薄板中心数字孪生系统技术方案设计.pdf

第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.薄板中心数字孪生系统技术方案设计李祖发林君(上海外高桥造船有限公司上海)摘 要:为实现薄板中心数字孪生技术根据实际应用场景进行系统方案设计建立薄板中心数字孪生系统架构对系统设计方案以及系统功能进行规划和分析设计结果表明该数字孪生系统能够在设备故障预测与健康管理、生产计划排产调度等应用场景中减少设备故障等外部因素带来的影响协助薄板中心管理者对薄板中心生产运营策略的快速制定从而实现薄板中心管理和运营水平的有效提升关键词:薄板中心数字孪生系统设计中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:基金项目:上海市发改委(沪发改高技 号)第一作者:李祖发()男硕士高级工程师研究方向:智能制造 数字孪生是实现物理信息深度融合的重要抓手复杂的产品设计与制造信息物理融合是其中最重要的一环为最终的智能制造提供有效的落地方式 目前数字孪生技术的研究和应用主要集中在车间作业和产品运营维护两个环节薄板中心是专为大型邮轮薄板分段进行平面分段全流程、专业化生产而量身打造的独立单体项目配置了多条先进的生产线如预处理线、部件线、线、型钢线、板架线、分段线等 该项目是我国船舶制造中首个实现激光焊接、机器人焊接等国际先进技术的工程化应用的车间也是我国造船业首条薄板加工生产线技术先进、智能高端 通过数字孪生技术为薄板中心赋能将薄板中心产线的实际生产状况采用数字孪生生产线的模型、数据、图形等进行动态展示实现对薄板中心产线运行状态和生产信息的动态监控是薄板中心未来研究智能制造的重点 系统构成薄板中心数字孪生系统主要由 个系统构成 式中:为薄板中心数字孪生系统 为薄板中心物理产线系统 为薄板中心虚拟产线系统 为生产管理信息系统 为孪生数据系统.薄板中心物理产线系统薄板中心物理产线系统是薄板中心具有实际生产能力的真实产线其中主要包括薄板中心中的物理生产设备、物料等实体生产要素主要是负责完成物理世界中薄板中心的生产任务 薄板中心物理产线系统由预处理线、板材切割线、型材切割线、片段生产线、分段生产线以及部件制作线组成 产线中的大部分设备具备生产过程数据的感知和传输能力通过传感器、协议、协议等采集设备制造执行过程中的静态数据与动态生产数据将由边缘计算机清洗过后的有用数据通过工业互联网上传至孪生数据系统供其他业务系统调用与分析从而使各个生产要素之间能够实现互联互通为建立薄板中心数字化孪生系统奠定坚实基础.薄板中心虚拟产线系统薄板中心虚拟产线系统是对物理产线的全面映射其中包含对物理产线的静态映射以及物理产线生产过程中的动态映射 静态映射基于系统模型库完成薄板中心物理车间各生产要素的模型配置保障虚拟产线与物理产线之间物理几何属性基本一致实现物理产线的可视化 动态映射则是将通过设备物联采集到的各项生产运行数据赋予到虚拟产线系统中的各项生产要素模型中结合生产要素模型中的流程参数、工艺参数等共同驱动物理产线的生产事件在虚拟产线系统中的映射.生产管理信息系统生产管理信息系统是薄板中心各项管理系 年第 期李祖发等:薄板中心数字孪生系统技术方案设计船海工程第 卷统、数据采集系统的集合包含但不限于设备物联系统制造执行系统()公司信息化平台 系统的工时管理模块等 它主要面向薄板中心的生产制造流程提供计划编排、计划优化、工单下发、工时管理等服务同时其还需将采集到的各项多源异构的生产运行数据进行数据清洗、数据分析、数据存储等操作最终将数据归集于数据孪生系统中 在产线实际生产运行过程中生产管理信息系统作为纽带将物理产线系统与虚拟产线系统串联在一起实现生产运行过程的同步.孪生数据系统孪生数据系统是数字孪生系统的数据大脑提供集成共享的数据平台系统内囊括物理产线系统的实时生产运行数据、虚拟产线系统的各生产要素模型数据、生产管理信息系统的计划排程数据和生产计划优化数据等为物理产线系统、虚拟产线系统、生产管理信息系统提供三者之间两两交互的驱动服务突破各系统间数据孤岛达到孪生数据互联互通的最终要求 系统设计薄板中心数字孪生系统通过传感器、等从物理产线系统的设备中感知数据、获取数据工业大数据经过网关和边缘计算机进行数据清洗和边缘计算将符合产线管理需求的数据存储至系统数据库中 而由 引擎构建的虚拟产线系统融合孪生数据平台的各项生产运行数据、各项生产要素模型数据、各项生产管理数据等于数据层面形成闭环最终通过分析与预测实现智造控制与决策保障决策的实时持续优化 系统设计架构见图 图 系统设计架构整个孪生实体囊括 个实体层级:数据采集与控制实体、核心实体、用户实体、跨域实体 其中数据采集与控制实体主要采用数据感知、数据边缘计算等手段采集薄板中心各项设备物理层面的上行数据执行下行的设备控制指令核心实体以通用配套技术为依托通过采用自定义目标库搭建结构分层仿真模型实现模型与数据的构建与集成是生成数字孪体、扩大应用的主要载体用户实体以用户需求为导向主要集中于视觉技术与虚拟现实技术两方面开发符合用户实际需求和审美的虚拟产线系统和各项针对生产运营的可视化看板承担人机交互的职能跨域实体负责数据于不同系统之间的流动保护各个层级之间的数据安全保障数字孪生系统不受外部病毒侵害提高系统的自诊断能力 系统功能基于薄板中心数字孪生所需的主要业务进行规划建设系统的主要功能包含但不限于以下功能.模拟设计薄板中心数字孪生系统具备 编辑器内核能够对设备模型进行机理运行、生产流程等进行设计与编辑其支持对设备多种物理属性进行模拟涉及到的物理属性包含弹性体、流体、刚体等同时也支持对各种物理场进行模拟包含力场、风场、磁场等 薄板中心数字孪生系统的模拟设计功能将生产线上各个生产基本要素以及产线环境进行模拟为管理者提供高质量的薄板中心三维空间展示 通过产线模拟设计管理者可以真切感受到产线的设备布置效果对产线的整体布局、设备之间的干涉、产品的工艺流向认知更为清晰 同时也可以对后续各车间的建造改造工作提供模型指导为未来车间数字化规划布局给与技术层面的保障.模拟验证薄板中心数字孪生系统通过云化部署于网页端进行低代码可视化脚本在线编辑使用自定义目标库创建结构层次化仿真模型构建车间虚拟制造模拟环境 以采集到的产线设备生产运行数据驱动数字孪生系统中的生产进程变化对薄板中心的资源利用率、产能和效率、物流和工序链进行模拟验证验证薄板中心各产线的指标参数.测试分析优化薄板中心数字孪生系统通过使用试验管理 年第 期李祖发等:薄板中心数字孪生系统技术方案设计船海工程第 卷器预定义车间生产资源、订单目录、工位计划、控制规则结合采集的各项设备生产运行数据对生产线上各设备工作负荷、设备故障、空闲与维修时间等参数进行动态分析从而评估不同的生产控制策略根据预定产量对生产控制策略进行仿真优化平衡产品生产过程缓解生产瓶颈实现薄板中心主生产线与从生产线的优化同步.数据连接数据连接是打通物理产线系统与虚拟产线系统的链路也是数字孪生系统本身的重要功能之一薄板中心数字孪生系统可以与、等不同种类的工业通讯协议形成连接覆盖车间内支持工业通讯的生产设备实现与设备快速连接响应 同时数字孪生系统可为生产制造执行系统、仓储物流系统、公司信息化平台 系统等提供 数据接口打通数据孤岛实现数据的平台化共享 此外数字孪生系统还可提供、接口能够进一步提升用户的拟真体验感.数据运营可视化数据运营可视化是数据潜在价值的体现充分挖掘薄板中心各项生产运行数据对其进行深度分析以可视化的手段辅助管理者进行薄板中心的生产运营决策 可视化的内容包含系统中的虚拟产线以及各类分析报表虚拟产线呈现数字孪生工厂的三维场景以及产线设备的实时生产状态各项分析报表通过调用集成开放的孪生数据平台的数据生成 报表有以下展示功能:生产计划执行一览、各产线在制零部件统计、设备运行状态统计信息、在制品质量统计等 应用场景.设备故障预测与健康管理基于数字孪生技术驱动的设备故障预测和健康管理服务是数字孪生技术典型的应用场景之一其通过物理产线系统中的物理设备以及虚拟产线系统中的虚拟设备的静态映射与动态映射形成设备运行状态管理模型能够针对设备具体故障进行迅速响应精准定位故障原因并提供设备故障维护和健康管理的合理化建议 物理产线系统中的物理设备与由孪生数据驱动的虚拟产线系统中的虚拟设备同步映射、实时交互通过诸如深度学习、机器学习的新一代算法生成设备状态评价、设备故障预测、设备维保策略等方案以数据算法支持设备机理模型的搭建旨在通过设备机理模型指导设备生产运行数据的采集与分析最终形成完整的规则模型用以辅助设备建模设备故障预测与健康管理流程见图 图 设备故障预测与健康管理流程某大型复杂产品制造企业在云环境下配置的设备故障预测与健康管理平台见图 该平台基于数字孪生技术能够让生产运营方实现对车间各项设备的运行参数实时在线监控、历史故障追溯、实时视频监控、故障预测等功能图 云服务设备故障预测与健康管理平台某大型复杂产品的制造服务管理系统组成见图 其由产品服务管理子系统以及产品状态监测与故障预测诊断子系统构成其中产品状态检测与故障预测诊断子系统通过远程实时采集产品在制过程中的各项运行数据进行产品远程状态监控实现产品的远程故障诊断.生产计划排产调度车间生产的排产调度一直是车间生产管理的关键和难点目前各种柔性作业生产计划排产调度模式并没有考虑到设备的实时生产状态以及其他的干扰因素缺乏实际数据生产的支持无法实现物理空间和虚拟空间的深度融合 基于数字孪生技术搭建云边协同数据处理框架见图 可以实现对设备运行状态、备品备件剩余使用寿命 年第 期李祖发等:薄板中心数字孪生系统技术方案设计船海工程第 卷图 服务 管理及产品远程监控与故障诊断子系统部分页面和设备健康管理的预测评估能够提高生产计划排产调度的精准度和抗扰动性 同时其支持于虚拟产线系统中验证调度策略保障排产调度工作的有效性图 云边协同数据处理框架某大型复杂产品基于数字孪生技术的排产系统通过甘特图的形式展现产线上各工位的排产情况支持生产计划的正推式和倒推式排程可实现产品在车间生产过程中的动态调度 结论薄板中心数字孪生系统技术方案以对薄板中心物理产线系统、虚拟产线系统、生产管理信息系统和孪生数据系统为整体框架通过传感器、等渠道手机物理产线系统的设备中感知、收集数据大数据库经过网关和边缘计算机进行数据清洗和边缘计算将符合产线管理需求的数据存储至系统数据库中拟为薄板中心产线运行状态和生产信息的动态监控提供了稳定的数据底座 通过将产线设备实时生产运行数据、生产要素模型数据、生产管理数据等进行集成应用和展示为生产运营策略提供在线评估和辅助决策 今后考虑针对数字孪生系统中涉及的各项数据持续进行深入挖掘和分析研究以期创造更为丰富的数据价值使薄板车间生产运营更可靠、更高效、更智能参考文献 云震钟华.数字孪生技术在工程数字化交付中的应用研究.机电信息():.王德权.基于数字孪生的虚拟数字化仿真平台.智能制造():.李昊陶飞王昊琪.基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发框架与关键技术.计算机集成制造系统():.田桂中瞿鹏飞唐明明等.数字孪生驱动的船舶装焊产线可视化监控方法.江苏科技大学学报(自然科学版)():.李震邦.数字孪生技术与智能船舶发展.船舶工程(增刊):.李福兴李璐曦彭友.基于数字孪生的船舶预测性维护.船舶工程(增刊):.吴文豪陈国兵杨自春.数字孪生技术在船舶装备运维中的应用及挑战.舰船科学技术():.(下转第 页)年第 期谢旭晨等:基于热舒适性的邮轮客房空调风口优化设计船海工程第 卷更好的进行循环 结论模拟上送底侧回、上送上回两种送风方案下的室内流场对比分析两种方案的温度场、场、场、空气龄场和速度矢量分布 结果表明方案 的舱室人体活动区域温度范围更接近人体舒适温度舱室整体 至较低 更接近 人体表附近空气流速更低但方案 的平均空气龄低于方案 综合看来方案 下舱室内热舒适性更佳 同时创新性在前人基础上考虑到厕所底部门缝回风更贴近实际工程参考文献 张小翠郑立捷.船舶舱室呼吸道病菌空气传播模拟及危险评估.中北大学学报(自然科学版)():.莫慧玲.船舶舱室舒适度数值模拟研究.大连:大连理工大学.谢旭晨杨勇胡思平等.客船高档餐厅孔板空调通风设计.船海工程():.唐敏韩杰张国强.基于室内对流换热人体热反应模型的生理参数预测.科学技术与工程():.:.韩宝琛.布风器对船舶舱室舒适性影响研究.镇江:江苏科技大学.刘铖昊.不同送风方式下邮轮阅览室气流组织数值模拟研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.苏石川陈佳敏邹燚涛等.客滚船住舱气流组织的数值模拟研究.科学技术与工程():.(.):.:(上接第 页)(.):.: