一些具有高频换产需求的行业（如电子制造）要求制造系统具有高度柔性以适应变化。本文提出了一种数字孪生驱动的自动化制造系统快速重构方法。数字孪生模型由近物理仿真模块和重构优化模块组成，优化模块的结果反馈给近物理仿真进行验证。本文提出了一种开放架构式机台（OAMT）设计模式。OAMT由一个固定的标准平台和各种可快速互换的个性化模块组成。通过将个性化模块集成到OAMTs中，工程师可以灵活地重新配置制造系统以适应工艺规划变更。在此基础上，本文阐述了如何快速地对制造系统的生产能力和功能进行双层规划，以适应产品的快速换产。最后，通过智能手机装配线案例验证了所提方法的有效性。
自动化制造系统快速重构的需求
从系统控制的角度来看，自动化程度较高的制造系统普遍存在柔性差的缺点。特别是对于用户需要的定制产品，传统的自动化制造系统由于不能及时集成信息、设备和服务，难以实现大规模生产效率的定制生产。在工业4.0智能制造蓝图中，制造工厂必须具有高度柔性，并允许生产顺序的多种变化，以面对新的个性化定制产品需求。
本文提出了一种基于数字孪生驱动的制造系统快速重构方法。通过分析两个产品之间的差异，推导出当前系统在系统级（例如改变布局配置）、控制级（例如集成一个新的软件模块）和装备级（例如添加新的夹具）的变更内容，结合工艺规划与执行控制，将产能再平衡和重构成本双目标进行双层规划，得到最优的重构方案，基于数字孪生系统快速验证新的制造系统配置。本文重点分析了三个关键使能技术：开放架构式机台（OAMT）、REST风格IIoT系统和数字孪生驱动的快速系统重构技术。该方法的优点在于机床机械系统和软件系统的开放架构式体系，以更高的可重用性和更少的时间成本实现快速重构。
开放架构式机台（OAMT）
装备级重构能力是系统制造功能重构基础。本文在此层面提出的开放架构式机台是由独立的、可升级的、可互换的模块组成的机床，基础平台包含了在开放源代码许可证下由开放标准定义的一组内部与/或外部接口。如图所示，标准的即插即用平台之上可以安装各种功能模块（例如上下料机械手、模块夹具、即插即用循环设备、可调间歇缓存）。以智能手机装配线为例，标准化平台可以快速集成双面TP压合机、自动螺丝机等多种模块。
基于REST风格的物联系统
制造系统重构包括了IIoT（主要包括PLC控制器与传感器资源）系统的重构。为了满足灵活的资源重配置需求，如图所示，本文将所有的操作对象都抽象为REST中的资源。资源位置由统一的资源标识符（即URI）标识。资源的操作由URI和统一接口（例如HTTP）指定。这种方法提供了构建可伸缩、简单、可移植和松散耦合应用程序的体系结构原则。基于REST的特性，资源通常由标准模板表示。通过在智能网关上构建一个基于REST的嵌入式Web服务器，可以资源映射到网络上，在模板中定义物理资源与虚拟模型之间的映射关系，从而在IIoT网络中快速组织和重配置控制器与传感器资源。为了支持对IIoT设备资源进行快速重构，本文设计了一个定量目标函数，以合理、自适应地分配智能网关访问的资源节点。
数字孪生驱动的快速系统重构
本文建立了一个集成虚拟重构调试的数字孪生系统。数字孪生模型由近物理仿真模块和重构优化模块两部分组成。近物理仿真的功能是映射物理制造系统的各种数据，然后将数据输入到上层优化模型中。通过快速优化模型可以得到优化决策结果，然后反馈给半实物仿真引擎，以验证重构结果。其中，重构优化模块包含了一种包含多维优化变量和约束条件的快速重构优化算法，即上层产能再平衡和下层重构成本的系统级双层规划；上层问题目标是使重构结果的产能和经济效率最大化，下层问题目标是最小化机器移动成本和机器保持成本以进行重构。
原型与案例
本文展示了一个数字孪生系统原型以及一个智能手机装配系统重构案例。如图所示，基于Unity3D引擎开发了数字孪生系统（即DTS），实现了可重构近物理仿真。整个智能手机装配过程包括焊接、装配、试验和质量控制四个阶段。装配线包括多个生产单元，每个单元由多个并行和顺序的机器组成，协同完成一种操作。数字孪生驱动的快速重构方法在最小化重构成本、缩短产品换产周期的同时，提高了制造系统性能。
结语
在开放架构式机台体系结构下，制造系统的各个设备成为一个独立的节点，从而可支持整个系统的快速重构与升级。OAMT对于实现机床的可扩展性、可靠性、互操作性、可扩展性、可重构性和可重用性至关重要。支持开放式体系结构意味着行业达成群体共识，对于建立机床创新生态系统具有重要意义。开放式架构的另一个优势是将研发和生产结合，这种聚合效应源于整个供应链的开放性。核心制造商将生产这些开放式架构平台，而中小型企业可开发各式模块。全球中小企业只要符合系统标准、功能结构和接口要求，就可以直接参与模块的研发生产，集群化生产和相关配套设施更有可能激发创新理念，降低创新成本。然而，在制造商之间建立可重构制造系统的开放式体系结构和标准共识极为困难。开发数字孪生系统需要重新开发底层的软件平台，用于控制、交互和异构设备联网，这是工程实施难点，未来可将更多的人工智能方法融入到重构引擎中。
