摘要
数字孪生车间是一种新的智能制造解决方案，通过虚实交互融合能实现对生产调度的智能管控及持续改善。数字孪生车间依靠信息技术建立物理车间与虚拟车间的双向连接交互，随物理车间演变动态更新孪生模型，并结合虚拟仿真技术和实时数据模拟和预测车间生产调度过程，从而及时发现问题并调整生产计划，保证车间生产平稳进行。但目前数字孪生车间虚实交互融合在实际应用中交互效率低、数据融合效果差，孪生模型难以实时精准反映车间状态，无法发挥对生产调度的持续优化作用。公理设计是一种基于逻辑和形式化方法的设计方式，旨在确保设计的准确性和一致性，依据公理设计理论对数字孪生车间虚实交互融合进行研究，提高虚实交互融合的效率以及一致性，为生产调度的持续优化提供更准确的数据和模拟仿真，进一步提高车间生产效率以及智能管控水平。 针对数字孪生车间无法建立有效的虚实连接交互，难以为生产调度提供科学的决策依据以及模拟仿真，从而实现智能化生产这一问题，本文对数字孪生车间虚实交互融合进行公理化设计。通过对数字孪生车间运行机制进行分析，将虚实交互融合分为虚实交互、虚实映射、数模联动、交互控制四个关键功能需求，并确定直接影响虚实交互融合效率和精度的相关技术、理论等，如车间数据采集能力、孪生模型建立能力和数据分析能力等；在此基础上形成映射层级结构图，以此反映数字孪生车间虚实交互融合各环节要素之间复杂的互动关系。该研究可以为企业在不断变化的车间生产条件下保证数字孪生车间虚实交互融合的一致性和可靠性提供参考，进一步推进数字孪生在车间生产调度的实际应用。 数字孪生车间通过虚实交互融合为生产调度优化提供准确的数据和模拟仿真，方便管理人员针对生产瓶颈及问题进行改善。本文针对数字孪生车间的多目标调度优化问题，考虑到核心设备是关系到所有工序以及产线正常运行的关键设备，其利用率能直观反映调度方案的质量以及车间运行效率，因此本文构建了以最大化核心设备利用率、最小化最大完工时间以及最小化拖期时间为优化目标的调度模型。针对该多目标优化模型，选取收敛速度快、搜索能力强的NSGA-II进行求解，并在分析该算法存在种群多样性低以及易陷入局部最优解的不足后，通过佳点集生成初始种群，并引入一种考虑方差的拥挤度算子以及具有动态调节能力的精英保留策略对其进行改进。通过算例研究表明，本文所提出的改进NSGA-II在减少最大完工时间、最大化核心设备利用率方面有良好表现，能有效提高数字孪生柔性车间调度质量和效率。 最后，以A公司柴油机缸体加工车间作为研究对象，将上文提出的基于公理设计的数字孪生柔性车间虚实交互融合映射层级结构图作为依据，设计了该车间的数字孪生生产调度应用框架，该研究为A公司柴油机缸体加工车间未来的数字孪生转型升级提供了一定参考；同时将考虑核心设备利用率的多目标调度模型应用于实际生产中，并通过改进NAGA-II算法对21年五月份某订单进行排产，并与该车间原生产方案进行比较，结果表明本文所提算法在最大完工时间、核心设备利用率方面均表现良好，验证了本文所提模型及改进NSGA-II的有效性与可行性。
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