焊接成套裝備車(chē)間數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王冠，劉暢，宋微，張樂(lè)

(1.河北科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北石家莊 050018；2.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北廊坊 065000)

0 前言

焊接成套裝備是石油管道鋪設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，目前我國(guó)自主生產(chǎn)的焊接成套裝備在各項(xiàng)性能指標(biāo)方面已不遜于國(guó)外同類型產(chǎn)品，但在可靠性和耐用性方面仍存在一定差距[1]。傳統(tǒng)的手工裝配作業(yè)中存在大量不確定因素，是造成產(chǎn)品可靠性缺陷的主要原因。數(shù)字孿生作為提升效率、降低成本、保障安全和節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)，在解決產(chǎn)品可靠性缺陷方面也已被證明是行之有效的途徑之一。

數(shù)字孿生最早是由美國(guó)教授GRIEVES[2]提出的，起初用于航空飛行器的安全維護(hù)。其原理是利用物理模型、傳感器和運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)實(shí)體產(chǎn)品鏡像仿真提出優(yōu)化解決方案[3-6]。數(shù)字孿生技術(shù)被引入我國(guó)后，先后經(jīng)歷基于CPS的裝配車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控[7-8]、數(shù)字孿生四維或五維模型[9]、在孿生車(chē)間中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的優(yōu)化方案[10-12]等幾個(gè)階段，但框架性的概念和理論并未解決以可靠性為代表的制造業(yè)具體問(wèn)題。隨著人工智能[13]、云技術(shù)[14]和虛擬現(xiàn)實(shí)[15]等技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)制造過(guò)程逐步實(shí)現(xiàn)了端云協(xié)同的智能化管控，數(shù)字孿生技術(shù)的研究也逐漸呈現(xiàn)面向具體問(wèn)題的趨勢(shì)。在虛擬層研究方面，鄭孟蕾、田凌[16]基于時(shí)間序列搭建了數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)庫(kù)；AGAPAKI、BRILAKIS[17]應(yīng)用工業(yè)數(shù)據(jù)集分割算法，有效提高了建模效率。在物理層研究方面，祁若龍等[18]提出一種基于VC平臺(tái)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真方法；YU等[19]對(duì)機(jī)械臂的路徑問(wèn)題進(jìn)行了研究；倪自強(qiáng)等[20]在工業(yè)機(jī)器人的引導(dǎo)中加入了機(jī)器視覺(jué)；金壽松等[21]還建立了產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)字孿生模型，以產(chǎn)品質(zhì)量作為關(guān)注重點(diǎn)。系統(tǒng)化的解決方法也考慮了更多的細(xì)節(jié)性問(wèn)題，使數(shù)字化車(chē)間的自動(dòng)化和智能化管控程度逐漸提高。

但是，數(shù)字孿生技術(shù)在以手工裝配為主的生產(chǎn)車(chē)間尚未得到充分和有效的應(yīng)用。因此，為了解決手工作業(yè)的生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)人員技術(shù)提升難、問(wèn)題發(fā)掘難和管理實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，本文作者以焊接成套裝備車(chē)間作為研究對(duì)象，建立車(chē)間的數(shù)字孿生模型，基于歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的快速仿真分析和指導(dǎo)。通過(guò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞，設(shè)計(jì)不同的功能模塊，為降低不確定因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響和實(shí)現(xiàn)車(chē)間的精益生產(chǎn)方式提供解決方法。

1 需求分析

某公司作為國(guó)內(nèi)從事油氣管道領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)研究、裝備產(chǎn)品制造和技術(shù)服務(wù)的權(quán)威機(jī)構(gòu)，由于焊接成套裝備車(chē)間生產(chǎn)環(huán)境的多變、人員操作效率較低和產(chǎn)品生產(chǎn)的混流性等問(wèn)題，很難通過(guò)人工的管理方式提高生產(chǎn)效率，精益生產(chǎn)方式也很難實(shí)現(xiàn)。具體表現(xiàn)為以下4個(gè)方面：

(1)看板管理方式實(shí)施困難。由于裝備車(chē)間大多還停留在手工裝配階段，缺少智能化設(shè)備的監(jiān)控，車(chē)間內(nèi)的環(huán)境要素難以得到量化的顯示。管理者不能及時(shí)處理因環(huán)境溫度、濕度及粉塵濃度所造成的車(chē)間異常，生產(chǎn)人員長(zhǎng)期處于惡劣的車(chē)間環(huán)境中，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率及身心健康。傳統(tǒng)自動(dòng)焊裝備生產(chǎn)調(diào)試區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)自動(dòng)焊裝備生產(chǎn)調(diào)試區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)

(2)記錄方式數(shù)字化程度低。該公司從事手工裝配作業(yè)的員工大部分是勞務(wù)派遣的用工方式，對(duì)產(chǎn)品的裝配流程不熟悉，而且需要掌握多道工序的作業(yè)技能，導(dǎo)致在作業(yè)流程中出現(xiàn)大量的錯(cuò)誤，存在返工返修多的問(wèn)題，問(wèn)題多以紙質(zhì)方式記錄，難以保存、傳遞及追溯。例如現(xiàn)行問(wèn)題記錄標(biāo)記方式紙質(zhì)記錄單經(jīng)常損壞和丟失。

(3)信息傳遞效率低。管理者難以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)效率提升造成了很大的障礙。在紙質(zhì)單據(jù)記錄問(wèn)題的過(guò)程中，極易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和票據(jù)丟失的情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后不能及時(shí)反饋和解決。

(4)持續(xù)性改善能力差。紙質(zhì)單據(jù)的保存難度較大，在對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行決策時(shí)，容易出現(xiàn)缺少關(guān)鍵數(shù)據(jù)的問(wèn)題，使得所有的改善都將基于最初的生產(chǎn)狀態(tài)。此外，員工工作調(diào)動(dòng)比較頻繁，新上任的員工難以掌握操作流程，單純的紙質(zhì)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)不能有針對(duì)性地指導(dǎo)員工進(jìn)行作業(yè)。目前裝配現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)指導(dǎo)書(shū)查看現(xiàn)場(chǎng)

為了解決以上問(wèn)題，輔助管理者實(shí)施有效決策，系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成為基于數(shù)字孿生四維模型框架結(jié)構(gòu)。其工作過(guò)程是在焊接成套裝備車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)管理時(shí)實(shí)現(xiàn)：(1)系統(tǒng)通過(guò)傳感器感知生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)異常指標(biāo)，能夠向管理者及時(shí)報(bào)送異常信息，并快速做出決策和響應(yīng)，避免由于延遲決策所產(chǎn)生的生產(chǎn)事故；(2)自動(dòng)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員操作的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)它進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化功能，減少用于問(wèn)題解決的時(shí)間消耗；(3)依據(jù)產(chǎn)品作業(yè)流程以及員工操作歷史數(shù)據(jù)，形成可視化電子作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，保障員工技能有序提升，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。

2 數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體框架

文中焊接成套裝備數(shù)字孿生框架如圖3所示，主要包含物理層、虛擬層、數(shù)據(jù)層和服務(wù)層四部分。

(1)物理層。物理層主要指的是物理車(chē)間，由多個(gè)生產(chǎn)人員和設(shè)備組成的裝配車(chē)間生產(chǎn)系統(tǒng)，具體包括操作人員、工作臺(tái)、機(jī)器設(shè)備、產(chǎn)品、傳感器和零件等物理實(shí)體；同時(shí)還包括產(chǎn)品具體的裝配信息，例如設(shè)備位置和產(chǎn)品的工藝流程。

(2)虛擬層。虛擬層由裝配車(chē)間元素的孿生模型搭建而成，主要包含模型要素、行為要素和規(guī)則要素。其中模型要素包括車(chē)間的物理設(shè)備、生產(chǎn)線布局和工作環(huán)境等元素；行為要素包括產(chǎn)品裝配順序和物料流動(dòng)等行為特征；規(guī)則要素包含車(chē)間評(píng)估等。

(3)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是服務(wù)層的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)層包括3個(gè)層面，物理車(chē)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、虛擬車(chē)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及車(chē)間服務(wù)層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。3個(gè)層面的數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)映射，更新計(jì)算，為系統(tǒng)的決策和優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。其中，數(shù)據(jù)層還負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分發(fā)至各個(gè)層次和模塊，例如：對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理之后，將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)反饋至物理層，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

(4)服務(wù)層。服務(wù)層以數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)作為決策基礎(chǔ)，在實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互映射的同時(shí)，監(jiān)控實(shí)體車(chē)間的運(yùn)行狀態(tài)，在孿生車(chē)間中提供了狀態(tài)監(jiān)控、仿真分析、場(chǎng)景漫游和計(jì)劃優(yōu)化等車(chē)間服務(wù)。

圖3 焊接成套裝備數(shù)字孿生框架

2.2 各模塊功能及關(guān)系

在數(shù)字孿生五維模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)流動(dòng)將數(shù)字孿生系統(tǒng)劃分為5個(gè)模塊。

(1)數(shù)據(jù)感知模塊

數(shù)據(jù)感知模塊即為孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入的最初階段，主要是對(duì)數(shù)據(jù)源的收集，例如車(chē)間環(huán)境數(shù)據(jù)、所有設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及與生產(chǎn)相關(guān)的全部信息。數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接入模塊進(jìn)行終端設(shè)備、端口和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)。在此模塊當(dāng)中涉及到終端設(shè)備的布置和選擇。

(2)數(shù)據(jù)接入模塊

數(shù)據(jù)接入模塊將終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)匯入數(shù)字孿生系統(tǒng)當(dāng)中，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)融合等計(jì)算，最后將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和備份，用于對(duì)車(chē)間運(yùn)行歷史狀態(tài)的記錄和保存。

(3)數(shù)據(jù)建模模塊

以車(chē)間為對(duì)象的虛擬模型搭建過(guò)程如圖4所示，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求決定使用CATIA V5R20和SolidWorks進(jìn)行建模工作，利用UE4進(jìn)行三維立體動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)渲染和制作。

在場(chǎng)景搭建方面，根據(jù)車(chē)間設(shè)備尺寸和結(jié)構(gòu)確定模型，考慮到后續(xù)數(shù)字孿生系統(tǒng)中數(shù)據(jù)會(huì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備模型的運(yùn)動(dòng)，所以整體模型要由部件裝配而成，且需設(shè)置好父子級(jí)關(guān)系，使運(yùn)動(dòng)符合實(shí)際情況。在虛幻引擎中進(jìn)行材質(zhì)添加和貼圖，給模型添加物理屬性從而與碰撞情況相符合，使它與真實(shí)車(chē)間保持高度一致性。最后，通過(guò)C++腳本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型。

圖4 虛擬建模流程

在人體建模方面，人員狀態(tài)是數(shù)字孿生車(chē)間不可或缺的一部分，為了使虛擬人的工作狀態(tài)忠實(shí)于車(chē)間人員實(shí)際的工作情況，采用多種方法并行的狀態(tài)采集方式。利用Leap Motion、Kinect和攝像頭采集人員狀態(tài)。

最后，車(chē)間高保真模型構(gòu)建完成后，連接智能監(jiān)控傳感設(shè)備，采集物理實(shí)體數(shù)據(jù)上傳至孿生車(chē)間，時(shí)刻保持物理層和虛擬層的高度一致和同步運(yùn)行，在終端設(shè)備可以查看車(chē)間的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

(4)數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊

數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊負(fù)責(zé)將獲取到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和處理，并根據(jù)不同類型的數(shù)據(jù)為系統(tǒng)提供各類服務(wù)：數(shù)據(jù)規(guī)劃服務(wù)、數(shù)據(jù)安全保障服務(wù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)服務(wù)。

數(shù)據(jù)規(guī)劃服務(wù)：對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)中不同來(lái)源和不同應(yīng)用類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，方便必要時(shí)調(diào)取和查看。

數(shù)據(jù)安全保障服務(wù)：對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)不同保密級(jí)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和安全管理，防止重要數(shù)據(jù)的遺失。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)服務(wù)：依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管理的需要進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算，例如各設(shè)備的作業(yè)效率、在制品的堆積數(shù)量和庫(kù)存數(shù)量等。

(5)數(shù)據(jù)可視化模塊

①電子作業(yè)指導(dǎo)書(shū)

電子作業(yè)指導(dǎo)書(shū)相較于傳統(tǒng)紙質(zhì)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，能從多視角多方面展示裝配流程，且能滿足用戶隨時(shí)調(diào)取的需求。基于仿真技術(shù)的電子作業(yè)指導(dǎo)書(shū)可以展示當(dāng)前工序的詳細(xì)信息，包括裝配順序、零件型號(hào)和數(shù)量等。指導(dǎo)文件的存儲(chǔ)采取分級(jí)嵌套結(jié)構(gòu)保存，便于查找。根據(jù)員工所處的不同崗位能查看的范圍也不同，在防止機(jī)密文件外泄的同時(shí)，簡(jiǎn)化了員工查找文件的流程，提升了工作技能。

②工位實(shí)時(shí)裝配指導(dǎo)

由于工作人員對(duì)產(chǎn)品加工流程不熟悉，且在焊接成套裝備車(chē)間中存在諸多手工裝配作業(yè)，裝配的零件相似性很高，經(jīng)常導(dǎo)致錯(cuò)裝誤裝從而影響工期和質(zhì)量。因此，為此數(shù)字孿生系統(tǒng)提出一種基于Yolov4算法的零件定位與識(shí)別方法。首先，使用相機(jī)采集螺母、平墊、彈墊、軸套和支撐輪等內(nèi)焊機(jī)裝配所需零件圖像，在采集過(guò)程中各類零件以不同角度隨意擺放；其次，使用OpenCV進(jìn)行圖像壓縮和畫(huà)質(zhì)增強(qiáng)等處理，獲得零件圖像集；再次，使用圖像標(biāo)注工具Labelimg軟件對(duì)零件圖像集進(jìn)行人工標(biāo)注，如圖5所示，對(duì)圖像集中所有零件手動(dòng)標(biāo)注矩形框；最后，對(duì)圖像集進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字孿生系統(tǒng)中實(shí)時(shí)指導(dǎo)人員進(jìn)行裝配。

③模塊化作業(yè)環(huán)境預(yù)警

車(chē)間作業(yè)環(huán)境管理方案如圖6所示，車(chē)間內(nèi)將布置工業(yè)傳感器作為數(shù)據(jù)感知工具。系統(tǒng)采用溫濕度傳感器、車(chē)間粉塵監(jiān)測(cè)儀和煙霧傳感器等采集車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)環(huán)境指數(shù)。在上傳至孿生系統(tǒng)的同時(shí)，將環(huán)境指標(biāo)函數(shù)顯示在各區(qū)域的展示界面，通過(guò)不同色塊展示不同的環(huán)境指標(biāo)，并對(duì)其設(shè)置閾值實(shí)現(xiàn)預(yù)警彈窗。有效幫助管理者精準(zhǔn)快速地做出決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間環(huán)境的科學(xué)管控。

圖5 人工標(biāo)注圖像集

圖6 作業(yè)環(huán)境管理方案

④產(chǎn)線巡檢與優(yōu)化

產(chǎn)線巡檢與優(yōu)化流程如圖7所示，孿生系統(tǒng)在數(shù)據(jù)感知模塊自動(dòng)采集實(shí)際裝配工時(shí)，然后與標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)對(duì)比得出工時(shí)損失。根據(jù)時(shí)間差值的大小、時(shí)差產(chǎn)生的次數(shù)和此裝配節(jié)點(diǎn)的重要程度判斷時(shí)差級(jí)別。Ⅰ級(jí)：時(shí)間差值10%，次數(shù)10次以內(nèi)的主要裝配節(jié)點(diǎn)；Ⅱ級(jí)：時(shí)間差值20%，次數(shù)10次以內(nèi)的各裝配節(jié)點(diǎn)；Ⅲ級(jí)：時(shí)間差值30%，次數(shù)10次以上的各裝配節(jié)點(diǎn)。

最后，結(jié)合實(shí)際裝配出現(xiàn)的問(wèn)題，分析產(chǎn)生時(shí)差的原因或者相應(yīng)地調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，將實(shí)際工時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)互為對(duì)照，減少裝配工作的時(shí)間波動(dòng)，也使標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)更加精確，為作業(yè)計(jì)劃的制定提供合理的依據(jù)。

裝配零件實(shí)際工時(shí)是通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)采集的，數(shù)據(jù)采集界面如圖8所示。裝配節(jié)點(diǎn)的重要程度由專家打分法確定。而工時(shí)延誤程度由公式(1)表示：

(1)

其中：fi表示某裝配工序中第i個(gè)零件的時(shí)差波動(dòng)程度；Ti表示裝配工序中第i個(gè)零件的裝配標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)，T′i表示裝配工序中第i個(gè)零件的裝配實(shí)際工時(shí)；Ni表示假設(shè)裝配工序中第i個(gè)零件裝配總次數(shù)；N′i表示裝配工序中第i個(gè)零件裝配發(fā)生工時(shí)損失的頻次；Ii表示裝配工序中所有零件的重要程度總分值；I′i表示裝配工序中裝配失誤的第i個(gè)零件的重要程度得分；α、β、γ分別表示工時(shí)損失時(shí)間參數(shù)、工時(shí)損失次數(shù)參數(shù)、裝配節(jié)點(diǎn)重要程度參數(shù)在手工裝配工序延誤程度計(jì)算中所占的權(quán)重。

圖7 產(chǎn)線巡檢與優(yōu)化流程

圖8 數(shù)據(jù)采集界面

2.3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及環(huán)境

焊接成套裝備車(chē)間數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用Http和Websocket雙向通信協(xié)議，采用軟硬件相結(jié)合的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)功能主要展示在服務(wù)器終端。硬件環(huán)境：此系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)備配置CPU i5、內(nèi)存4 GB、硬盤(pán)500 GB、百兆網(wǎng)口1個(gè)、COM串口1個(gè)、USB串口1個(gè)、GTX1060以上的顯卡和64位的Win10操作系統(tǒng)。系統(tǒng)可視化界面平臺(tái)選取虛幻引擎4.20進(jìn)行搭建，以Visual Studio 2017 作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，同時(shí)利用藍(lán)圖腳本和C++語(yǔ)言進(jìn)行程序編譯，孿生模型與數(shù)字孿生系統(tǒng)其他子功能模塊的數(shù)據(jù)通信通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述焊接成套裝備車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理現(xiàn)狀，借助軟件和硬件設(shè)計(jì)了數(shù)字孿生系統(tǒng)，并在裝備車(chē)間中驅(qū)動(dòng)輪裝配作業(yè)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)針對(duì)內(nèi)焊機(jī)制造中心展開(kāi)測(cè)試，通過(guò)物理車(chē)間和孿生車(chē)間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了二者的數(shù)據(jù)交互和實(shí)時(shí)映射，如圖9所示。

圖9 高保真虛擬模型搭建

通過(guò)實(shí)地測(cè)量車(chē)間環(huán)境數(shù)據(jù)，利用CATIA V5R20軟件搭建了數(shù)字孿生系統(tǒng)的全要素車(chē)間孿生模型；基于Unreal Engine4搭建高保真裝配區(qū)域的三維虛擬場(chǎng)景，并建立模型之間的聯(lián)系和約束，將各類傳感器檢測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)和人員狀態(tài)上傳至孿生車(chē)間，在車(chē)間看板中及時(shí)顯示實(shí)時(shí)環(huán)境指標(biāo)，幫助管理者進(jìn)行決策；并通過(guò)Leap Motion、Kinect和攝像頭等硬件設(shè)備并行采集人員狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。在此基礎(chǔ)上數(shù)字孿生系統(tǒng)服務(wù)實(shí)現(xiàn)的4個(gè)主要功能，模塊化作業(yè)環(huán)境展示與警告、產(chǎn)線跟蹤與優(yōu)化、視頻作業(yè)指導(dǎo)書(shū)生成與管理和裝配作業(yè)流程預(yù)警4個(gè)模塊，為車(chē)間安全且穩(wěn)定的運(yùn)行提供了有力保障。

首先，在系統(tǒng)展示模塊將裝備車(chē)間整機(jī)測(cè)試區(qū)全區(qū)域環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行量化顯示，并在超過(guò)安全臨界值時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警提示，如圖10所示，提醒管理人員進(jìn)行處理。在系統(tǒng)展示時(shí)通過(guò)各種顏色的色塊表示不同的數(shù)據(jù)參數(shù)更易觀察，則會(huì)縮短問(wèn)題處理的響應(yīng)時(shí)間。

圖10 環(huán)境指標(biāo)展示與異常警告

其次，在數(shù)據(jù)服務(wù)模塊，計(jì)算物理層和虛擬層所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對(duì)比各個(gè)工序預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)與實(shí)際工時(shí)，分析延誤頻率，找出延誤原因，并對(duì)延誤頻率較高和延誤時(shí)間較長(zhǎng)的作業(yè)工序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的調(diào)整。通過(guò)多次查找原因和調(diào)整后，對(duì)工序細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，使實(shí)際工時(shí)方差越來(lái)越小。調(diào)整前后的工時(shí)控制對(duì)比如圖11所示，工時(shí)波動(dòng)受控且穩(wěn)定，裝配作業(yè)流程受不同人員的影響也越來(lái)越小，且與先前階段利用正態(tài)分布的判斷更符合制造業(yè)的質(zhì)量控制規(guī)律。

圖11 裝配工序時(shí)間控制

再次，在系統(tǒng)展示模塊當(dāng)中可以將調(diào)整后的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程以電子作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的形式展示如圖12所示，并在當(dāng)前工位的電子看板中顯示供員工學(xué)習(xí)和調(diào)取。相較于傳統(tǒng)的紙質(zhì)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，省去員工查找翻閱的時(shí)間，且能輔助員工學(xué)習(xí)作業(yè)技能，順利完成產(chǎn)品裝配作業(yè)流程。

最后，系統(tǒng)展示模塊中還將輔助作業(yè)人員進(jìn)行裝配作業(yè)。例如在內(nèi)焊機(jī)裝配車(chē)間的驅(qū)動(dòng)輪裝配作業(yè)中，由于工作人員操作不熟練且產(chǎn)品零件相似度高，極易造成錯(cuò)誤拿取而進(jìn)行返工返修，延長(zhǎng)了實(shí)際工時(shí)。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中提前置入產(chǎn)品裝配流程以及各產(chǎn)品的數(shù)字模型，利用視頻識(shí)別技術(shù)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行識(shí)別，在電子看板中提前框選出下一步需要安裝的零件，如圖13所示，減少因零件的高度相似性所造成的錯(cuò)誤拿取。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生作為連接虛擬世界與真實(shí)世界、實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)手段，為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展注入了新的活力。為推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在石油管道制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，文中根據(jù)油氣管道焊接成套裝備作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管理問(wèn)題，搭建了數(shù)字孿生系統(tǒng)，解決了現(xiàn)場(chǎng)車(chē)間環(huán)境指標(biāo)不明晰、問(wèn)題難以發(fā)現(xiàn)、員工技能難以提升等問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)的管控方法，減少了因人員所產(chǎn)生的裝配質(zhì)量不穩(wěn)定性，逐步實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)方式，探索了面向管道制造業(yè)的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)實(shí)際應(yīng)用。最后，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪裝配的細(xì)節(jié)管控，驗(yàn)證了其運(yùn)行過(guò)程的可靠性，證明此方法可以為提升手工裝配作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管理水平提供參考。