摘 要：传统的物流装备开发过程是顺序、串行的，设计周期长，开发成本高，针对这一问题，将数字孪生的理念引入到物流装备设计中，提出了一种基于数字孪生的物流装备并行设计方法，该方法可实现机械、电气和自动化工程的并行设计及跨学科协同和验证。基于该方法建立了仓储物流系统中典型物流装备堆垛机的数字孪生模型，通过控制程序驱动孪生模型虚拟运行完成设计结果的协同验证，证明了方法的可行性和有效性。
关键词:装备设计;数字李生;并行设计;协同验证;
Parallel design and implementation of logistics equipment based on digital twin
ZHAO Lin WU Shuang XU Jian ZHANG Ke-yi TIAN Bo
0 引言
随着工业技术及信息技术的快速发展，我国制造业正大踏步向前迈进。制造业的高速发展里离不开物流业，作为物流业不可或缺的组成部分，物流装备呈现出数字化、网络化、智能化的发展趋势。随着制造业的快速发展，激烈的竞争、较短的产品开发周期以及产品和工艺复杂度日益增加已经成为当今物流装备行业的主要特点[1,2,3]。为了适应行业特点，物流装备的开发需要跨学科紧密协同、机电高度集成、多学科并行设计。
数字孪生相关技术的发展为产品设计过程和结果验证提供了新的思路。数字孪生是利用数字模型在虚拟世界中对物理实体的行为状态等进行完全映射的一种技术。在产品设计方面，陶飞等[4]学者于2019年提出数字孪生五维模型的概念并探索了其在十大领域应用的思路。李琳利[5]等人研究了数字孪生在复杂机械产品中的应用，并提出了机械产品数字孪生多学科协同设计建模参考架构。李浩[6]等人提出了数字孪生在复杂产品设计制造一体化开发中环形设计框架，并对其关键技术进行了探索。Koo[7]等人研究了数字孪生分支之一的虚拟调试技术在产品开发中的应用，并指出利用虚拟调试能够减少75%的实际调试时间。
本文将数字孪生的理念引入物流装备的设计中，提出一种并行设计方法。构建了物流装备数字孪生虚拟模型组成，通过并行设计方法进行数字孪生建模：在概念设计阶段建立设备功能模型，基于功能模型并行开展详细设计，实现了物流装备几何机械模型、物理机械模型、电气行为模型和运行规则模型在虚拟空间的全面映射。最后，将该方法应用于仓储物流系统中典型机电装备堆垛机的设计建模，验证了该方法的可行性和有效性。
1 物流装备设计过程
物流装备的设计过程主要包含方案设计和详细设计两个阶段，根据设计工作学科属性的不同，详细阶段的设计工作又分为机械设计、电气设计和自动化工程三个阶段。
传统的物流装备设计过程中，各阶段是顺序、串行进行的，如图1所示。由于各阶段设计工作相互独立，跨学科协同程度低，使得设计问题通常在产品开发后期跨学科集成阶段才会暴露出来，在这个阶段进行纠错，设计变更多，流程复杂，还存在返工的风险，从而导致设备开发周期长、开发成本高、性能不可控等技术问题。
本文提出的基于数字孪生的物流装备并行设计方法如图2所示。在概念方案设计阶段根据设计需求进行物流装备功能结构的工作原理方案构思和系统求解，通过功能分解方法建立设备功能模型；基于功能模型并行开展详细设计工作，最终得到机电集成的设备数字孪生模型及自动控制程序。基于设备数字孪生模型，可在任意设计阶段根据功能模型对设备的关键子功能(关键结构)进行跨学科协同验证，提高设计过程中的协同性，减少在设备开发后期的跨学科集成阶段因机械结构不合理和控制程序不完善导致的开发周期延长和开发成本增加。
2 基于数字孪生的虚拟设备模型组成
在进行数字孪生模型的并行设计之前，需要先明确数字孪生的虚拟设备模型组成。本文基于数字孪生五维模型[4]构建了物流装备的虚拟设备模型组成。根据学科属性不同，将物流装备的虚拟设备模型划分为三个部分：机械和运动系统模型、电气和行为模型以及运行规则模型，如图3所示。
其中，物理和运动系统模型包含设备主体、执行机构、输送带等机械组件及其相应的物理和运动属性；电气和行为模型包含驱动器、传感器等活动部件及其相应的电气行为属性等；运行规则模型则是控制物流装备自动运行的控制器及控制程序。
通过虚拟设备模型的构建能够在赛博空间(Cyberspace)中从多物理尺度、多时空尺度对物理设备进行描述与刻画。
3 基于数字孪生的并行设计方法
本文提出的设计方法支持机械、电气和自动化的并行设计。通过建立设备功能模型，完成从设计需求到功能结构的定量描述，为详细设计提供可参考的系统方案。基于设备功能模型进行详细设计，多学科设计工作能够并行开展。利用该方法构建与控制器协同交互并能反应物理设备运行状态的设备数字孪生模型。通过并行设计方法能够有效缩短物流装备的开发周期，基于数字孪生的虚拟测试能够实现在项目实施前对设计结果的提前验证，提高设计质量。
3.1 概念设计
概念设计是通过功能分析方法从设计需求出发求解满足产品功能的结构方案解的过程[8]。对于复杂物流装备，通常无法直接求得实现总功能的结构方案解。本文采用功能分解树法建立物流装备功能-行为-结构(FBS，Function-Behavior-Structure)功能模型。
设备功能模型构建过程如图4所示：将设计需求作为输入，分析得到设备总功能，利用功能分解树法将总功能逐级分解为子功能、运行行为描述、功能元等，对各功能元分别求解，并将功能元解进行有机组合最终建立物流装备功能模型，获得系统功能的结构方案解。在文献[9]中对概念设计过程进行了详细研究，此处不再赘述。
3.2 基于功能模型的详细设计
基于数字孪生的详细设计分为三部分：机械和运动系统模型设计、电气和行为模型设计以及运行规则模型设计。
3.2.1 机械和运动系统模型设计
机械和运动系统模型设计方法如图5所示，基于功能模型进行机械和运动系统建模，分为几何机械模型和物理机械模型两个部分：
1)几何机械建模：
设备几何机械模型通常由设备供应商以二维或三维图形的方式提供。对于自研机构，可以在三维设计软件中通过构造几何实体(CSG，Constructive Solid Geometry)的方式构建几何机械模型。
2)物理机械建模：
物理机械模型是指包含物理设备的零部件间的运动副和耦合关系，还包括设备材料属性和可达的工作范围等。根据机构工作原理对前一步建立的设备几何机械模型进行基本物理属性和相对运动关系的定义建立设备物理机械模型。
通过机械和运动系统建模，得到包含机械结构和零部件物理运动关系的机械学数字设备模型。
3.2.2 电气和行为模型设计
在构建机械和运行系统模型的同时，电气和行为模型的设计也能根据功能模型同步进行。电气和行为模型设计方法如图6所示，基于设备将电气元件三维模型导入设计软件中与机械模型进行集成装配，获得机械与电气协同集成的虚拟设备模型。电气行为模型分为传感器和执行器两类：
1)传感器：
根据传感器工作原理进行触发条件的定义，并将传感器的三维元件模型、行为模型及与控制系统的交互信号进行关联对应。基于传感器行为建模，设备数字模型就能根据触发条件将信号反馈到控制系统；
2)执行器：
根据执行器驱动机构工作原理，在相应执行机构三维模型中对执行元件的运动控制参数进行定义，并将与控制系统的交互信号、行为模型和机械结构模型进行关联对应。通过执行器行为建模，设备数字模型就能在控制系统输出信号的驱动下控制执行机构运动。
通过电气与行为建模，将电气模型与机械模型关联对应，得到机械和电气协同集成的数字设备模型。
3.2.3 运行规则模型设计
物流装备的运行规则模型就是驱动设备自动运行的控制程序。对于复杂物流装备，无法直接开发实现设备总功能的自动控制程序，需要先创建设备逻辑模型，通过逻辑模型提高程序开发效率和准确性。本文采用DEVS(Discrete Event System Specification)离散事件系统规范进行物流装备的逻辑建模。DEVS模原子模型(atomicDEVS)是一个7元结构体[10]，如式(1)所示：
M=<X,S,Y,ta,δint,δext,λ> (1)
其中，X是外部输入事件集；S是系统状态集；Y是输出事件集；ta(S→R+)是时间推进函数；δint(S→S)是内部转换函数；δext(S×X→S)是外部转换函数，λ(S→YU{φ})是输出函数。
逻辑模型的构建方法是将物流装备执行作业的过程按触发信号分为n个任务，每一个任务都有相应的触发信号，任务完成后也会输出信号触发下一个任务。其中，每一个任务称为逻辑模型的一个状态，完成系统总功能的所有状态组成系统状态集；将PLC的输入信号作为输入事件集；PLC的输出信号作为输出事件集；系统在输入信号下发生的状态转变过程为外部转换函数；当没有输如信号触发是，系统状态内部发生转变的过程为内部转换函数；时间推进函数用于控制内部转换函数，当时间满足时系统内部状态触发，并在状态发生改变之前触发输出函数。基于DEVS的物流装备逻辑模型设计流程如图7所示。
逻辑模型可以清晰的描述系统的控制决策和执行过程。基于逻辑模型的控制程序开发方法如图8所示，将控制程序按执行步骤的状态封装成块，将逻辑模型中的状态转换函数转化为梯形图指令，通过逻辑模型与梯形图指令的映射关系进行自动控制程序的开发，构建设备运行规则模型。
4 实例验证
以仓储物流系统中典型物流装备堆垛机的并行设计过程为例，验证提出的设计方法的可行性。
4.1 堆垛机功能模型建立
根据提出的并行设计方法，堆垛机功能分解过程如下：
1)确定总功能：
根据设计需求，通过对同类产品功能结构的分析抽象出堆垛机的总功能，在高层货架的立体仓库中完成货物单元的自动出入库作业；
2)分解子功能：
将总功能按工序步骤逐级分解，获得产品子功能。根据堆垛机的作业需求，将总功分解为4个子功能，除基本的入、出库功能外，还需要具备货物检测以及设备自动运行时的安全保护功能；
3)分解功能元：
根据产品子功能分析满足子功能所需的运行行为，根据运行行为将各子功能分解成可以直接进行求解的功能元；
4)功能元求解：
根据功能元求解完成从功能到结构的最终映射。
建立堆垛机的功能模型如图9所示。
4.2 基于功能模型的堆垛机详细设计
4.2.1 堆垛机机械和运动系统模型设计
将机械零件三维模型导入三维设计软件中与通过构造几何实体方法建立的自研机构三维模型进行集成装配，得到堆垛机几何机械模型。根据堆垛机的机构工作原理在几何机械模型的基础上对基本零件的物理属性等进行定义，如零件材料、刚体、摩擦系数等，并对相对运动的机构之间的运动副关系进行定义，包括固定副、滑动副、铰链副等，得到堆垛机物理机械模型。
4.2.2 堆垛机电气和行为模型设计
将电气元件三维模型与机械模型进行集成装配，获得机械与电气集成的堆垛机虚拟设备模型，通过对执行机构添加执行元件，并定义执行元件驱动参数，建立堆垛机电气和行为模型如图11所示。
4.2.3 堆垛机运行规则模型设计
根据提出的逻辑模型建立方法，堆垛机水平(Y轴)运行机构逻辑模型的创建过程如下：
建立堆垛机入库作业过程的逻辑模型如图12所示。
将逻辑模型中的状态转换函数映射为梯形图命令，将控制程序按执行步骤的状态封装成块，建立堆垛机入库作业过程的控制程序如图13所示。
将控制程序下载到控制器中，通过控制系统与虚拟设备模型间的程序耦合和信号交互，驱动数字孪生模型虚拟运行，实现堆垛机机械结构、电气布局和控制程序的跨学科协同验证。最终，建立堆垛机数字孪生模型和控制程序如图14所示，证明了提出的并行设计方法在物流装备设计过程中应用是可行的。
5 结语
本文将数字孪生理念引入物流装备的设计开发过程中，研究了基于数字孪生的物流装备并行设计建模方法。分别从机械设计、电气设计和自动控制层面进行虚拟设备建模，实现了物理设备在虚拟空间中多学科特性的全方位映射。基于功能模型的设计过程，使跨学科的并行设计得以实现，利用虚拟模型的仿真验证，增加了设计过程中的跨学科协同。该方法对同类设备数字孪生设计建模具有借鉴意义。
目前，数字孪生模型设计的研究还处于起步阶段，在虚拟设备建模过程中，如何通过标准化模型库和设计知识库的构建，提高虚拟设备模型的建模速度和质量，以及实现虚拟设备对物理设备运行状态的等时同步映射等还有待进一步研究。因此，下一步的研究重点是并行设计知识库和模型库的构建，以及基于模型重用的快速建模。
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