王真

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司 上海 200090

引言

目前船廠車(chē)間作業(yè)面臨產(chǎn)品交付期更短、可靠性要求更高、產(chǎn)品品種變化頻繁等壓力，車(chē)間管理層需要及時(shí)掌握車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的異常，從而更合理的調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和資源配置，提高生產(chǎn)效率和可靠性，而由于車(chē)間信息交互不夠及時(shí)全面，可視化程度低所導(dǎo)致的管理人員對(duì)車(chē)間執(zhí)行信息的監(jiān)控力度不夠，嚴(yán)重制約了車(chē)間智能化發(fā)展，船廠傳統(tǒng)的運(yùn)維管理系統(tǒng)無(wú)法很好地表達(dá)資產(chǎn)與資產(chǎn)、設(shè)備與設(shè)備之間的物理空間邏輯關(guān)系，制造過(guò)程數(shù)據(jù)以二維為主，可視化程度不高，主要的分析決策仍依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，缺少數(shù)據(jù)決策機(jī)制，導(dǎo)致生產(chǎn)管理效率低下等痛點(diǎn)問(wèn)題。

數(shù)字孿生是數(shù)字化解決方案中一種新的概念，是用數(shù)字技術(shù)鏡像物理車(chē)間，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直觀有效地完成對(duì)車(chē)間對(duì)象的監(jiān)控、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前的生產(chǎn)管控、對(duì)未來(lái)的趨勢(shì)預(yù)判、對(duì)過(guò)去的直觀追溯的目標(biāo)，在成本、資源、周期等多維度提升船廠管理效率[1]。本文以國(guó)內(nèi)某船廠生產(chǎn)車(chē)間數(shù)字化實(shí)施項(xiàng)目為實(shí)例依托，以數(shù)字化方式構(gòu)建車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)與生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)結(jié)合，利用歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、算法模型數(shù)據(jù)等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)車(chē)間管理，從而為船廠車(chē)間生產(chǎn)提供更加嚴(yán)謹(jǐn)以及全面的理論依據(jù)，為生產(chǎn)管理者提供調(diào)整和優(yōu)化建議，提高生產(chǎn)管理效率。

1 船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)車(chē)間運(yùn)維管理系統(tǒng)在空間分析、面向?qū)ο蠊芾?、信息查詢、?shù)據(jù)決策支撐等方面的不足，系統(tǒng)以車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用大數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過(guò)建立小組立機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控、焊機(jī)質(zhì)量管控、生產(chǎn)計(jì)劃管理三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)模型、工業(yè)機(jī)理模型、三維信息模型，在船廠虛擬車(chē)間環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)源的車(chē)間生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)警、焊機(jī)質(zhì)量評(píng)估與優(yōu)化、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度管理等功能，提高船廠車(chē)間可視化管控水平和生產(chǎn)效率。

1.2 船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)架構(gòu)

船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為四大層級(jí)，包括接入層、IaaS云基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)層、應(yīng)用層[2]，接入層是整個(gè)系統(tǒng)感知與執(zhí)行的基礎(chǔ)，主要通過(guò)深層次采集數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議數(shù)據(jù)基層匯聚，作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源頭，用于實(shí)現(xiàn)車(chē)間數(shù)據(jù)、外部應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算；云基礎(chǔ)設(shè)施通過(guò)虛擬化技術(shù)將計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源池化，向用戶提供可計(jì)量、彈性化的資源服務(wù)；平臺(tái)層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問(wèn)、抽取與轉(zhuǎn)換、計(jì)算與分析，其中存儲(chǔ)與管理包括設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)、產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)劃信息數(shù)據(jù)庫(kù)、物流信息數(shù)據(jù)庫(kù)等，數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)警、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度管理、焊機(jī)質(zhì)量評(píng)估與優(yōu)化。應(yīng)用層是船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)的最終輸出環(huán)節(jié)，面向智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制、服務(wù)化延伸等車(chē)間智能制造典型場(chǎng)景。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)采集與接入

數(shù)據(jù)的采集與接入是車(chē)間數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)為參考與船廠車(chē)間生產(chǎn)管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從車(chē)間實(shí)體到分析到業(yè)務(wù)的各類(lèi)元素的全面互聯(lián)[3]，部署邊緣層：通過(guò)全要素的數(shù)據(jù)感知、工業(yè)自控邏輯的接入、異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和邊緣處理、載體平臺(tái)與已有系統(tǒng)（計(jì)劃管理系統(tǒng)、車(chē)間物流管控系統(tǒng)、物資配料系統(tǒng)）的互聯(lián)互通，形成船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理

結(jié)合船廠信息化安全要求，在車(chē)間IaaS層構(gòu)建過(guò)程中，采用本地部署私有云服務(wù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，面對(duì)車(chē)間實(shí)體端傳輸或外部管理系統(tǒng)接入的海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，高效的大數(shù)據(jù)處理與分析以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立不可或缺，數(shù)據(jù)的處理與分析包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)降噪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化；數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立主要是結(jié)合業(yè)務(wù)需求，建立編碼體系，具體按照頂級(jí)流程（業(yè)務(wù)場(chǎng)景、業(yè)務(wù)描述）、宏流程（場(chǎng)景編號(hào)、業(yè)務(wù)場(chǎng)景、業(yè)務(wù)描述）、作業(yè)流程（作業(yè)編號(hào)、操作場(chǎng)景、場(chǎng)景描述）、底層數(shù)據(jù)模型（IT層數(shù)據(jù)要求）進(jìn)行核心數(shù)據(jù)源的標(biāo)準(zhǔn)體系研究與構(gòu)建工作。

2.3 車(chē)間數(shù)字孿生建模與分析

基于車(chē)間數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在車(chē)間PaaS層構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析和知識(shí)服務(wù)創(chuàng)新應(yīng)用，為車(chē)間數(shù)字孿生建模與分析提供有力支撐，具體包含三個(gè)方面內(nèi)容：

2.3.1 建立主題數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)船廠車(chē)間數(shù)字化改造業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，針對(duì)單臺(tái)切割機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、多臺(tái)切割機(jī)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)

控、單臺(tái)焊機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、多臺(tái)焊機(jī)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、小組立機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控、車(chē)間生產(chǎn)物流管理、車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度與優(yōu)化等業(yè)務(wù)場(chǎng)景，在數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)中進(jìn)行主題數(shù)據(jù)建模與開(kāi)發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)車(chē)間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的高效萃取與應(yīng)用。

2.3.2 建立機(jī)理模型。綜合利用機(jī)器學(xué)習(xí)、相關(guān)性分析、聚類(lèi)分析等技術(shù)形成先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析手段，將焊機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃管理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)理模型和數(shù)學(xué)算法模型、解決機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控、焊機(jī)質(zhì)量管控、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度與優(yōu)化等面向車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)特定場(chǎng)景的實(shí)際痛點(diǎn)問(wèn)題[4]。

2.3.3 建立三維信息模型。三維信息模型是車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)的虛擬映射和數(shù)字化載體，模型的構(gòu)建需要從幾何、行為、物理、規(guī)則等多個(gè)維度對(duì)物理車(chē)間進(jìn)行映射，完善的虛擬車(chē)間模型可以反過(guò)來(lái)影響控制真實(shí)物理車(chē)間[5]，為了實(shí)現(xiàn)虛擬車(chē)間對(duì)實(shí)際物理車(chē)間的準(zhǔn)確映射，不僅需要建立幾何模型，還需要對(duì)車(chē)間三維模型資源進(jìn)行統(tǒng)一管理。本文從生產(chǎn)線信息建模、產(chǎn)品信息建模、過(guò)程信息建模幾方面動(dòng)態(tài)映射物理車(chē)間，涉及人員、設(shè)備、物料、中間產(chǎn)品等多種因素。

圖2 主題數(shù)據(jù)庫(kù)建模

圖3 車(chē)間三維信息模型構(gòu)建

2.4 車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)應(yīng)用

數(shù)字孿生車(chē)間是物理車(chē)間、虛擬車(chē)間、信息系統(tǒng)和孿生數(shù)據(jù)的集成融合，物理車(chē)間和虛擬車(chē)間通過(guò)信息系統(tǒng)及孿生數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)交互和雙向映射。在車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)SaaS層中，主要是面向車(chē)間智能化生產(chǎn)、服務(wù)化延伸等需求場(chǎng)景，為用戶提供定制化開(kāi)發(fā)的車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)應(yīng)用和相關(guān)解決方案，本系統(tǒng)主要包含以下功能：

2.4.1 車(chē)間信息模型管理。能夠?qū)?chē)間信息模型進(jìn)行管理，向仿真分析系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)提供車(chē)間信息模型數(shù)據(jù)，能夠依據(jù)采集的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)持續(xù)的對(duì)車(chē)間信息模型進(jìn)行完善。

2.4.2 設(shè)備監(jiān)控管理。通過(guò)對(duì)車(chē)間聯(lián)網(wǎng)的切割機(jī)、焊機(jī)、小組立機(jī)器人進(jìn)行三維可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供設(shè)備維護(hù)管理、設(shè)備OEE統(tǒng)計(jì)分析等功能。

2.4.3 生產(chǎn)計(jì)劃可視化。對(duì)車(chē)間的生產(chǎn)計(jì)劃信息進(jìn)行展示，包括生產(chǎn)計(jì)劃完成情況，物量完成情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)數(shù)據(jù)可視化管理。

2.4.4 流監(jiān)控管理。對(duì)車(chē)間的物流狀態(tài)進(jìn)行展示管理，包括車(chē)輛資源管理、物流管理及場(chǎng)地資源管理，實(shí)現(xiàn)車(chē)間物流狀態(tài)數(shù)據(jù)可視化管理。

2.4.5 管理駕駛艙。管理駕駛艙是船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化終端，可以為企業(yè)內(nèi)部領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)管理人員提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)的指標(biāo)分析。通過(guò)管理駕駛艙，可以打破數(shù)據(jù)隔離，將采集的數(shù)據(jù)形象化、直觀化、具體化，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)分析及決策場(chǎng)景落地，實(shí)時(shí)的反映工廠車(chē)間的數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)，為車(chē)間管理人員提供數(shù)據(jù)決策支持。

3 系統(tǒng)實(shí)施與成果展示

結(jié)合國(guó)內(nèi)某船廠生產(chǎn)車(chē)間數(shù)字化改造實(shí)施項(xiàng)目，結(jié)合車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以三維數(shù)字化方式，構(gòu)建船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間主要生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)物流的可視化運(yùn)維分析管理。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在船廠成功上線運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)施，達(dá)到以下應(yīng)用效果：①實(shí)現(xiàn)車(chē)間聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的三維可視化監(jiān)控管理，設(shè)備巡檢時(shí)間縮短50%；②實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)物流實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化管理?，F(xiàn)場(chǎng)需求響應(yīng)速度由1.5h縮短至0.5h，提高60%，保證了生產(chǎn)計(jì)劃的按時(shí)完成，促進(jìn)了生產(chǎn)精細(xì)化管理。

圖4 數(shù)據(jù)駕駛艙圖

圖5 車(chē)間計(jì)劃可視化

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以國(guó)內(nèi)某船廠生產(chǎn)加工車(chē)間數(shù)字化實(shí)施項(xiàng)目為實(shí)例依托，針對(duì)傳統(tǒng)車(chē)間運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提出基于“生產(chǎn)數(shù)據(jù)+工業(yè)機(jī)理+模型算法”的船廠車(chē)間運(yùn)維管理創(chuàng)新模式，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)警、焊機(jī)質(zhì)量評(píng)估與優(yōu)化、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度管理等車(chē)間典型應(yīng)用場(chǎng)景需求，構(gòu)建船廠車(chē)間數(shù)字孿生運(yùn)維分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的船廠虛擬車(chē)間與實(shí)體車(chē)間的相互映射，實(shí)時(shí)掌握車(chē)間生產(chǎn)動(dòng)態(tài)信息，為船廠車(chē)間生產(chǎn)管理提供更加嚴(yán)謹(jǐn)全面的優(yōu)化建議依據(jù)，提高可視化管控水平和生產(chǎn)管理效率。