本文能为工业4.0时代开发部署新SMS带来新的启示

文章介绍

智能制造系统 (SMS) 是一个多域物理系统，组件之间存在复杂的耦合。通常，各个领域的设计人员只能根据有限的知识和动力学估计来设计 SMS 的子系统。设计和开发统一的 SMS 模型以有效地模拟制造过程的每一个交互和行为是一项挑战。 数字孪生技术作为一项新兴技术，可用于SMS设计阶段，以发现早期设计错误和缺陷，并通过实现近物理仿真来减少物理调试和重构的时间和成本。

数字孪生智能制造系统设计 (SMSD) 的开发正处于起步阶段。基于 Web of Science 数据库中的文献检索，本文提出了一种新颖的功能-结构-行为-控制-智能-性能 (FSBCIP) 框架来研究如何将 数字孪生 技术集成到 SMSD 中并为其提供便利。本文还介绍了基于数字孪生的SMSD定义、框架、主要设计步骤、新蓝图模型、关键使能技术、设计案例和研究方向。希望这篇文章能给工业4.0时代新短信的开发和部署带来新的启示。

一、前言

工业方​​面4.0，智能制造已成为世界制造业的发展方向。世界各国新的先进制造战略增加了设计新的智能制造系统的需求。智能制造系统（SMS）是由智能机器、智能材料、智能产品等多种要素复杂耦合组成的多领域物理系统。 SMSD 是一个复杂的过程，涉及对来自多个来源的数据进行建模、分析、挖掘和学习。

除了输入要求和过程干扰的不确定性之外，设计变量和目标之间复杂的相互作用、耦合和冲突使 SMSD 成为一项高度迭代和耗时的任务。在SMS的数字化设计过程中，SMS可以在数字空间中分解为各种粒度的数字模型，而实体产品和制造过程则存在于另一个物理空间中；

因此，映射 SMS 真实世界的高保真网络模型对于弥合 SMS 设计阶段和运营阶段之间的差距至关重要。此外，由于 SMS 与传统制造系统的主要区别在于工业智能，因此 SMSD 在工业 AI 模型的设计上比传统 MSD 更具挑战性。

但是，数字孪生智能制造系统设计 (SMSD) 的开发还处于起步阶段。有必要对技术融入SMSD的研究进行探索和梳理。本文试图展示如何将数字孪生技术合理地融入SMSD，真正推动智能制造的发展。如下图所示，本文总结了基于数字孪生的智能制造系统的设计定义、框架、主要设计步骤、新蓝图模型、关键使能技术、设计案例和研究方向。

二、基于数字孪生的SMSD方法的优点

传统上，仿真技术仅限于支持设计人员解决特定工程问题的标准工具。有一种趋势是将模拟从设计阶段扩展到后续的生命周期活动。如下图4所示，现有的MSD方法在设计过程中缺乏有效的迭代优化。由于仿真设计未经验证，设计质量难以保证。尽管仿真模型对于支持设计可视化很有用，但如何构建跨多个学科的统一 SMS 模型仍然是一个挑战。

解决方案是构建一个数字孪生模型数字孪生设备，反映和观察现实世界的SMS行为，并将其用于所有设计过程，包括系统部署和调试；在本文中称为数字孪生 智能制造系统设计模型（DT-SMSD）。 数字孪生基于多领域物理仿真模型与产品/系统实时数据相结合，被视为仿真领域的下一波浪潮。 数字孪生模型可以及时修改和验证，避免SMS仿真和开发过程中的瓶颈。 SMS的设计过程是指其对应的数字孪生概念设计（）、成型（Forming）和微调（Fine-tuning）过程。

数字孪生概念设计阶段（功能模型设计和结构模型设计）：使用多学科仿真快速验证概念。这个阶段的目标不是追求模拟精度，而是快速模拟。

数字孪生成型阶段（行为模型设计和控制模型设计）：通过仿真确定关键设计参数。虽然数字孪生的目的是为了降低物理调试的高成本，但在实践中还是需要保留必要的近物理系统调试，尤其是一些行业规范要求的调试。近物理系统调试是这个阶段的重点。

数字孪生的微调阶段（智能模型设计和性能模型设计）：数字孪生用于帮助构建SMS原型和规划系统测试场景。 数字孪生可以减少试错，精准瞄准需要智能设计点。以精益方式实现最佳性能。也就是说，数字孪生方法可以通过较少的测试达到短信验证的目的，提高设计效率。微调对应的数字孪生的关键是SMS具有良好的“功能-结构-行为-控制”可重构性和灵活性，以支持快速变化和替代原型解决方案。

三、功能-结构-行为-控制-智能-性能（FSBCIP）框架

SMSD 的本质是构建功能集成的实体，以满足布局约束、生产能力、遗留设备集成和制造效率等个性化要求。在 SMSD 过程中，客户域和产品域的个性化需求被传递到 SMS 配置域和相应的执行域，包括工业人工智能模型。本文提出了一个功能-结构-行为-控制-智能-性能（FSBCIP）框架来总结DT-SMSD的主要步骤。

a) SMS 功能模型设计 功能模型是对制造产品的活动以及活动之间关系的结构化描述。该模型强调了制造商要求对概念设计中产品可制造性、可组装性、可维护性和安全性的影响。 SMS具有什么样的功能，取决于它所面临的产品特性和开发需求。该模型通常包括工艺规划、设备选型和机械设计。

b) SMS 结构模型设计 结构模型是对实现制造功能、原理和行为的机械结构之间的融合、连接和装配关系的结构化描述。机械结构的相互关系是制造系统中材料、能量、信息和运动行为传递和转换的基础。该模型通常包括 SMS 中的拓扑定义、布局规划、夹具载体设计和缓存设计。

c) SMS 行为模型设计 行为模型是对机械运动传递、运动形式变换及其相互关系的结构化描述。机械系统之间的物质、能量和信息联系主要体现在机械运动行为的传递关系上。该模型通常包括 SMS 中的设备移动、在制品移动、材料处理和流程转换。运动行为的基本要素主要包括力、位移、速度、加速度、加加速度、角位移、角速度、角加速度、角加加速度。

d) SMS 控制模型设计 控制模型是一种统计或工程方法，用于处理制造过程的结构、操作或计算，以控制过程的输出。它通常包括电气和气动系统设计、控制和传感器网络、设备控制设计和多过程协调。

e) SMS智能模型设计 智能模型可以从控制优化的角度描述、开发和验证SMS的学习能力、优化能力和自主能力。它包括系统的设计方法和各种推理规则、机器学习算法和计算优化算法，使 SMS 能够实现可持续的性能。

f) SMS 性能模型设计 设计决策的差异会影响制造执行性能。性能模型通常包括对系统性能的评估和优化，如效率、灵活性、可重构性、鲁棒性、适应性、可扩展性和弹性等。

四、DT-SMSD研究进展

a) 短信功能模型设计进展

我。基于数字孪生 的工艺规划 工艺规划是SMSD 的基础数字孪生设备，可以通过数字孪生 技术加以增强。制造过程规划是在SMSD早期阶段，工程师根据产品制造特征识别，包括生产过程选择和过程排序，对可制造性、成本和效率进行分析的过程。在工艺规划过程中如何处理随机扰动和复杂载荷的研究很少。对于当前基于仿真的工艺规划方法，获取足够的工艺信息和寻找最优决策需要 74% 的规划时间。原文对基于数字孪生的工艺规划研究进展进行了回顾。

二。基于数字孪生 的机器设计 为了设计高性能的加工设备，需要对加工过程进行物理模拟。 数字孪生技术通过对加工过程的高度理解提高了设备​​机械设计的质量。因为设备的数字孪生body是设备处理的物理过程的数字孪生，所以数字孪生技术可以对过程进行近乎物理的模拟，以反映所有的活动和状态的物理设备。例如，在激光加工设备的设计中，需要建立激光与材料相互作用过程的数字孪生模型，从而更深入地了解激光材料的制造过程。模拟。原文对基于数字孪生的设备机械设计研究进展进行了回顾。

b) SMS 结构模型设计进展 i．基于数字孪生的布局规划和拓扑优化，支持布局信息的自动检索，方便布局规划和优化。此外，应用于SMSD过程的数字孪生模型自然具有拓扑优化的能力。根据进程路由和进程之间的优先级关系，SMSD可以确定系统拓扑和设备之间的连接关系。基于 数字孪生 的协调可确保将每个设备分配到具有更大远见的正确位置。本文综述了基于数字孪生的布局规划与拓扑优化研究进展。

二。基于数字孪生的模具和缓冲器设计对于复杂产品，20%以上的制造时间是辅助准备时间，这是提高制造效率的关键。工具和缓冲设计是影响产品制造辅助材料准备时间的关键步骤。通过节拍时间分析和生产率平衡率分析确定各工序的机种、数量和缓冲能力。然而，SMS 中的随机物流、大规模扰动和各种物流模式使得工具和缓冲区的设计成为一项非常具有挑战性的任务。 数字孪生技术缩小了芯片/缓冲器设计和控制之间的差距。原论文回顾了基于数字孪生的模具与缓冲器设计研究进展。

c) SMS 行为模型的设计进展 i。基于数字孪生的设备行为设计建立设备数字孪生模型，有利于物理设备的行为设计，也有利于进一步诊断设备运行中的故障。物理设备和预测。设备行为设计是根据工艺路线和工艺要求数字孪生设备，定义设备（工艺设备和中间设备）动作（包括高级动作模式）和多工艺协同动作，避免不必要的操作冲突和死锁。虽然虚拟设备的构建有助于安全、经济地模拟设备性能，但很难准确地模拟物理设备行为。原文对基于数字孪生的设备行为设计研究进展进行了回顾。

二。基于 数字孪生 混合自动化模型的人体工程学设计受益于人机协作的协同作用。灵活性、适应性和安全性的要求使人机协作系统的设计和重新设计成为一个复杂且容易出错的过程。基于虚拟现实的数字孪生技术可以通过传感器采集人机协作数据，设计和优化人类劳动行为的人机工程学性能，对指导改善工作环境中的人机交互起到关键作用原文对基于数字孪生的人体工程学设计研究进展进行了回顾。

三。基于数字孪生的WIP/物料搬运设计WIP和物料搬运的优化设计离不开三个方面：1）制造过程对物流的影响；2）产能要求关于物流设施； 3）生产节拍时间对物流的影响。 数字孪生技术可以更有效地评估这些动态和影响。 数字孪生技术使系统能够通过为制造而设计的方法实现出色的物流可追溯性、可控性和效率。原论文回顾了基于数字孪生的WIP/物料搬运设计的研究进展。

d) SMS 控制模型 i 的设计进展。基于数字孪生的工艺优化和设备控制设计虚拟设备通常用于模拟各种工件/零件的加工轨迹，并通过模拟每个加工过程来指导控制指令的生成。如果建立了物理器件的数字孪生模型，设计者不仅可以确定其功能，大大缩短设计周期，还可以轻松进行制造过程的优化设计创新。

从工件的角度来看，将几何模型集成到数字孪生系统中进行工艺优化和控制设计优化以确保产品的所需几何形状至关重要。原文对基于数字孪生的工艺优化与设备控制设计研究进展进行了综述。

二。基于数字孪生 SMS系统控制调试的系统控制调试主要包括虚拟调试、物理调试和近物理调试三种方式。物理调试需要等待物理器件组装和控制逻辑设计完成，难免会遇到设计错误、逻辑错误、编码错误或其他问题，造成修改和等待时间的浪费。

因此，需要进行近乎物理（硬件在环）的调试。以分布式物理设备的数字孪生子作为调试对象，在远程虚拟环境中运行控制逻辑，优化验证逻辑的合理性和可行性。 数字孪生模型可以真实反映物理设备的变化，并不断积累相关知识，优化分析具体控制下的现状，从而支持设计决策。原文对基于数字孪生的系统控制调试的研究进展进行了回顾。

e) SMS 智能模型设计的进展 i．基于数字孪生的短信机器学习模型设计短信的特点之一是其复杂、动态和混乱的行为。基于机器学习的智能控制模型（如朴素贝叶斯、决策树、随机森林、支持向量机、神经网络等）存在于制造设备、生产线、车间、工厂、交叉点等不同层次的短信中。工厂。选择和设计合适的机器学习算法来处理动态事件并实现智能过程控制是SMSD的一个关键问题。 SMS 的机器学习模型旨在开发和验证各种机器学习算法，以支持可持续的 SMS 性能改进。原文对基于数字孪生的短信机器学习模型设计研究进展进行了回顾。

二。基于数字孪生的SMS计算优化模型设计 SMS中的计算优化包括大规模优化、复杂性理论、网络优化、鲁棒性/敏感性分析等各种控制和管理优化算法。计算优化算法的超参数初始化会影响计算精度，对应用非常敏感。因此，SMS 计算优化模型设计的主要目标是找到一种强大的鲁棒设计方法，可以处理各种系统变化（以应对扰动）。 数字孪生技术提供高度可信的运行时环境来模拟复杂系统，以寻找稳健的计算优化模型。原文对基于数字孪生的SMS计算优化模型设计的研究进展进行了综述。

f) SMS 性能模型的设计进展 i。以质量目标为导向的DT-SMSD产品质量是评价新设计SMS性能的重要指标。一方面，从产品的角度来看，公差规格的数学建模对于实现整体公差分析至关重要，而 数字孪生 技术可以增强这一点。另一方面，从制造系统的角度来看，关键部件的全场位移传感是超精密制造领域的理想方法。本文综述了SMS早期设计和规划配置阶段如何利用数字孪生技术模拟和优化产品制造质量的研究进展。

二。面向灵活目标的DT-SMSD 在大规模定制个性化模式的趋势下，SMS的生产切换非常频繁，这就要求SMS具有快速的系统设计重构能力和高度的灵活性。一个理想的SMS应该能够保证新产品​​的可扩展性和兼容性，以满足制造业不断开发产品和服务的需求。许多关于 SMSD 的研究已经证明了不同产品订单的生产灵活性。在工业4.0 蓝图中，SMS 中的每个元素（例如机床、工件、机器人）都应使用资产（AAS）技术进行描述。

AAS是对SMS中各种元素的功能和交互进行建模的知识结构，也是数字孪生模型的关键技术。本文综述了柔性面向目标的DT-SMSD研究进展。

三。 DT-SMSD 重构目标 传统的SMSD方法通常仅限于单一类型产品的制造，当推出一种新型产品时，需要巨大的重构成本。随着产品更新换代的加速，这种“先设计新产品，后设计新系统”的逻辑已经不那么有效了。 SMS 的可重构性和适应性在不确定和不可预测的产品变化方面是模棱两可的，这使得识别适合不同类型产品的 SMSD 具有挑战性。本文综述了面向重构目标的DT-SMSD研究进展。

四。 DT-SMSD 实现可持续性目标 随着降低能耗的压力越来越大，制造商面临着提高 SMS 可持续性的挑战。优化工艺参数设计是节能减排、节约成本的关键。

SMS 应具备根据其内部结构特征持续协调多个组件之间关系的能力，以确保在持续开发过程中始终保持内部协调。然而，在 SMS 设计阶段很少关注能源效率和碳排放的正式定义和优化。在工业4.0 中，数字孪生技术是理解和优化 SMS 中所有相关材料、能源和资源流之间相互作用的强大工具。 数字孪生技术在为可持续的 SMSD 提供数据丰富的运行时环境方面发挥着关键作用。本文综述了面向可持续发展目标的DT-SMSD研究进展。

v.用于安全目标的 DT-SMSD 安全是 SMS 控制的一个重要问题。 数字孪生模型可以预测系统故障，并可用于在设计阶段优化 SMS 流程安全（Safety）和信息流（Security）。从控制安全的角度来看，容错是控制器在没有人为干预的情况下调整系统行为以响应故障的关键能力。

设计主动控制策略可以提高SMS的容错性，也可以称为SMS的系统鲁棒性。本文综述了面向安全目标的DT-SMSD研究进展。

五、DT-SMSD密钥使能技术

工业物联网、云计算、人工智能算法等多种关键使能技术的融合，让DT-SMSD更加可靠高效。本节回顾了这些关键的使能技术及其在 SMSD 中的重要作用，如下图所示。

a) 工业物联网

工业物联网（IIoT）用于实现对物理系统的动态感知，为数字孪生体提供高质量的现场数据，用于高保真虚拟建模和仿真计算。基于 数字孪生 的近乎物理调试允许设计人员使用来自原型 SMS 的 IIoT 数据数字孪生平台，使 数字孪生 系统能够在开发阶段早期验证设计，如果发现效率低下和设计错误数字孪生工厂 ，成本低 重新设计或调整做出相应的决定。

b) 多域物理化学建模

SMS是多场物理（机-电-液-热-磁控制等）集成系统。传统的制造系统设计方法是各个领域的设计人员设计各自相对独立的子系统，然后将它们集成起来。虽然在设计过程中进行了充分的考虑、讨论和协商，但仍然难以把握系统各个部分的复杂耦合。各学科的模型已广泛应用于短信设计的各个方面，但这些模型缺乏统一的编码建模，无法共享。

基于模型的系统工程 (MBSE) 成为各种专业学科模型的中心。各方设计人员围绕系统模型进行需求分析、系统设计、仿真等工作，MBSE可以促进SMSD团队的协同工作。因此，需要基于多领域建模和多学科仿真知识的新一代数字化设计方法。

SMS 的数字孪生 模型可以包含反映不同维度的物理动力学的模型，例如流体、结构、热力学、应力、疲劳损伤和材料状态（刚度、强度等）。这些维度如何关联对于构建 数字孪生body 至关重要。模型和数据是 数字孪生 主体的核心。 数字孪生模型应该反映物理系统固有的运行规律。深入了解 SMS 中发生的规律、现象和过程的本质将使我们能够开发和应用相关的多领域物理化学模型。

c) 实时同步和离散事件模拟

模型模拟是一种通过将包含确定性规律和机制的模型转换为软件来模拟物理世界的技术，是创建和确保数字孪生模型与相应物理实体之间有效闭环的核心。只要模型正确并提供完整的上下文信息和环境数据，模拟就可以准确地反映物理世界的特征和参数。实时物理同步是数字孪生方法与传统仿真方法的主要区别。虚实同步延迟是衡量数字孪生系统性能的重要指标。

d) 可视化和虚拟/增强现实

SMSD 是一个复杂且容易出错的人机交互过程。传统的 3D 仿真系统通常不支持设计人员作为最终用户以身临其境的方式体验最终的 SMS。已经提出了一些具有虚拟现实（VR）、增强现实（AR）或混合现实（MR）的智能系统来支持工程师的设计和操作。在这个由VR/AR/MR 技术补充的人机系统中，“虚拟”和“真实”之间的界限变得模糊。使用VR/AR/MR技术增强数字孪生系统可以提高设计效率。

e) 大数据分析和工业人工智能

传统的基于知识的系统可以分为基于实例的推理系统和基于规则的推理系统。在数字智能时代，更好的学习方法是有效发现大规模案例数据中隐藏的知识和模式，以提高设计效率。领域专家通常难以实现复杂 SMS 系统中隐含的因素相关性，并且考虑到制造过程中的随机性，数字孪生 主体的正确设计仍然难以实现其稳健性和适应性。例如，即使温度设置的微小偏差也可能导致复合结构出现重大缺陷。然而，大数据分析和深度学习方法可以捕捉到这一点。深度学习（例如深度强化学习）作为最有前途的人工智能技术之一，可用于刺激和扩展 SMSD 中的人工智能。学习 数字孪生 模型可以让 SMSD 越来越智能。来自历史设计案例和上下文操作的数据可用性不断提高，使数据分析能够创造附加值。未来，将更先​​进的工业 AI 算法整合到 数字孪生 模型中，有望实现自动创建和生成新的设计解决方案。

f) 工业区块链和智能合约

现有数字孪生系统多为中心化，存在数据可审计性差、可追溯性差的缺点。在网络攻击下，短信协同设计的数据安全是一个关键问题。需要改进传统的网络安全方法，以应对威胁协作网络的攻击。区块链和智能合约为协作式 SMSD 数据安全提供了新的解决方案。区块链采用加密技术和分布式共识协议来保证网络传输和访问的安全，从而增强各设计参与者之间信息传递的安全性。

g) 面向数字孪生的分布式云计算和Web服务

除了区块链之外，协作 SMSD 的另一项关键支持技术是云计算和支持分布式数字分析、设计和模拟工作的 Web 服务。在协作 SMSD 的背景下，设计者和计算资源都在地理上分布。云计算和网络服务系统允许在地理上分散的多个相似成员之间协作共享设计活动。 SMSD中对仿真工作的高性能计算需求是引入云计算技术的另一个驱动力，它可以提供低成本的计算资源共享、动态分配和灵活扩展。将 Web 服务与云计算集成，使设计人员能够远程和分布式地处理 SMSD。

六、研究方向

a) 将 SMSD 与产品开发相结合

产品在完成制造之前要经过一组制造商和一系列协调的制造活动。许多制造商仅在他们自己的业务流程中开发了数字孪生，从而将现有的实施数字孪生 模型限制在企业内的一个孤立的物理域中。为了适应不断变化的产品设计，开发数字孪生技术来自动化企业的供应链集成至关重要数字孪生设备，但目前还没有相关研究。目前，缺乏可用的实时数据和响应式设计规划系统使得数字孪生技术的应用变得困难。 数字孪生将智能产品开发/供应链集成与SMSD相结合的模式在未来产品开发中的统一是未来的方向之一，因为它将使我们能够充分优化产品生命周期活动。

b) DT-SMSD 标准

在中小型制造公司中实施数字孪生 非常耗时，因为所需的标准尚不明确。此外，实际的物理制造和网络系统之间通常存在很大差异。 Criteria should be developed to answer the question of how to achieve a good DT-SMSD, and to define criteria. The of the DT-SMSD standard is the process of technical and the specific of the document, including the technical , premise , methods, software tools, model , boundary , design steps, variable control, result and Result .

The following may be included in the of the DT-SMSD standard: 1）digital thread width, 2）data frequency, 3） type/level, 4） , 5）reference model richness, and 6）user interface. Compared with the use of CAD software based on 数字孪生, the DT-SMSD standard is more complex and more difficult to specify, requiring not only a lot of of the design process, but also a lot of error work.

c) DT-SMSD data schema and reference

The lack of a common data schema to , , and integrate SMS's cross-domain数字孪生 model resulted in a lot of wasted . It is critical to in SMSD solutions in specific domains such as , , ergonomic and software, and to establish a 数字孪生interface standard and data model.

, operation and of DT-SMSD solutions should be defined in the DT-SMSD reference from , technical, and business . The reference answers the question of where and how to use 数字孪生. It is the task of the DT-SMSD reference how to identify the design tasks that can deliver the greatest value and, when necessary, ensure correct decision guidance.

The DT-SMSD reference should be able to meet the for , , , , and autonomy the digital life cycle. In addition, given that the maturity of 数字孪生 systems is gradually evolving, the reference should not simply specify “what 数字孪生 work should be done when SMSD is done using a fully mature 数字孪生 system. ”, but should also specify “what design features should be at different levels of maturity of the 数字孪生 system”.

d) DT-SMSD as a service

The of SMSD is an industry trend. It adopts a service business model, which not only provides a single design solution, but also provides services that extend to the operation stage to meet needs. Similar to the concepts of service-oriented and smart product service systems, the of DT-SMSD aims to provide on-demand design for by data-driven 数字孪生 as a medium and tool , while reducing the negative impact on the .

The of DT-SMSD is a customer-oriented trend, which realizes the of ' to SMS elements, features and . the dynamic behavior and in SMS, the trend of DT-SMSD as a service is to mine decision support knowledge and patterns from large-scale case data to enhance the value co-creation of SMSD service and context awareness.

Cite this article: Jiewu Leng, Dewen Wang, Weiming Shen, Xinyu Li, Qiang Liu, Xin Chen. Digital twins-based smARt system design in Industry 4.0: A review. Journal of Systems, 2021, 60: 119-137.

Article published in Journal of Systems, May 2021.