[發明專利]一種邊云協同數字孿生智能排產應用運行位置適配方法

有效

• 申請號: 202110443344.X
• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113112088B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 許方敏;楊帆;李斌;趙成林
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q10/06;G06Q50/04;G06F30/23;G06F30/27;G06N3/08
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 祗志潔

本發明提供了一種邊云協同數字孿生智能排產應用運行位置適配方法，應用的智能排產系統包括云層、邊緣層和設備層。在邊緣層和云層都設置生成的數字孿生系統；在云層設置有適配策略控制器。適配策略控制器在生產過程中動態感知邊緣以及云端資源狀態、應用屬性等，以最小化數字孿生智能排產決策周期延遲為目標，分確定環境和非確定環境兩種情況下對數字孿生智能排產應用的運行位置進行實時適配切換；在非確定環境下采用基于預測的數字孿生智能排產應用運行位置實時適配切換。采用本發明方法確定數字孿生智能排產應用運行位置，減少了基于數字孿生系統由于數據交互以及指令下達存在延遲所帶來的性能減損，提高了基于數字孿生排產精度的保障。

技術領域

本發明涉及工業智能排產、數字孿生、邊緣計算等技術領域，具體涉及一種基于邊云協同的工業數字孿生智能排產應用運行位置適配方法。

背景技術

實施車間作業調度(JSS,Job Shop Scheduling)，即智能排產是指將生產任務分配至生產資源的過程。在考慮能力和設備的前提下，在物料數量一定的情況下，安排各生產任務的生產順序，優化生產順序，優化選擇生產設備，使得等待時間減少，平衡各機器和工人的生產負荷，從而優化產能，提高生產效率。

生產排產將一批工件分配給有限個設備加工，每個工件有特定的加工工藝，通過安排工件在每臺設備上的加工順序，優化某些指標，如加工時間、設備能耗、設備利用率等。然而在實際生產過程中，各種動態擾動因素會對調度過程產生巨大干擾，甚至導致原有調度方案無法正常執行。其中，由設備磨損、疲勞、破損等引起的設備不可用是主要擾動。

當前，隨著物聯網技術的發展，越來越多的車間數據，如設備運行狀態、環境數據、工件參數等，能夠被獲取，并用于預測設備的可用性，然而這些數據仍不夠全面，這是因為他們主要由傳感器測量得到，對于難以直接測量的數據缺乏考慮。而數字孿生技術能夠在考慮傳感器測量數據的同時，基于數字孿生模型仿真得到大量難以直接測量的數據，并通過融合兩種數據提升預測模型的準確性。同時，基于數字孿生的多維模型能夠對設備的尺寸形狀、物理參數、能耗行為、規則約束等多為屬性進行描述，從而在生產任務執行前，對生產調度方案的性能指標進行全面評估，使其滿足預定義的要求。最后，數字孿生技術具有三個重要特性：實時性、動態性和雙向性。

傳統基于數字孿生的生產排產將排產應用部署在云服務器中，然而云計算服務器距離用戶較遠。因此，獲取到車間狀態數據實時性差，無法滿足數字孿生對實時性的要求，因此導致直接測量的實時物理數據以及由這些數據預測的仿真數據精度下降，由此導致智能排產應用精度下降。

因此，現有一些研究開始將數字孿生系統部署在邊緣服務器中。邊緣計算是指在靠近物或數據源頭的一側，采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務。其應用程序在邊緣側發起，產生更快的網絡服務響應，滿足行業在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。邊緣計算處于物理實體和工業連接之間，或處于物理實體的頂端。而云端計算，仍然可以訪問邊緣計算的歷史數據。

邊緣側服務器可以實時對生產狀況進行數據獲取與監控，部署各類數字孿生應用可以降低任務處理時延、節省帶寬，但是通常來說邊緣側底層資源能力受限，在資源緊張的情況下，受限且異構的邊緣計算、存儲和網絡資源導致基于數字孿生的智能排產應用排產效率低、決策周期延遲高，很難適應實時動態變化的工業互聯網環境。

由于數據傳輸以及排產指令下達所帶來的延遲是影響原本智能排產精度的重要指標。因此，相對于云端，邊緣側相對于用戶較近，可以更實時獲取表示車間狀態的動態信息，包括工人在設備上完成某工序的實際花費時間，設備健康狀態等，通過實時數據的獲取，邊緣側服務器可以實時對生產狀況進行監控，以實現基于數字孿生設備的精確排產。然而，邊緣側計算、存儲和網絡資源在忙時由于資源受限，很難承載基于數字孿生的智能排產應用。

發明內容