿真的基本方法包括事件调度法、活动扫描法、进程交互法和三阶段法。

上述3种方法在各自不同的应用领域能够较好地实现仿真控制。

三阶段法是事件调度法和活动扫描法的综合改进,是目前离散生产系统仿真软件主要采用的方法。

3 生产系统仿真软件的应用

应用生产系统仿真软件时,常见的生产系统建模与仿真过程如图2所示：

生产系统仿真软件可应段,以应用软件具有代表性的设计和运维两阶段为用于设计、制造和运维等产品全生命周期的各个阶例,阐述这两个阶段应用仿真软件的应用过程。

目前,市场上已有大量商业化生产系统仿真软件,其中应用比较广泛的主要有VisualComponents,Flexsim,PlantSimulation,DGP,IntePlant,FactorySimulation等。

下面对这几种常用仿真软件进行概要性介绍和对比：

3.1VisualComponents

芬兰VisualComponents公司开发的三维制造仿真和可视化软件。

该软件能以简单、快速和有效的方式构建工厂内部的整体可视化制造过程,拥有来自工业自动化领域50多个品牌的组件,且将离散物流仿真模拟、机器人离线编程、可编程逻辑控制器(PLC)虚拟调试三大功能集于一个平台。

3.2Flexsim

是由美国FlexsimSoftwareProducts公司推出的一款主要用于对生产制造、物料处理、物流、交通和管理等离散事件系统进行仿真的软件。

该软件具有构建仿真模型、仿真优化和生成3D影像等功能,具有很好的开放性和较强的扩展性,用户可基于此与各类外部软件配合使用,并通过C++语言进行定制化开发。

同时,该软件具有较强的三维图形显示功能,可支持面向对象方式构建仿真模型,帮助用户构建逼真的仿真模型和自己的模型库。

3.3PlantSimulation

是一款面向对象的集成建模物流仿真优化软件,该软件能够对生产计划、生产系统性能、生产系统布局和仓储物流等参数进行优化,为迅速且可靠优化生产系统提供参考。

PlantSimulation软件有甘特图、瓶颈分析器、二维仿真、三维仿真、智能优化算法等工具,可为优化资源利用率、能耗和缓存区占用情况等各种生产系统参数提供便利,同时该软件也具有较好的交互接口,可与数据库、PLC和Excel等软件进行交互,有效实现软件之间的数据联通。

3.4DGP

是东风设计研究院有限公司针对汽车生产线仿真的生产系统仿真软件，支持在移动端、客户端和网页端访问和使用。

该软件实现了多平台模型的数据融合,支持数据写入、编辑、存储、分析,实现了“多端一云”的多人项目协同,可对汽车生产线进行仿真优化、虚拟调试和实时监控。

3.5IntePlant

是由华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心针对生产线仿真开发的一款应用软件。

具有虚拟仿真、调试与优化等功能。该软件采用模型组态、逻辑组态、事件组态和运动组态快速构建产线仿真模型,可实现生产线虚拟仿真,预测产线的工作效率和各模块组结合的仿真节拍,同时支持stl,step,iges,brp等各类常用格式,有效支持将外部软件构建的几何模型导入IntePlant软件,较大程度上降低了几何建模的工作量。

3.6FactorySimulation

是华中科技大学“国家智能设计与数控技术创新中心”自主研发的生产系统仿真软件。

该软件基于离散事件仿真理论,用Java语言进行开发,实现了仿真动画、脚本编程、甘特图、仿真优化和仿真引擎等功能,是面向智能工厂的“CAE”软件,可应用于复杂生产系统模拟运行及其性能的定量分析优化。

FactorySimulation软件具有较好交互接口和扩展性,可与外部软件结合进行深度定制化开发,而且该软件支持所有主流操作系统,以及桌面应用和网页端,有助于软件的应用推广。

3.7各生产系统仿真软件对比

通过列举1.2节总结的特征对各软件进行对比,如表1所示,其中评价方式采用“弱”“一般”“高”“较高”。下面讨论所对比的特征,以期为读者选择软件提供参考。在选取相关软件时,可参考所对比的特征进行综合考量。

4 基于数字孪生的生产系统仿真软件的技术挑战与发展趋势

基于数字孪生的生产系统仿真软件的研究与应用正面临如图9所示的技术挑战和发展趋势。

• 广度上：

基于数字孪生的生产系统仿真软件作用于最初的生产系统设计,逐步拓展和延伸到生产系统制造、运维、改建等产品全生命周期的各个环节;

• 深度上：

基于数字孪生的生产系统仿真软件需要依托虚拟/增强现实(VirtualReality/AugmentedReality,VR/AR)、人机交互(Human-ComputerInteraction,HCI)、知识工程(KnowledgeEngineering,KE)等领域的飞速发展,逐步向复杂生产系统孪生模型高保真表示、复杂生产系统孪生模型高效构建、基于云和5G的高效仿真与渲染、基于数字孪生的人机交互等研究领域过渡,最终向虚实深度融合和高效协同的方向发展,实现生产系统全生命周期的数字化管理和智能化生产。

4.1技术挑战

为了验证和优化更加复杂的工程问题,在复杂生产系统孪生模型表示、复杂生产系统孪生模型构建效率、复杂生产系统孪生模型的仿真和渲染,以及人机交互等各个层面仍然有很多关键技术亟待突破。

• (1)复杂生产系统孪生模型表示：
  目前,诸如Flexsim等生产系统仿真软件所创建的数字孪生模型,仍不足以全面刻画和描述制造资源物理实体,导致数字孪生在产品设计、生产过程管理、设备故障诊断等方面的应用难以充分发挥。
• (2)复杂生产系统孪生模型构建效率：
  当前主流的生产系统仿真软件未将运动学、动力学、控制学等多领域工程技术知识进行有效管理并融入软件的集成化、一体化研发过程中,其内置知识更新主要依赖厂商,而企业在使用软件过程中不断累积的知识难以有效共享和传播。
• (3)复杂生产系统孪生模型的仿真和渲染：
  在仿真和大量几何模型渲染等方面给用户硬件带来了巨大的计算压力,而且基于数字孪生的生产系统仿真软件对仿真的时效性和几何模型实时渲染的要求较高,如果不能及时准确地输出仿真优化结果,轻则影响用户体验,重则可能造成工程事故。
• (4)人机交互机制：
  例如Flexsim等成熟商业化生产系统仿真软件主要采用“鼠标+键盘”的人机交互方式,软件与人在视觉、触觉和听觉等信息上的交互较少。

4.2发展趋势

未来需要在云计算技术、5G技术等前沿技术下结合应用,以支撑生产系统仿真软件的发展,具体包括以下几个方面:

• (1)复杂生产系统孪生模型高保真表示
• (2)复杂生产系统孪生模型高效构建
• (3)基于云和5G的高效仿真和渲染
• (4)面向数字孪生的人机交互

5 结束语

通过总结基于数字孪生的生产系统仿真软件的概念和特征,本文阐述了数字孪生、生产系统孪生模型构建、生产系统仿真优化和离散事件基础仿真引擎等关键技术及软件应用,分析了基于数字孪生的生产系统仿真软件面临的技术挑战与发展趋势。

基于数字孪生的生产系统仿真软件的研究和应用还处于初级阶段,在新一代信息技术与制造技术深度融合的趋势下,未来需要进一步推动国产自主可控的生产系统仿真技术向软件化和智能化发展。