[發明專利]一種基于數字孿生的車間級智能制造系統及其配置方法

有效

• 申請號: 201810339946.9
• 申請日: 2018-04-16
• 公開（公告）號: CN108427390B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 丁凱;張富強;張旭東;惠記莊;王剛鋒;劉清濤
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

1.一種基于數字孿生的車間級智能制造系統的配置方法，基于數字孿生的車間級智能制造系統包括物理層和信息層，以及用于對物理層和信息層進行連接的網絡層；所述的物理層包括能夠主動交互、柔性裝夾至不同數控加工機床的在制品，以及能夠接入車間制造物聯網并實現相互之間狀態感知、實時通訊和自治交互的制造資源；所述的網絡層包括能夠虛擬化為網絡中的資源節點，實現物理層所有在制品及制造資源互聯，形成車間制造物聯網的網絡和接口；所述的信息層包括在制品與制造資源的數字孿生體，以及用于實時數據處理計算、制造系統運行仿真、生產決策分析與會話管理的軟件，數字孿生體通過網絡層的網絡和接口形成與物理層所有在制品及制造資源之間的一一映射關聯關系，實現對物理層所有在制品及制造資源的虛擬化仿真建模；每個在制品配置帶有唯一標識的RFID標簽、嵌入式系統設備以及帶有柔性裝夾裝置的運輸托盤；所述的制造資源包括加工設備、機器人、運輸小車、操作者，采用一一映射準則配置RFID數據采集器、嵌入式系統設備及振動、位置、噪聲、電流、電壓傳感器、人機交互終端以及網絡通訊模塊；其特征在于，包括以下步驟：

1)物理層配置建模；

首先，為車間內的每一個在制品配置一個帶有唯一標識的RFID標簽、一臺嵌入式系統設備、一個帶有柔性裝夾裝置的運輸托盤，形成能夠主動交互、柔性裝夾至不同數控加工機床的在制品；在制品的形式化建模描述為：

SP_i＝{PT_id，O_id，OInfo，PSet，Cp，Cl，PLog} (1)

P_i，j＝{P_type，Qr，St，Dt，Info} (3)

式中的，PT_id表示在制品SP_i的唯一識別代碼；O_id和OInfo表示在制品所屬訂單的標號和詳細訂單要求；PSet表示在制品加工工序集；Cp和Cl表示當前在制品正在執行的工序操作和當前所在工位；PLog表示加工工序執行過程記錄信息；Rⁿ表示與在制品加工工序集對應的制造資源矩陣，用于描述任一工序在執行過程中所需的各類制造資源集合；P_i，j表示在制品的第j個加工工序，P_type表示工序類型；Qr表示在制品的加工工藝質量要求，St和Dt分別表示該加工工序的開始時間和加工時間，Info記錄與該加工工序相關的其它信息；

其次，采用一一映射準則為車間內的制造資源配置一臺RFID數據采集器，通過無線射頻的方式與在制品進行通訊；配置一臺嵌入式系統設備及振動、位置、噪聲、電流、電壓傳感器，由嵌入式系統實時采集傳感器數據，并通過車間網絡將實時數據上傳至系統；配置一臺人機交互終端，用于顯示制造資源的實時制造任務、加工進度、生產指令，并提供交互接口以輸入相應的數據和請求，形成智能車間制造資源集，形式化建模描述為：

SE_i＝{ET_id，E_type，CE_st，DSet，ELog，Info} (4)

DSet＝{N，E，S，V，D} (5)

其中：ET_id表示制造資源SE_i的唯一識別代碼，E_type表示該制造資源的類別；CE_st表示該制造資源的當前狀態；DSet表示嵌入式系統設備采集的與該制造資源相關的傳感器數據集，包括機床主軸振動V、位置D、噪聲等級N、能耗E、運動速度S；ELog表示制造資源的運行狀態記錄信息；Info表示制造資源的詳細參數，包括廠商、責任人、壽命及核心參數；

制造資源之間的競合關系描述為：

式中的，R_SE表示制造資源之間的競合關系矩陣，矩陣元素R_i，j表示第i個制造資源和第j個制造資源之間的競合關系，-1、0、1分別表示競爭關系、無關系、合作關系；

根據上述配置建模過程，得到智能車間物理層配置的最終方案為：

式中的，SP表示車間中流轉的在制品集合，SE表示車間內制造資源的集合，表示以加工工序流為主線、通過車間網絡形成的在制品SP與制造資源SE之間的自然連接；

2)網絡層配置建模；

首先，分別布置車間局域網、無線網、ZigBee以及藍牙傳輸網絡，并采用星型網絡融合方法建立異構網絡的集成模型，為多模終端的統一訪問提供支撐；其次，設計基于權限控制機制的多層級車間云數據庫模型，并配置車間的異構數據通訊接口、人機交互接口；最后，通過上述網絡和接口標準化接入在制品和制造資源，并虛擬化為網絡中的資源節點，實現制造車間內所有物理資源的泛在互聯，形成智能車間制造物聯網；

3)信息層配置建模；

首先，對車間內的在制品、制造資源進行數字化映射建模，形成車間內各物理實體的數字孿生體，并依據實際布局對數字孿生體進行邏輯排布，形成智能車間數字孿生體模型；

智能車間數字孿生體的形式化建模描述為：

CSF表示車間數字孿生體，SP′和SE′分別表示在制品數字孿生體、制造資源數字孿生體；

其次，采用基于信息-物理空間映射的方法，建立物理空間中的車間與信息空間中數字孿生體之間的邏輯映射關系，各物理實體通過數據接口協議與數字孿生體進行雙向的數據同步；其中，車間將實時采集的制造數據通過接口上傳至數字孿生體，數字孿生體通過調用數據模型進行數據處理和系統仿真分析，數據模型包括SVM、DNN、K-means、HMM；得出的生產決策信息通過接口下達至各制造資源，并依據決策信息實時更新各自的生產指令，通過映射實現車間“感知-計算-執行-反饋-決策”的閉環制造邏輯；邏輯映射建模可描述為：

運算符表示物理空間中的物理實體與信息空間中的數字孿生體之間的一一映射關系。

2.根據權利要求1所述基于數字孿生的車間級智能制造系統的配置方法，其特征在于：各物理實體通過MTConnect、AutomationML、TCP/IP協議與數字孿生體進行雙向的數據同步。