摘要
随着制造产业向信息化和智能化转型，制造装备资源虚拟化和服务化已成为新的发展趋势。制造服务调度优化是制造系统优化的核心，是降低制造企业生产成本、提高产业经济效益的重要途径之一。然而，现有制造服务调度局限于云端，缺乏与物理机器人装备的实时反馈交互机制，难以对制造环境动态干扰事件作出及时有效的响应。数字孪生技术可以实现物理空间与信息空间的实时交互与虚实映射，架起底层物理实体与上层制造服务双向信息共享的桥梁，将物理装备、孪生模型、制造服务和过程数据进行深度融合。 本文以工业云机器人为研究对象，引入数字孪生技术，重点研究基于数字孪生的工业云机器人制造服务动态调度模型及方法，主要工作如下： （1）工业云机器人制造系统数字孪生建模。通过PLC系统和RFID信息传感技术主动感知制造系统工业云机器人运行状态和制造产品对象节拍状态，分析制造系统工业云机器人和产品对象等物理实体的能力、行为、规则特征，构建工业云机器人制造系统描述模型，研究单元虚拟模型组件及组件之间的节点关系构建可视化三维模型。分析处理制造系统多源数据，构建融合感知数据、仿真数据、服务数据的孪生数据模型。基于物理制造系统、虚拟模型、孪生数据模型，描述工业云机器人制造系统虚实交互机制，详细阐述物理空间与信息空间之间的映射机制以及控制机制，促进数字孪生模型更新，为工业云机器人制造服务动态调度提供有效的模型支持。 （2）数字孪生模型驱动的工业云机器人制造服务动态调度方法研究。针对工业云机器人制造服务调度问题，分析关键性能需求，以制造服务总时间、能耗、负载均衡和成本为优化目标，建立面向工业云机器人制造服务调度数学模型。分析系统自适应目标阈值，融合制造过程孪生数据与服务数据，提出一种数字孪生模型驱动的工业云机器人制造服务动态调度策略。引入改进的遗传操作算子和自适应邻域搜索策略，提出基于改进型离散差分进化算法的制造服务动态调度算法。并通过工业云机器人生产线制造服务调度实验验证所提方法的有效性。 （3）基于数字孪生的工业云机器人制造服务调度原型系统设计与实现。面向工业机器人物理装备，在虚拟模型仿真平台上，设计并实现工业云机器人制造服务调度原型系统，验证所提模型及方法的可行性。该系统包括物理实体运行状态感知模块、数字孪生虚实交互模块、虚拟模型构建模块以及制造服务数据管理与调度管控模块，实现工业云机器人制造服务调度系统资源统一管理、实时监测以及动态调度，有效响应企业及用户多样性需求。
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