基于車間物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王真

中船第九設(shè)計研究院工程有限公司 上海 200090

引言

目前船廠車間作業(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，車間管理層需要及時掌握車間現(xiàn)場作業(yè)情況，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的異常，從而更合理的調(diào)整生產(chǎn)計劃和資源配置，提高生產(chǎn)效率和可靠性，而由于車間信息交互不夠及時全面，可視化程度低所導(dǎo)致的管理人員對車間執(zhí)行信息的監(jiān)控力度不夠，嚴(yán)重制約了車間智能化發(fā)展，船廠傳統(tǒng)的運維管理系統(tǒng)無法很好地表達資產(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，缺少數(shù)據(jù)決策機制，導(dǎo)致生產(chǎn)管理效率低下等痛點問題。

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)鏡像物理車間，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動直觀有效地完成對車間對象的監(jiān)控、分析，實現(xiàn)對當(dāng)前的生產(chǎn)管控、對未來的趨勢預(yù)判、對過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]。本文以國內(nèi)某船廠生產(chǎn)車間數(shù)字化實施項目為實例依托，以數(shù)字化方式構(gòu)建車間數(shù)字孿生運維分析系統(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)、實時數(shù)據(jù)、算法模型數(shù)據(jù)等，模擬、驗證、預(yù)測車間管理，從而為船廠車間生產(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 船廠車間數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

船廠車間數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)車間運維管理系統(tǒng)在空間分析、面向?qū)ο蠊芾怼⑿畔⒉樵儭?shù)據(jù)決策支撐等方面的不足，系統(tǒng)以車間物聯(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)，通過建立小組立機器人狀態(tài)監(jiān)控、焊機質(zhì)量管控、生產(chǎn)計劃管理三個應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)模型、工業(yè)機理模型、三維信息模型，在船廠虛擬車間環(huán)境中，實現(xiàn)基于統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)源的車間生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)警、焊機質(zhì)量評估與優(yōu)化、生產(chǎn)計劃調(diào)度管理等功能，提高船廠車間可視化管控水平和生產(chǎn)效率。

1.2 船廠車間數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)架構(gòu)

船廠車間數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為四大層級，包括接入層、IaaS云基礎(chǔ)設(shè)施、平臺層、應(yīng)用層[2]，接入層是整個系統(tǒng)感知與執(zhí)行的基礎(chǔ)，主要通過深層次采集數(shù)據(jù)并實現(xiàn)不同協(xié)議數(shù)據(jù)基層匯聚，作為系統(tǒng)的驅(qū)動源頭，用于實現(xiàn)車間數(shù)據(jù)、外部應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與計算；云基礎(chǔ)設(shè)施通過虛擬化技術(shù)將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源池化，向用戶提供可計量、彈性化的資源服務(wù)；平臺層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲與訪問、抽取與轉(zhuǎn)換、計算與分析，其中存儲與管理包括設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫、計劃信息數(shù)據(jù)庫、物流信息數(shù)據(jù)庫等，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)計劃調(diào)度管理、焊機質(zhì)量評估與優(yōu)化。應(yīng)用層是船廠車間數(shù)字孿生運維分析系統(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、個性化定制、服務(wù)化延伸等車間智能制造典型場景。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 船廠車間數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)開發(fā)

2.1 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)采集與接入

數(shù)據(jù)的采集與接入是車間數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)為參考與船廠車間生產(chǎn)管理相結(jié)合，實現(xiàn)從車間實體到分析到業(yè)務(wù)的各類元素的全面互聯(lián)[3]，部署邊緣層：通過全要素的數(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、載體平臺與已有系統(tǒng)（計劃管理系統(tǒng)、車間物流管控系統(tǒng)、物資配料系統(tǒng)）的互聯(lián)互通，形成船廠車間數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)存儲與管理

結(jié)合船廠信息化安全要求，在車間IaaS層構(gòu)建過程中，采用本地部署私有云服務(wù)的方式進行數(shù)據(jù)存儲與管理，面對車間實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，具體按照頂級流程（業(yè)務(wù)場景、業(yè)務(wù)描述）、宏流程（場景編號、業(yè)務(wù)場景、業(yè)務(wù)描述）、作業(yè)流程（作業(yè)編號、操作場景、場景描述）、底層數(shù)據(jù)模型（IT層數(shù)據(jù)要求）進行核心數(shù)據(jù)源的標(biāo)準(zhǔn)體系研究與構(gòu)建工作。

2.3 車間數(shù)字孿生建模與分析

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

2.3.1 建立主題數(shù)據(jù)庫。根據(jù)船廠車間數(shù)字化改造業(yè)務(wù)場景需求，針對單臺切割機狀態(tài)監(jiān)控、多臺切割機聯(lián)網(wǎng)監(jiān)

控、單臺焊機狀態(tài)監(jiān)控、多臺焊機聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、小組立機器人狀態(tài)監(jiān)控、車間生產(chǎn)物流管理、車間生產(chǎn)計劃調(diào)度與優(yōu)化等業(yè)務(wù)場景，在數(shù)據(jù)庫平臺中進行主題數(shù)據(jù)建模與開發(fā)工作，實現(xiàn)車間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的高效萃取與應(yīng)用。

2.3.2 建立機理模型。綜合利用機器學(xué)習(xí)、相關(guān)性分析、聚類分析等技術(shù)形成先進的數(shù)據(jù)分析手段，將焊機狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、車間生產(chǎn)計劃管理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機理模型和數(shù)學(xué)算法模型、解決機器人狀態(tài)監(jiān)控、焊機質(zhì)量管控、生產(chǎn)計劃調(diào)度與優(yōu)化等面向車間物聯(lián)網(wǎng)特定場景的實際痛點問題[4]。

2.3.3 建立三維信息模型。三維信息模型是車間數(shù)字孿生運維系統(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)則等多個維度對物理車間進行映射，完善的虛擬車間模型可以反過來影響控制真實物理車間[5]，為了實現(xiàn)虛擬車間對實際物理車間的準(zhǔn)確映射，不僅需要建立幾何模型，還需要對車間三維模型資源進行統(tǒng)一管理。本文從生產(chǎn)線信息建模、產(chǎn)品信息建模、過程信息建模幾方面動態(tài)映射物理車間，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)庫建模

圖3 車間三維信息模型構(gòu)建

2.4 車間數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)應(yīng)用

數(shù)字孿生車間是物理車間、虛擬車間、信息系統(tǒng)和孿生數(shù)據(jù)的集成融合，物理車間和虛擬車間通過信息系統(tǒng)及孿生數(shù)據(jù)，可以進行實時交互和雙向映射。在車間物聯(lián)網(wǎng)SaaS層中，主要是面向車間智能化生產(chǎn)、服務(wù)化延伸等需求場景，為用戶提供定制化開發(fā)的車間數(shù)字孿生運維分析系統(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 車間信息模型管理。能夠?qū)囬g信息模型進行管理，向仿真分析系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)提供車間信息模型數(shù)據(jù)，能夠依據(jù)采集的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)持續(xù)的對車間信息模型進行完善。

2.4.2 設(shè)備監(jiān)控管理。通過對車間聯(lián)網(wǎng)的切割機、焊機、小組立機器人進行三維可視化實時監(jiān)控，提供設(shè)備維護管理、設(shè)備OEE統(tǒng)計分析等功能。

2.4.3 生產(chǎn)計劃可視化。對車間的生產(chǎn)計劃信息進行展示，包括生產(chǎn)計劃完成情況，物量完成情況，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃任務(wù)數(shù)據(jù)可視化管理。

2.4.4 流監(jiān)控管理。對車間的物流狀態(tài)進行展示管理，包括車輛資源管理、物流管理及場地資源管理，實現(xiàn)車間物流狀態(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間數(shù)字孿生運維分析系統(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，實現(xiàn)指標(biāo)分析及決策場景落地，實時的反映工廠車間的數(shù)據(jù)運行狀態(tài)，為車間管理人員提供數(shù)據(jù)決策支持。

3 系統(tǒng)實施與成果展示

結(jié)合國內(nèi)某船廠生產(chǎn)車間數(shù)字化改造實施項目，結(jié)合車間物聯(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)建船廠車間數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對車間主要生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)物流的可視化運維分析管理。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在船廠成功上線運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，通過該系統(tǒng)實施，達到以下應(yīng)用效果：①實現(xiàn)車間聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的三維可視化監(jiān)控管理，設(shè)備巡檢時間縮短50%；②實現(xiàn)生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)物流實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化管理。現(xiàn)場需求響應(yīng)速度由1.5h縮短至0.5h，提高60%，保證了生產(chǎn)計劃的按時完成，促進了生產(chǎn)精細(xì)化管理。

圖4 數(shù)據(jù)駕駛艙圖

圖5 車間計劃可視化

4 結(jié)束語

本文以國內(nèi)某船廠生產(chǎn)加工車間數(shù)字化實施項目為實例依托，針對傳統(tǒng)車間運維監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提出基于“生產(chǎn)數(shù)據(jù)+工業(yè)機理+模型算法”的船廠車間運維管理創(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、焊機質(zhì)量評估與優(yōu)化、生產(chǎn)計劃調(diào)度管理等車間典型應(yīng)用場景需求，構(gòu)建船廠車間數(shù)字孿生運維分析系統(tǒng)，實現(xiàn)基于真實數(shù)據(jù)驅(qū)動的船廠虛擬車間與實體車間的相互映射，實時掌握車間生產(chǎn)動態(tài)信息，為船廠車間生產(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。