中汽研汽車工業(yè)工程(天津)有限公司 閆志璞 馬健

文章詳細(xì)介紹了數(shù)字孿生技術(shù)在汽車試驗室領(lǐng)域的應(yīng)用,闡述了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用過程,應(yīng)用特點,以及相對于傳統(tǒng)試驗室運維平臺所具有的優(yōu)勢,并對今后如何能夠更加深入地與傳統(tǒng)試驗?zāi)Ｊ较嗳诤咸岢鲆恍┮娊狻?/p>

0 引言

近年來,數(shù)字孿生得到越來越廣泛的傳播。同時,得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字孿生的實施已逐漸成為可能。現(xiàn)階段,除了航空航天領(lǐng)域,數(shù)字孿生還被應(yīng)用于電力、船舶、城市管理、農(nóng)業(yè)、建筑、制造、石油天然氣、健康醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)。特別是在智能制造領(lǐng)域,數(shù)字孿生被認(rèn)為是一種實現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。許多著名企業(yè)(如空客、洛克希德馬丁、西門子等)與組織(如Gartner、德勤、中國科協(xié)智能制造協(xié)會)對數(shù)字孿生給予了高度重視,并且開始探索基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)新模式。

從自動化,數(shù)字化,到智能化,數(shù)字孿生技術(shù)正在朝著臻于完美的復(fù)雜系統(tǒng)模型不斷演化,從簡單的模型展示到運維輔助,如今已經(jīng)融入到各行各業(yè),城市體征感應(yīng)平臺,網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知平臺等,其應(yīng)用之廣泛,融合之深入,正在驅(qū)動著其行業(yè)不斷進(jìn)行智能化升級。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于汽車試驗室領(lǐng)域,驅(qū)動其進(jìn)行智能化升級,真正實現(xiàn)智慧運維[1]。

1 現(xiàn)階段汽車試驗室的介紹

1.1 試驗園區(qū)介紹

中汽研汽車檢驗中心(廣州)有限公司是中汽中心投資成立的全資子公司,公司隸屬于中汽中心檢測認(rèn)證事業(yè)部,負(fù)責(zé)中汽中心華南基地項目的籌備、建設(shè)、運營和管理。業(yè)務(wù)涵蓋了整車及零部件的全項強制性檢測、研發(fā)驗證及評價測試。公司一期建設(shè)整車排放試驗室、整車耐久及動力總成試驗室、停車樓、動力站房、油品庫、加油站等。二期規(guī)劃建設(shè)新能源整車及關(guān)鍵部件試驗室、整車綜合性能試驗室(含試驗場)、碰撞試驗室和電磁兼容試驗室。

1.2 動力總成試驗室簡介

此次進(jìn)行數(shù)字孿生建設(shè)的試驗室為動力總成試驗室,該試驗室擁有6個發(fā)動機試驗臺架,包括3個全流稀釋排放試驗間(2AVL、1HORIBA),3個部分流稀釋排放試驗間?？蓽y試功率覆蓋60～700kW,可測試最大扭矩達(dá)3800Nm。具備具備國六、非四等強檢認(rèn)證試驗、標(biāo)定開發(fā)試驗、委托測試驗證試驗?zāi)芰2]。

2 數(shù)字孿生試驗室智慧運維平臺建設(shè)整體目標(biāo)

2.1 總體架構(gòu)

中汽研智慧檢測管理平臺方案總體架構(gòu)分為三層:功能模塊、基礎(chǔ)平臺層、終端設(shè)備及子系統(tǒng)層(如圖1)。

圖1 總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture diagram

2.2 試驗園區(qū)智慧物聯(lián)

“萬物互聯(lián)”是我們在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)時的美好愿景,此次在進(jìn)行數(shù)字孿生試驗室智慧運維平臺建設(shè)時,我們將園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)作為下一階段的目標(biāo),將園區(qū)的門禁系統(tǒng),停車系統(tǒng),水,電,暖設(shè)備等,進(jìn)行信息整合,可視化開發(fā),建設(shè)一個智能化的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

此外,物聯(lián)網(wǎng)“數(shù)字化”中的另一層意思是物理世界本身的狀態(tài)變?yōu)榭梢员挥嬎銠C和網(wǎng)絡(luò)所能感知、識別和分析,這些狀態(tài)包括位置、屬性、性能、健康狀態(tài)等,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為原子化向比特化轉(zhuǎn)變提供了完整的解決方案。同時物聯(lián)網(wǎng)為物理對象和數(shù)字對象之間的“互動”提供了通道。

2.3 實現(xiàn)綜合態(tài)勢分析

首先要對整個試驗室設(shè)計一個綜合態(tài)勢分析頁面,例如設(shè)備使用年限分析:即對現(xiàn)有設(shè)備的使用年限進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計;任務(wù)類別占比分析:即對中汽研的各種業(yè)務(wù)進(jìn)行分類統(tǒng)計;任務(wù)數(shù)量分析:即使用柱狀圖統(tǒng)計A任務(wù)與B任務(wù)在各個任務(wù)類型中的數(shù)據(jù);任務(wù)數(shù)量TOP3趨勢分析:展示個季度任務(wù)數(shù)量TOP3的趨勢變化;除了以上數(shù)據(jù)分析,還要做設(shè)備數(shù)量變動分析,設(shè)備校準(zhǔn)分析等,由此形成對中汽研廣州基地試驗間狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活,助力中汽研監(jiān)測管理向更高質(zhì)量升級。

2.4 試驗室運營數(shù)據(jù)可視化

在試驗樓層界面,對試驗室運營數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示,例如:試驗室工作狀態(tài),即實時顯示各試驗室的狀態(tài),空閑或運行情況;試驗室預(yù)定狀態(tài),即展示各試驗室的預(yù)約情況,任務(wù)編號與時間,提升試驗室的利用效率;試驗室的檢測數(shù)量,即統(tǒng)計各試驗室的檢測數(shù)量;試驗室維修保養(yǎng)信息,即統(tǒng)計展示進(jìn)三年的維護(hù)時間與下次的保養(yǎng)時間,更加直觀的展示試驗室的保養(yǎng)周期;發(fā)動機試驗室的介紹,即使用文字以及圖片展示各試驗室的簡介以及資產(chǎn)編號;房間名稱展示:采用BBT的方式展示房間的名稱,冒泡的內(nèi)容可隨著樓層模型的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。

2.5 試驗數(shù)據(jù)可視化

在試驗室界面,對試驗過程中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集,并將這些數(shù)據(jù)通過圖表展示出來,例如:實時溫度數(shù)據(jù),即通過用戶情景分析得出發(fā)動機測試能夠采集的重要溫度數(shù)據(jù);實時壓力數(shù)據(jù),即測試中重點檢測的壓力數(shù)據(jù);其他測試實時數(shù)據(jù),即實時轉(zhuǎn)速,油門開合角度,扭矩與功率。再例如轉(zhuǎn)速與扭矩、溫度、壓力曲線圖,即通過不同轉(zhuǎn)速下的扭矩,壓力,溫度生成三條曲線,用來分析不同轉(zhuǎn)速下的各參數(shù)情況;以及報警信息,尾氣檢測數(shù)據(jù)等。

另外加入油氣管路狀態(tài)顯示,展示進(jìn)氣管、排氣管、中冷前管路、中冷后管路、輸油管以及回油管的流速以及溫度的狀態(tài)。根據(jù)子系統(tǒng)上傳的壓力數(shù)據(jù),來控制管路內(nèi)的流速動畫,根據(jù)子系統(tǒng)上傳的溫度數(shù)據(jù),來調(diào)節(jié)管路顏色的渲染。

2.6 試驗差錯智能研判

對試驗過程中可能出現(xiàn)的超閾值情況進(jìn)行智能研判,并提示操作者進(jìn)行合理的操作,提示內(nèi)容包括事件原因,解決方式等,即使新上任的試驗人員也能清楚地知道操作步驟,所有事件均被記錄,可查閱,今后可對事件數(shù)據(jù)進(jìn)行智慧分析,對經(jīng)常發(fā)生的錯誤事件進(jìn)行重點監(jiān)控,以輔助試驗人員減少該事件的發(fā)生次數(shù)。

3 數(shù)字孿生試驗室智慧運維平臺建設(shè)流程

3.1 試驗基地,試驗樓層,試驗室及試驗設(shè)備的整體模型搭建與風(fēng)格渲染

數(shù)字孿生以數(shù)字化方式拷貝一個物理對象,模擬對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為,對產(chǎn)品、制造過程乃至整個工廠進(jìn)行虛擬仿真,目的是了解資產(chǎn)的狀態(tài),響應(yīng)變化,改善業(yè)務(wù)運營和增加價值。在“萬物互聯(lián)”時代此種軟件設(shè)計模式的重要性尤為突出,為了達(dá)到物理實體與數(shù)字實體之間的互動,需要經(jīng)歷諸多的過程也需要很多基礎(chǔ)的支撐技術(shù)做為依托,更需要經(jīng)歷很多階段的演進(jìn)才能很好的實現(xiàn)物理實體在數(shù)字世界中的塑造。首先我們需要構(gòu)建物理實體在數(shù)字世界中對應(yīng)的實體模型,就需要利用知識機理、數(shù)字化等技術(shù)構(gòu)建一個數(shù)字模型。

所以開發(fā)初期的首要任務(wù)便是三維模型的搭建,從宏觀到微觀可分為整體園區(qū)的三維模型搭建,試驗樓層的三維模型搭建,試驗間的三維模型搭建,試驗設(shè)備的三維模型搭建,油氣管路的三維模型搭建。

三維模型的搭建,第一步便是要在現(xiàn)場進(jìn)行實地調(diào)研,拍攝圖像資料,整個園區(qū)里面的每一棟樓,試驗樓層內(nèi)的每一個試驗間以及每一臺設(shè)備都需要細(xì)致而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐臄z,然后結(jié)合CAD圖紙進(jìn)行精確建模。第二步需要對模型進(jìn)行風(fēng)格渲染,加入燈光,飛線及粒子效果等,營造科技氛圍。

3.2 試驗室數(shù)據(jù)的采集甄選與界面繪制

試驗室數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)采集人員安裝數(shù)采設(shè)備進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集,從近百條數(shù)據(jù)里面甄選出關(guān)鍵數(shù)據(jù),所甄選出的數(shù)據(jù)要全部滿足數(shù)字孿生的要求切對試驗室的運營起到至關(guān)重要的作用,UI設(shè)計工程師將這些甄選出來的數(shù)據(jù)通過易讀的圖表展現(xiàn)在界面上,至此,完成了模型搭建與數(shù)據(jù)界面的設(shè)計,為之后真正的孿生打下了基礎(chǔ)。

3.3 試驗室數(shù)據(jù)與模型的融合

數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù),建立完善的數(shù)字模型是第一步,而加入更多的數(shù)據(jù)才是關(guān)鍵,要想充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的潛能,數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)一致性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性也需要進(jìn)一步加強。

此次我們試驗室的主角設(shè)備是發(fā)動機,數(shù)字孿生的設(shè)計可深可淺,就發(fā)動機來說,試驗數(shù)據(jù)的變化很難在發(fā)動機外觀上看出變化,除非拋開發(fā)動機外殼,進(jìn)行內(nèi)部建模分析,但實際意義并不大,而且會耗費大量時間與精力,所以我們將主要結(jié)合點放在了試驗室的油氣管路上,例如排氣/進(jìn)氣壓力,排氣/進(jìn)氣溫度,油管流速等,通過實時變化的動畫效果將試驗過程數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來。

所以,數(shù)字孿生在設(shè)計初期就要找準(zhǔn)方向,我們需要知道使用者的關(guān)注點哪里,哪些數(shù)據(jù)是重要的,不然看上去再絢爛的畫面也只是缺少實際意義的炫技罷了。

3.4 智能分析與決策設(shè)計

試驗室數(shù)字孿生結(jié)合數(shù)據(jù)分析才能真正做到智慧運維,試驗室在試驗過程中有以下幾個數(shù)據(jù)指標(biāo)的閾值需要密切關(guān)注,例如發(fā)動機轉(zhuǎn)速與溫度,發(fā)動機的震動幅度,進(jìn)氣/排氣壓力等,如果發(fā)現(xiàn)發(fā)動機溫度過高,數(shù)值達(dá)到需要緊急停止試驗的閾值范圍,則要立即關(guān)停發(fā)動機,停止試驗,所以,我們將現(xiàn)實中的緊急預(yù)案植入到系統(tǒng)中,在試驗過程中實現(xiàn)智能決策。

4 數(shù)字孿生試驗室智慧運維平臺發(fā)展方向

4.1 高精度,高可信度的數(shù)字模型

數(shù)字模型的發(fā)展從最初的“形似”發(fā)展到如今的“神似”,要做到“神似”,需要在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上,伴隨著產(chǎn)品生命周期的演進(jìn)而提升模型的復(fù)雜度,精確度和實時性隨著產(chǎn)品生命周期的演進(jìn)逐步提升。

高精度模型的搭建在技術(shù)上一直都不是一個難題,但是,現(xiàn)實中設(shè)備的迭代與升級,哪怕是一個細(xì)微的改動,都需要對數(shù)字模型進(jìn)行維護(hù),這就需要為此搭建一個可信的數(shù)字模型維護(hù)平臺,以此提高維護(hù)效率。

4.2 采集數(shù)據(jù)的深挖與落地

目前的試驗室數(shù)字孿生系統(tǒng),只完成了第一步,即試驗數(shù)據(jù)與模型的互動與融合,目前的數(shù)字孿生只是試驗過程中實時數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生,如何將這些數(shù)據(jù)變得更有意義,需要進(jìn)一步深挖,真正落地。

4.3 數(shù)字化與智能化“兩化融合”

數(shù)字孿生是試驗室數(shù)字化進(jìn)程的重要節(jié)點,實現(xiàn)了數(shù)字孿生之后,需要考慮下一個問題,如何向智能化試驗室邁進(jìn),首先需要完善緊急預(yù)案的植入,從試驗過程安全著手,進(jìn)一步提高各項數(shù)據(jù)的閾值變化精度,加強閾值變化與自動操作的結(jié)合能力,這是關(guān)鍵點,其次我們要拓展試驗室的運維數(shù)據(jù),將日常運維作為切入點,挖掘關(guān)鍵數(shù)據(jù),實現(xiàn)真正的智能化運維。

5 結(jié)語

汽車試驗室數(shù)字孿生對汽車試驗有重要的意義,是行業(yè)內(nèi)重要的技術(shù)革新。汽車試驗室數(shù)字孿生的建設(shè),將整個試驗過程一目了然地進(jìn)行數(shù)字化管理,實時可見的試驗變化,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析,智慧決策,從而提高了試驗室的管理效率,節(jié)約了運維成本,對汽車試驗室發(fā)展乃至整個汽車研發(fā)行業(yè)都將有著非常重要的參考意義。

引用

[1] 梁乃明,方志剛,李榮躍,等.數(shù)字孿生實戰(zhàn)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2019.

[2] 李秋花.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布‘新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化系列白皮書’[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2012(7):2.