基于物联网数字工厂与智能工厂的整合研究

基于物联网数字工厂与智能工厂的整合研究

摘要：本文结合数字工厂的发展和数字孪生工厂的起源，探讨了如何从数字孪

生工厂的角度重新定义数字工厂，从而更好地将数字工厂的建设与未来工厂的实

践结合起来。智能数字双工厂是数字工厂经过30年不断演进和升级换代后最先

进的表现形式。新一代数字工厂建设的标准化、面向微观的仿真技术、过程工业

和中小制造业的数字孪生应用等是后续研究和实践的重点方向。

关键词：物联网；数字工厂；智能工厂；整合研究

1面向智能制造的数字工厂整体解决方案开发与技术攻关

在工程应用层，主要包括基于三维模型的数字协同开发、基于虚拟仿真技术的数字仿真

工厂、基于制造过程控制与优化的数字车间三个模块。将其应用于MBD技术、基于模型的

工艺设计与管理，重点研究了工艺/设备仿真与仿真技术优化设计、基于制造过程控制与优化的数字化车间开发与应用等单点技术。

多工具、多平台集成应用：突破了三维流程设计、三维流程仿真验证、三维AO/fo准备、现场可视化、集成应用等技术难点，实现了多系统集成，保证数据流畅共享，促进业务流程

优化。

消耗品工艺设计与管理：以整机MBOM为基础，自上而下构建整机MBOM数据。在装

配工艺设计过程中，为了保证装配说明书中的MBOM和安装清单的数据一致性和完整性，需要消耗相应MBOM中的数据。

过程指令动态发布：实现过程指令的动态发布。AO/fo包括三维草图、装配动画、过程

数字模拟等，并将所示卡释放到制造端。

基于仿真技术的过程/设备仿真与优化设计。过程仿真技术的发展包括：装配仿真、数控加工仿真、管道制造仿真等实现过程优化设计。

通过数字化化工厂的布局设计和可视化技术，检查化工厂的设计、布局和安装过程，对

化工厂的各种资源，包括机床、输送带、通道、AGV、起重机、集装箱和操作人员进行数字

化显示，优化化工厂的布局设计。

基于制造过程管控与优化的数字车间。基于物联网技术和信息化技术，如安灯技术、设

备互联互通技术、大数据处理技术、数字孪生技术、信息显示技术等，实时监控设备运行情

况和生产执行状态，及时处理生产现场的问题。

2基于物联网平台集成数字化和虚拟化工厂的方法

2.1创建域模型

本文介绍了虚拟化和数字工厂的概念，并对每个领域进行了详细的分析，建立了一个具

有属性和关系的特定领域的概念集。由于资源/产品信息是异构的、分布的，因此需要建立一个抽象模型来识别相关领域中重叠的概念及其对应的语义。物理实体有许多虚拟表示，如机

床和温度传感器。每个虚拟实体必须只有一个唯一的ID标识。虚拟实体是物理实体所需属性集的同步表示。如果物理实体的温度发生变化，则还必须更新其对应虚拟实体的温度属性。

数字实体是由数字表示的元素，例如数据库、三维模型或PLM中的物理实体。设备是将实体

的真实世界与互联网的数字世界（如传感器和执行器）连接起来的技术对象。服务是虚拟实

体或物理实体可以执行的功能。一个简单的服务示例是一个查询，它写入虚拟实体以获取机

器特定部分的温度。服务可以协调，形成完整的系统。虚拟实体服务提供对虚拟实体级别信息、处理收集的数据和触发操作的访问。事件是在实例中发生并更改系统中状态的操作，例

如虚拟实体公开的数据的值更改。事件可以在服务或服务内触发。任何虚拟实体都可以订阅

其自己或其他实体的事件。当事件被触发时，事件源将事件数据传递给订阅服务器。例如，

当温度高于预定阈值时，通知将发送给维修人员。

2.2开发信息模型

物联网信息模型定义了领域建模步骤中识别的所有信息结构（如关系、属性），包括信

息流中重叠概念的建模、物联网平台中的数据存储以及这些概念的关联模式。信息模型描述

了虚拟实体的建模，并使用名称、类型和关联元信息的默认值来标识属性。如第3节所述，

实时数据的重要元信息是测量值的时间（即时间戳）和测量发生的位置。此外，在这一步骤中，虚拟实体与服务之间的关系表示为与服务关联的虚拟实体的属性。物联网信息模型模拟

了虚拟世界中明确表达和操纵的领域模型的所有概念以及这些概念之间的关系。物联网系统

中明确表达的领域模型概念主要有虚拟实体和数字实体及其相应的服务。虚拟实体是数字世

界中物理实体的模型，物理实体作为物联网信息模型的一部分，根据物联网平台中要表示的

域模型，选择简化的概念集及其相应属性。虚拟实体属性是需要在虚拟世界中捕获的物理实

体的属性。您可以定义此类型的虚拟实体具有哪些属性。

2.3通信模型和协议

通信能力与设备交换的数据类型（标识符+数据、时间戳）有关，互操作性是通过使用URI作为事物的唯一标识符来实现的。网络提供的对象URL（uniform resource locator）作为

对象的唯一标识符来实现互操作性。如果与某个事物相关联的设备无法处理该事物的URL，

则该设备与必须将rdfurl转换为其各自设备特定标识符的网关相关联。因为使用了oslc，所

以信息的描述可以是XML、RDF+XML或JSON。其中，JSON比XML更加紧凑，需要的数据存

储空间更少。特别是物联网中的虚拟实体也可以与非物联网交互。例如，虚拟实体需要一些

由自主Web应用程序（非物联网实体）提供的决策信息。RDF可以表示不属于oslc规范的属性[18]，并且可以将任何虚拟实体属性链接到web上的其他资源。当使用RDF进行信息注释时，URL必须包含在信息描述中。

2.4确定物联网和PLM之间要集成的数据类型

在物联网应用中，需要处理不同类型的数据。第一类数据是表示系统当前状态的实时数据。在物联网中，只有直接从传感器中读取的数据才能被视为实时数据，而实时数据并不是PLM系统的典型目标；第二类数据是通过分析原始数据生成的派生数据，例如特定时间跨度

内制造资源的平均能耗。第三种类型的数据是推理数据，通过应用逻辑或事实来推断。例如，观察特定的振动模式可能是机器故障的迹象。第二类和第三类数据值作为PLM系统配置管理

的一部分，用于产品设计改进。制造资源的结构和技术数据通常是PLM系统中存在的信息，

集成到物联网（IOT）平台中，避免人工实例化。使用oslc和链接数据有助于最大限度地减少两个系统之间要复制的数据量。另一种类型的集成是基于文件的集成，其中应用程序文件由PLM系统通过一些签入和签出机制进行管理。PLM系统对文件的内容一无所知，但将它们作

为批处理数据进行管理。然而，PLM系统通常管理一些元数据（例如，文件名和格式、创建

和修改日期、版本和状态）。因此，为了优化，PLM系统中最新版本的stepnc文件（包括产

品描述、尺寸和公差、特征、刀具路径和操作）可以链接到物联网平台。

结束语

为了实现智能工厂（实时数据）与数字工厂的互操作性，必须考虑以下三个方面：一是

数据传输协议；二是数据表示；三是语义和数据理解。有许多方法、技术和数据模型可以在

每个级别上互操作。然而，需要根据目标选择最合适的方法来确定最佳的集成方案。因此，