点击蓝字 关注我们↑↑↑
DIGITAL TWIN
如果您不希望错过文章，就加个星标吧！
本期阅读
文章信息
论文《State of the art and future directions of digital twin-enabled smart assembly automation in discrete manufacturing industries》于2024年7月发表于《International Journal of Computer Integrated Manufacturing》期刊。
DOI: 10.1080/0951192X.2024.2387775
引用本文：
Webb, L., Tokhi, O. M., & Alkan, B. (2024). State of the art and future directions of digital twin-enabled smart assembly automation in discrete manufacturing industries. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 1–35. https://doi.org/10.1080/0951192X.2024.2387775
文章阅读
State of the art and future directions of digital twin-enabled smart assembly automation in discrete manufacturing industries
Louie Webb, Osman M. Tokhi, Bugra Alkan
School of Engineering, London South Bank University, London, UK
摘要
数字孪生（DT）技术因其在变革制造业，尤其是装配自动化领域的潜力而日益受到认可。通过提供实时洞察和优化能力，数字孪生可提升效率、降低成本并提高产品质量。
本文对装配自动化中启用数字孪生的智能工厂进行了批判性综述，旨在评估其当前状况、识别常见做法，并提出用于标准化的分类体系。该分类体系概述了启用数字孪生系统中的关键要素，包括数据源、可视化、应用、功能输出、数字耦合以及物联网协议。这些分类指标有助于梳理数字孪生的复杂框架，为装配自动化系统的设计与实施提供指导。
通过对 60 篇关键文献进行全面分析，本综述对数字孪生的目标、主张以及实施技术进行了分类，明确了常见主题，并指出了当前研究中的空白之处。研究结果强调了将数字孪生与现有系统相集成的重要性，确保数据驱动型数字孪生的可靠性与安全性，以及在能源密集型产业之外寻求可持续解决方案的必要性。
本综述不仅为未来研究提供了参考信息，还构建了一个框架，用以指导启用数字孪生的装配自动化系统开发过程中的行业实践。
关键词
智能制造，信息物理系统，装配自动化，数字孪生，离散制造，文献综述
1. 研究背景
尽管数字孪生在智能制造中取得了显著进展并显示出巨大潜力，但现有文献缺乏对数字孪生在离散制造装配自动化领域的全面实施的关注。此外，如何将数字孪生与现有系统集成、确保数据驱动的数字孪生的可靠性和安全性，以及在能源密集型行业之外追求可持续解决方案，都是当前研究中的空白。
文章回顾了与本研究紧密相关的文献综述文章，这些文章从数字孪生实施的分类、使能技术、最新研究状态到数字孪生建模和工业4.0视角展望，探索数字孪生在智能制造中的发展、成熟度、集成和重要性。这些综述文章共同关注数字孪生实施、使能技术和工业4.0制造场景中的最新研究，但缺乏对数字孪生使能智能工厂在自动化产品装配场景中的全面审查。因此，本研究的主要动机是提供对数字孪生使能智能工厂在自动化装配系统领域的深入见解。
2. 预备知识
本节向读者介绍工业 4.0 技术与概念，重点阐述了信息物理系统（CPS）以及智能工厂概念。从概述实现智能工厂目标的核心概念出发，进一步对其拓展功能进行介绍并形成概念。通过概述数字孪生概念并将其纳入参考模型，进一步阐明建模范式及使能技术，从而凸显工业 4.0 核心支柱的演变情况。
3. 数字孪生技术
数字孪生的概念
本文梳理出五个关键定义主题。接着强调全面定义数字孪生需兼顾多方面，且以通用视图示例说明其各部分的相互作用，如物理域与虚拟域通过网络层衔接，各部分有不同功能及数据流转情况。最后阐述虚拟模型、数据存储及相关平台的作用，以及它们之间相互作用形成的动态过程对数字孪生能力提升的意义，深入剖析了数字孪生概念及其运行机制相关内容。
数字孪生集成水平
对于数字孪生不同的定义可能源于对应不同的集成水平，本文介绍了不同集成水平（数字模型、数字影子、数字孪生预测）特点及在智能工厂应用中的差异，指出各水平在实际应用中面临多方面挑战，强调解决这些问题对在智能工厂成功实施数字孪生的重要性。
数字孪生使能技术
阐述使能技术可分层 / 维度呈现并与工业 4.0 能力相关，指出其与工业 4.0、信息物理系统使能技术的联系及区别，介绍五维框架涵盖的不同领域及各领域对数字孪生实施的要求，强调其独特视角聚焦的数据、服务和建模领域。
智能工厂中的数字孪生参考模型
以工业 4.0 参考架构模型（RAMI 4.0）和工业互联网参考架构（IIRA）为例，介绍二者如何与数字孪生契合、各自特点及相互对齐情况，以及这种架构对智能工厂实现个性化生产等方面的作用。
4. 用于装配自动化的智能工厂中的数字孪生
初步趋势呈现
期刊分布：部分期刊在该领域发表的相关论文数量较多，积极推动了学术研究进展。
时间演变：不同应用领域的研究成果在 2012 - 2023 年间呈现出不同的产出频率变化，如人机协作装配和调度 / 流程优化近年产出量较高。
地域热点：中国、意大利、德国、美国等在该领域的研究成果突出，不同国家和地区有着各自推动相关研究的政策举措，且各有不同的侧重点与动机。
数字孪生赋能装配自动化分类法
提出涵盖数据源、可视化、应用等 13 个方面的分类法，为未来相关研究和工业实施提供标准化、清晰化的基础与指导。
5. 数字孪生在装配自动化中的应用
围绕数字孪生在装配自动化应用中的部分关键方面展开介绍，为理解其实际应用情况提供了相应分析与思路。通过表格展示了针对数字孪生赋能装配自动化系统的文献综述，基于各种标准对其进行考察，这些标准包括数据分析、数据采集、数据库系统、数据库可视化以及通信协议等，同时也涵盖了它们的应用领域和集成水平。简要介绍了在已识别的核心应用领域的关键发现，应用领域包括在线过程监控、调度与流程优化、预测性维护以及人机协作装配。
6. 讨论
通过对研究结果的分析，发现一些问题与未来工作的初步方向。一是数字孪生集成水平存在误解，缺乏清晰定义和指南影响理解；二是对工业部署和实际场景考虑不足，可通过多种策略（如与行业伙伴合作、开展案例研究等）解决实际数据和场景获取有限的问题；同时，本研究提出的分类法有助于增强数字孪生系统实施的清晰度、标准化及架构洞察力，促进工业环境下的互操作性和集成性。
研究发现的现存差距可归为三大主题，为数字孪生赋能的装配自动化系统的未来工作和新方向提供思路：互操作性方面，大数据与可扩展性方面，可持续性努力与动机方面。
7. 总体结论
数字孪生技术的重要性：数字孪生技术在离散制造行业中的智能装配自动化领域具有显著的潜力，能够通过实时洞察和优化能力提高效率、降低成本并提升产品质量。
标准化的必要性：提出数字孪生技术的分类体系对于导航数字孪生的复杂框架、指导装配自动化系统的规划和实施具有重要意义。
未来研究与实践指导：研究不仅为未来研究提供了信息，还为行业实践提供了框架，以指导数字孪生驱动的装配自动化系统的开发。
关注公众号，后台回复“论文102”即可下载原文
DigiTwin2025
相关阅读
本公众号致力于分享高质量的数字孪生与数字工程相关学术研究与知识资讯，以促进学术交流与知识传播。推送的论文内容主要来源于公开出版或在线发布的学术资源，版权归原作者所有，仅供学术交流，未经授权不得商用。如有侵权，请联系删除。
如您有优秀论文需推荐，或者成果发布、企业进展、科研交流等需求，请在公众号后台留言，或发送邮件到digitaltwin@buaa.edu.cn，与我们取得联系。感谢您的持续关注与支持！
