[发明专利]一种基于数字孪生的车间级智能制造系统及其配置方法

权利要求书

1.一种基于数字孪生的车间级智能制造系统的配置方法，基于数字孪生的车间级智能制造系统包括物理层和信息层，以及用于对物理层和信息层进行连接的网络层；所述的物理层包括能够主动交互、柔性装夹至不同数控加工机床的在制品，以及能够接入车间制造物联网并实现相互之间状态感知、实时通讯和自治交互的制造资源；所述的网络层包括能够虚拟化为网络中的资源节点，实现物理层所有在制品及制造资源互联，形成车间制造物联网的网络和接口；所述的信息层包括在制品与制造资源的数字孪生体，以及用于实时数据处理计算、制造系统运行仿真、生产决策分析与会话管理的软件，数字孪生体通过网络层的网络和接口形成与物理层所有在制品及制造资源之间的一一映射关联关系，实现对物理层所有在制品及制造资源的虚拟化仿真建模；每个在制品配置带有唯一标识的RFID标签、嵌入式系统设备以及带有柔性装夹装置的运输托盘；所述的制造资源包括加工设备、机器人、运输小车、操作者，采用一一映射准则配置RFID数据采集器、嵌入式系统设备及振动、位置、噪声、电流、电压传感器、人机交互终端以及网络通讯模块；其特征在于，包括以下步骤：

1)物理层配置建模；

首先，为车间内的每一个在制品配置一个带有唯一标识的RFID标签、一台嵌入式系统设备、一个带有柔性装夹装置的运输托盘，形成能够主动交互、柔性装夹至不同数控加工机床的在制品；在制品的形式化建模描述为：

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的唯一识别代码；O_id和OInfo表示在制品所属订单的标号和详细订单要求；PSet表示在制品加工工序集；Cp和Cl表示当前在制品正在执行的工序操作和当前所在工位；PLog表示加工工序执行过程记录信息；Rⁿ表示与在制品加工工序集对应的制造资源矩阵，用于描述任一工序在执行过程中所需的各类制造资源集合；P_i，j表示在制品的第j个加工工序，P_type表示工序类型；Qr表示在制品的加工工艺质量要求，St和Dt分别表示该加工工序的开始时间和加工时间，Info记录与该加工工序相关的其它信息；

其次，采用一一映射准则为车间内的制造资源配置一台RFID数据采集器，通过无线射频的方式与在制品进行通讯；配置一台嵌入式系统设备及振动、位置、噪声、电流、电压传感器，由嵌入式系统实时采集传感器数据，并通过车间网络将实时数据上传至系统；配置一台人机交互终端，用于显示制造资源的实时制造任务、加工进度、生产指令，并提供交互接口以输入相应的数据和请求，形成智能车间制造资源集，形式化建模描述为：

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

DSet＝{N，E，S，V，D} (5)

其中：ET_id表示制造资源SE_i的唯一识别代码，E_type表示该制造资源的类别；CE_st表示该制造资源的当前状态；DSet表示嵌入式系统设备采集的与该制造资源相关的传感器数据集，包括机床主轴振动V、位置D、噪声等级N、能耗E、运动速度S；ELog表示制造资源的运行状态记录信息；Info表示制造资源的详细参数，包括厂商、责任人、寿命及核心参数；

制造资源之间的竞合关系描述为：

式中的，R_SE表示制造资源之间的竞合关系矩阵，矩阵元素R_i，j表示第i个制造资源和第j个制造资源之间的竞合关系，-1、0、1分别表示竞争关系、无关系、合作关系；

根据上述配置建模过程，得到智能车间物理层配置的最终方案为：

式中的，SP表示车间中流转的在制品集合，SE表示车间内制造资源的集合，表示以加工工序流为主线、通过车间网络形成的在制品SP与制造资源SE之间的自然连接；

2)网络层配置建模；

首先，分别布置车间局域网、无线网、ZigBee以及蓝牙传输网络，并采用星型网络融合方法建立异构网络的集成模型，为多模终端的统一访问提供支撑；其次，设计基于权限控制机制的多层级车间云数据库模型，并配置车间的异构数据通讯接口、人机交互接口；最后，通过上述网络和接口标准化接入在制品和制造资源，并虚拟化为网络中的资源节点，实现制造车间内所有物理资源的泛在互联，形成智能车间制造物联网；

3)信息层配置建模；

首先，对车间内的在制品、制造资源进行数字化映射建模，形成车间内各物理实体的数字孪生体，并依据实际布局对数字孪生体进行逻辑排布，形成智能车间数字孪生体模型；

智能车间数字孪生体的形式化建模描述为：

CSF表示车间数字孪生体，SP′和SE′分别表示在制品数字孪生体、制造资源数字孪生体；

其次，采用基于信息-物理空间映射的方法，建立物理空间中的车间与信息空间中数字孪生体之间的逻辑映射关系，各物理实体通过数据接口协议与数字孪生体进行双向的数据同步；其中，车间将实时采集的制造数据通过接口上传至数字孪生体，数字孪生体通过调用数据模型进行数据处理和系统仿真分析，数据模型包括SVM、DNN、K-means、HMM；得出的生产决策信息通过接口下达至各制造资源，并依据决策信息实时更新各自的生产指令，通过映射实现车间“感知-计算-执行-反馈-决策”的闭环制造逻辑；逻辑映射建模可描述为：

运算符表示物理空间中的物理实体与信息空间中的数字孪生体之间的一一映射关系。

2.根据权利要求1所述基于数字孪生的车间级智能制造系统的配置方法，其特征在于：各物理实体通过MTConnect、AutomationML、TCP/IP协议与数字孪生体进行双向的数据同步。