數(shù)字孿生驅動的船舶裝焊產(chǎn)線可視化監(jiān)控方法

田桂中，瞿鵬飛，唐明明，劉金鋒，景旭文

(江蘇科技大學 機械工程學院，鎮(zhèn)江212100)

船舶建造屬于復雜、綜合性強的大型裝備制造產(chǎn)業(yè)[1].近年來，我國船舶制造業(yè)發(fā)展迅速，已成為全球重要的造船中心之一[2].中、小組立是現(xiàn)代造船模式中重要的中間產(chǎn)品[3]，其數(shù)字化產(chǎn)線側重于仿真建模與信息集成[4]，對于產(chǎn)線實時監(jiān)控考慮較少，且通常是以二維模型或看板展示，存在監(jiān)控滯后性和直觀性問題.

船舶建造生產(chǎn)線可視化監(jiān)控是船舶智能建造亟需突破的關鍵技術，已吸引了大量學者的關注.文獻[5]利用統(tǒng)一建模語言和集成定義的方法實現(xiàn)小組立生產(chǎn)過程建模和監(jiān)控，解決了產(chǎn)線資源分配以及設備干擾等問題；文獻[6]提出船舶建造產(chǎn)線模型和場景可視化仿真的建模方法；文獻[7]研究了船舶平面面板建模和仿真過程，利用QUEST軟件對船舶平面面板生產(chǎn)線進行可視化仿真；文獻[8]開發(fā)了造船生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，用于面板生產(chǎn)離散事件模擬；文獻[9]采用射頻識別技術(radio frequency identification，RFID)和電子看板技術構建了小組立流水線監(jiān)控方案；文獻[10]研發(fā)了一體化制造系統(tǒng)仿真軟件(IMSS)，實現(xiàn)船舶二維建模和動畫仿真的功能；文獻[11]采用數(shù)字化設備對小組立生產(chǎn)線進行智能化升級，實現(xiàn)小組立工藝信息在線采集與監(jiān)控.綜上文獻分析，現(xiàn)有文獻對船舶建造產(chǎn)線的監(jiān)控做出了大量貢獻，但在實時可視化監(jiān)控方面卻鮮有報道.

數(shù)字孿生是將物理空間實體數(shù)字化表達，高保真模擬物理產(chǎn)品特征、行為以及性能，能夠解決產(chǎn)線的實時可視化監(jiān)控問題.文獻[12]提出基于新一代智能機床(IMT)數(shù)字孿生模型的加工數(shù)據(jù)應用和服務，實現(xiàn)對物理空間中實體模型數(shù)據(jù)可視化和分析；文獻[13]提出一種基于數(shù)字孿生的小型轉向節(jié)臂起重機狀況監(jiān)測方法，提升起重機在作業(yè)期間的可靠性和安全性；文獻[14]提出一種基于數(shù)字孿生的增強現(xiàn)實加工過程監(jiān)控技術，解決機械加工虛實分離可視化監(jiān)控的短板問題；文獻[15]提出智能制造空間虛實映射建模方法，實現(xiàn)航空發(fā)動機葉輪加工過程監(jiān)控.文獻[16]從組立特征角度出發(fā)，按照結構、尺寸、重量以及物量等特征進行成組分類，開展生產(chǎn)線物量分析，實現(xiàn)產(chǎn)能與物量平衡.文獻[17]研究小組立生產(chǎn)線建造流程，分析影響生產(chǎn)線均衡生產(chǎn)的主要因素，提出數(shù)字化車間分段小組立生產(chǎn)線均衡生產(chǎn)管理方法.數(shù)字孿生技術在可視化監(jiān)控方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，而對于船舶裝焊產(chǎn)線方面還缺乏相應的理論及應用.引入數(shù)字孿生技術，利用裝焊產(chǎn)線模型、數(shù)據(jù)、圖形等動態(tài)展現(xiàn)裝焊產(chǎn)線的實際生產(chǎn)狀況，實現(xiàn)船舶裝焊產(chǎn)線行狀態(tài)和生產(chǎn)信息動態(tài)監(jiān)控，是未來船舶智能制造研究重點.

1 數(shù)字孿生驅動的船舶裝焊產(chǎn)線可視化監(jiān)控框架

圖1為基于數(shù)字孿生的船舶裝焊產(chǎn)線可視化監(jiān)控與應用方法框架，分為物理層、數(shù)據(jù)連接層以及虛擬層3層.物理層是創(chuàng)建產(chǎn)線數(shù)字孿生模型的基礎，是工位設備、零部件、監(jiān)測裝置、人等的集合，能夠實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配、焊接、修補、背燒、監(jiān)測以及運輸?shù)壬a(chǎn)活動；數(shù)據(jù)層是多學科、多物理量、多尺度數(shù)據(jù)的集合，包含裝焊工藝設備參數(shù)、資源、生產(chǎn)計劃、工藝信息等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，具備數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、處理以及集成等方面功能；虛擬層是孿生模型創(chuàng)建的核心，它是對現(xiàn)場產(chǎn)線的數(shù)字化表達，旨在反映物理產(chǎn)線的幾何、行為和流程.

圖1 基于數(shù)字孿生的船舶裝焊產(chǎn)線可視化監(jiān)控與應用框架

為了建立與船舶裝焊現(xiàn)場的雙向信息交互通道，文中提出基于數(shù)字孿生的船舶裝焊產(chǎn)線可視化監(jiān)控方法.首先，在建模階段，將物理數(shù)據(jù)模型與描述模型進行映射和融合，實現(xiàn)了船舶裝焊產(chǎn)線數(shù)字孿生模型創(chuàng)建；然后，在數(shù)據(jù)組織與管理階段，對產(chǎn)線實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集，并對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效處理和存儲；最后，在應用服務階段，展示了系統(tǒng)平臺在數(shù)字孿生模型構建、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)組織與管理、產(chǎn)線可視化監(jiān)控應3個方面的應用效果，驗證文中方法的正確性與有效性.

2 裝焊產(chǎn)線數(shù)字孿生模型構建

圖2為船舶裝焊產(chǎn)線數(shù)字孿生模型框架，物理空間的物料、人員、設備以及環(huán)境共同構成船舶裝焊產(chǎn)線制造資源，借助數(shù)據(jù)建模語言對產(chǎn)線制造資源進行結構化描述，明確數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)關系；虛擬空間的描述模型是對物理產(chǎn)線高保真度數(shù)字化鏡像，在表達物理產(chǎn)線幾何方面特征、描述生產(chǎn)行為過程、推演其運行狀態(tài)等方面發(fā)揮了重要作用.

圖2 船舶裝焊產(chǎn)線數(shù)字孿生模型框架

2.1 描述模型創(chuàng)建

描述模型是對物理產(chǎn)線的幾何、行為以及規(guī)則特征數(shù)字化描述，包括配置模型、行為模型、邏輯模型.

配置模型是物理產(chǎn)線在虛擬空間的復制品，它涵蓋物理空間一切可視化組成元素，主要由人、資源、零部件和焊接機器人等組成產(chǎn)線布局.以系統(tǒng)平臺基礎模型庫為基礎，在3D模型窗口中對模型的顏色、材料、大小進行渲染，保證與物理空間產(chǎn)線外觀基本相似.

行為模型是對產(chǎn)線運行規(guī)則、設備行為運行關系等分析后，在系統(tǒng)中將實際產(chǎn)線運行規(guī)則和設備行為軌跡等相關參數(shù)進行設置，編寫程序驅動產(chǎn)線可對生產(chǎn)物流仿真.

邏輯模型是將物理產(chǎn)線工藝流程規(guī)則轉化成孿生模型仿真運行的邏輯，通過編寫仿真代碼和設置邏輯參數(shù)，保證產(chǎn)線上設備按照既定邏輯規(guī)則連接，展現(xiàn)產(chǎn)線加工過程.

2.2 數(shù)字孿生模型創(chuàng)建

融合與關聯(lián)船舶裝焊產(chǎn)線物理數(shù)據(jù)和描述模型是創(chuàng)建船舶裝焊產(chǎn)線數(shù)字孿生模型的關鍵(圖3).

圖3 物理數(shù)據(jù)與描述模型融合機制

船舶裝焊產(chǎn)線的制造資源數(shù)據(jù)通過傳感器、RFID、視覺系統(tǒng)等設備采集數(shù)據(jù)，利用以太網(wǎng)或無線網(wǎng)絡將其傳輸?shù)椒掌鬟M行處理、存儲、應用，最終集成到物理數(shù)據(jù)模型.因此，物理數(shù)據(jù)是連接物理實體與描述模型的橋梁，基于兩者之間的映射關系，實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)驅動描述模型動態(tài)更新，達到產(chǎn)線虛實同步目的.按照數(shù)據(jù)類型分類，將映射關系分為3類：① 直接映射，由參數(shù)文檔資料或傳感器采集的數(shù)據(jù)能直接反應設備的屬性信息，如輥道的輸送速度、焊接機器人的焊接速度、焊接電源額定輸入電壓等；② 間接映射，需要分析和計算物理數(shù)據(jù)獲得，反應描述模型的屬性信息，如焊接機器人的功率消耗、堵塞率、產(chǎn)線生產(chǎn)率等；③ 推理映射，在上述兩種映射機制的基礎上，利用已有公理、知識、規(guī)則推理而生成的信息，如產(chǎn)線瓶頸工位、緩沖區(qū)容量對生產(chǎn)效率的影響等.通過模型之間的映射機制，使得物理數(shù)據(jù)與描述模型之間交互融合，為船舶裝焊產(chǎn)線數(shù)字孿生模型提供數(shù)據(jù)依據(jù).

3 船舶裝焊產(chǎn)線監(jiān)控數(shù)據(jù)組織與管理

3.1 產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構設計

結合智能傳感設備、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術，構建船舶裝焊產(chǎn)線實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集框架，如圖4.

圖4 產(chǎn)線監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集框架

針對產(chǎn)線關鍵工位設備運行參數(shù)全面實時感知的要求，如焊接機器人、輥道、自動背燒等設備運行狀態(tài)參數(shù)，焊接前零部件幾何尺寸信息、工件類型、焊縫、電流、電壓、車間溫度等均需要大量智能傳感設備實時采集.在產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集階段，現(xiàn)有的方法是通過RS485串口直接將PLC與工控機通信，然后將采集的實時數(shù)據(jù)上傳至遠程系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存和管理.

3.2 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與存儲

3.2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理

根據(jù)實測數(shù)據(jù)對數(shù)字孿生模型的實質效果，將產(chǎn)線實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分為靜態(tài)仿真數(shù)據(jù)和動態(tài)仿真數(shù)據(jù).靜態(tài)仿真數(shù)據(jù)是指數(shù)字孿生模型仿真前后，其數(shù)據(jù)不發(fā)生任何改變，需要在虛擬空間中對數(shù)字孿生模型進行設定，大多數(shù)靜態(tài)仿真數(shù)據(jù)為模型內部控制參數(shù)或者是基本屬性信息，如生產(chǎn)總量、焊接機器人故障率、物料信息等；動態(tài)仿真數(shù)據(jù)是指對數(shù)字孿生模型產(chǎn)生實質效果，如焊接設備參數(shù)、焊縫狀態(tài)等數(shù)據(jù).為實現(xiàn)對實測數(shù)據(jù)的有效利用，將通過以下方法對其進行預處理.

(1) 剔除冗余數(shù)據(jù)：在船舶裝焊生產(chǎn)過程中，會有一些無用、雜亂的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，需要對其進行過濾，保留精確、有用數(shù)據(jù)，減少模型仿真的復雜程度.例如操作人員種類、班次、物料采購、設備庫存等數(shù)據(jù)對產(chǎn)線可視化監(jiān)控與應用不產(chǎn)生影響，作為冗余數(shù)據(jù)剔除.

(2) 監(jiān)測異常數(shù)據(jù)：根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)代表的實際含義，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)是否存在異常.其次，用箱線圖、K-Sigma、殘差統(tǒng)計等方法對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測并剔除，保證后續(xù)存儲有效數(shù)據(jù).

(3) 數(shù)據(jù)擬合與可視化：根據(jù)生產(chǎn)信息管控的需求，需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合，得到合適的函數(shù)圖像.此外，為了盡可能展示物理空間船舶裝焊產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)，可通過一些曲線圖、散點圖展示數(shù)據(jù)變化趨勢，直觀呈現(xiàn)產(chǎn)線特征.

3.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲

監(jiān)測數(shù)據(jù)作為外部數(shù)據(jù)，預處理后直接存儲于數(shù)據(jù)庫或EXCEL中，通過兩種方式將數(shù)據(jù)讀取到軟件平臺數(shù)據(jù)表中：一類是利用平臺數(shù)據(jù)接口ODBC連接數(shù)據(jù)庫，另一類是基于軟件編程或者ActiveX接口實現(xiàn)與EXCEL交互.孿生數(shù)據(jù)不僅包括驅動描述模型的監(jiān)測數(shù)據(jù)，還包括描述模型仿真優(yōu)化與計算得到的衍生數(shù)據(jù).

(1) 統(tǒng)計數(shù)據(jù)：對于產(chǎn)線過程產(chǎn)品，需要統(tǒng)計每個工位的實時加工數(shù)量、加工時間等，進一步可以計算得到產(chǎn)品的完成率、生產(chǎn)效率；對于設備及服務，需要統(tǒng)計設備利用率、能源消耗、產(chǎn)線物流情況等.這類數(shù)據(jù)是根據(jù)仿真運行不斷更新，利用程序語言生成不同類型的數(shù)據(jù)表.

(2) 運行數(shù)據(jù)：對產(chǎn)線數(shù)字孿生模型狀態(tài)的綜合分析，如生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)率等，是經(jīng)過一定的仿真運行后，通過程序代碼計算得到的，不需要實時統(tǒng)計.

4 應用驗證

以Plant Simulation軟件為系統(tǒng)平臺、集成Microsoft SQL Server 2012、MATLAB、EXCEL軟件，研發(fā)船舶裝焊產(chǎn)線可視化監(jiān)控平臺，包括數(shù)字孿生模型構建、產(chǎn)線數(shù)據(jù)組織與管理、可視化監(jiān)控等功能模塊.在系統(tǒng)中，對物理產(chǎn)線所有工位設備、行為動作、運行邏輯以及數(shù)據(jù)接口等構建，真實刻畫產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)以及流程.利用產(chǎn)線虛實空間實時映射機制，實現(xiàn)產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)信息的全三維可視化監(jiān)控.

4.1 裝焊產(chǎn)線數(shù)字孿生虛擬模型創(chuàng)建

利用三維軟件實現(xiàn)產(chǎn)線相關設備、車間環(huán)境三維建模，按照工位建立自定義專用模型庫，然后將所建模型導入專用模型庫中，保留原基礎模型屬性與信息，并通過Move()、Cont()、Connect()等關鍵字搭建產(chǎn)線運動邏輯，將其統(tǒng)一封裝在方法Method中.通過上述過程，建立船舶裝焊產(chǎn)線虛擬模型，如圖5.

圖5 船舶裝焊產(chǎn)線虛擬模型

4.2 監(jiān)控數(shù)據(jù)組織與管理

傳感器、視覺系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集裝置布置在產(chǎn)線的關鍵工位設備上，實現(xiàn)船舶裝焊產(chǎn)線物料、設備、制造過程等監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，如：RFID、激光測距系統(tǒng)、線激光傳感器、速度傳感器、電流電壓傳感器等，部分采集裝置布置與數(shù)據(jù)如圖6.

圖6 關鍵工位數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)方式

4.3 可視化監(jiān)控應用服務

Plant Simulation平臺同步顯示了孿生模型仿真運行狀態(tài)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，管理人員可以選擇相應的設備及其數(shù)據(jù)進行實時查看.圖7為產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)可視化監(jiān)控畫面，選擇焊接機器人可以將焊接電流、焊接電壓、氣體流量等焊接參數(shù)以視圖窗口的形式實時顯示，且在界面使用表格工具對產(chǎn)線工位設備利用率進行計算，結果以柱狀圖形式向管理人員展示.

圖7 產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控界面

在產(chǎn)線出料工位，管理人員可以查看基本屬性信息，比如：裝配時長、焊接工時、焊縫長度等信息，幫助管理人員快速了解產(chǎn)線的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)對象信息(圖8).

圖8 對象基本屬性信息展示

圖9為產(chǎn)線焊接工位可視化監(jiān)控畫面，實時顯示焊接工位工藝參數(shù)，如焊接機器人電流、電壓、焊接工藝配方等.同時，虛擬空間焊接機器人孿生模型模擬物理空間焊接過程.

圖9 焊接工位監(jiān)控畫面

5 結論

文中提出了數(shù)字孿生驅動的船舶裝焊產(chǎn)線可視化監(jiān)控方法，通過實例驗證，得到如下結論：

(1) 基于UML統(tǒng)一建模語言構建產(chǎn)線物理數(shù)據(jù)模型，采用模塊化方法構建產(chǎn)線描述模型，基于物理數(shù)據(jù)模型和描述模型3種實時映射機制，實現(xiàn)船舶裝焊產(chǎn)線數(shù)字孿生模型創(chuàng)建.

(2) 基于設計的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集框架，實現(xiàn)產(chǎn)線關鍵工位數(shù)據(jù)的采集；運用數(shù)據(jù)預處理與分類存儲方法，給出實時數(shù)據(jù)驅動孿生模型的數(shù)據(jù)接口，為產(chǎn)線可視化監(jiān)控應用提供數(shù)據(jù)基礎.

(3) 通過測試驗證，集成物料流、數(shù)據(jù)流與控制流，實現(xiàn)產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控和生產(chǎn)信息的高效化、透明化管理，實現(xiàn)了船舶裝焊產(chǎn)線高效性與均衡性生產(chǎn)，為數(shù)字孿生在船舶裝焊產(chǎn)線可視化監(jiān)控方面提供新思路、新方法.