王真

中船第九设计研究院工程有限公司 上海 200090

引言

目前船厂车间作业面临产品交付期更短、可靠性要求更高、产品品种变化频繁等压力，车间管理层需要及时掌握车间现场作业情况，及时发现生产中的异常，从而更合理的调整生产计划和资源配置，提高生产效率和可靠性，而由于车间信息交互不够及时全面，可视化程度低所导致的管理人员对车间执行信息的监控力度不够，严重制约了车间智能化发展，船厂传统的运维管理系统无法很好地表达资产与资产、设备与设备之间的物理空间逻辑关系，制造过程数据以二维为主，可视化程度不高，主要的分析决策仍依赖于人工经验，缺少数据决策机制，导致生产管理效率低下等痛点问题。

数字孪生是数字化解决方案中一种新的概念，是用数字技术镜像物理车间，基于数据驱动直观有效地完成对车间对象的监控、分析，实现对当前的生产管控、对未来的趋势预判、对过去的直观追溯的目标，在成本、资源、周期等多维度提升船厂管理效率[1]。本文以国内某船厂生产车间数字化实施项目为实例依托，以数字化方式构建车间数字孪生运维分析系统，该系统与生产管理数据结合，利用历史数据、实时数据、算法模型数据等，模拟、验证、预测车间管理，从而为船厂车间生产提供更加严谨以及全面的理论依据，为生产管理者提供调整和优化建议，提高生产管理效率。

1 船厂车间数字孪生运维分析系统

1.1 系统介绍

船厂车间数字孪生运维分析系统弥补了传统车间运维管理系统在空间分析、面向对象管理、信息查询、数据决策支撑等方面的不足，系统以车间物联网为基础，利用大数据分析与数据挖掘技术，通过建立小组立机器人状态监控、焊机质量管控、生产计划管理三个应用场景的数据模型、工业机理模型、三维信息模型，在船厂虚拟车间环境中，实现基于统一模型数据源的车间生产设备状态监控与预警、焊机质量评估与优化、生产计划调度管理等功能，提高船厂车间可视化管控水平和生产效率。

1.2 船厂车间数字孪生运维分析系统架构

船厂车间数字孪生运维分析系统架构如图1所示，系统分为四大层级，包括接入层、IaaS云基础设施、平台层、应用层[2]，接入层是整个系统感知与执行的基础，主要通过深层次采集数据并实现不同协议数据基层汇聚，作为系统的驱动源头，用于实现车间数据、外部应用系统数据的采集与计算；云基础设施通过虚拟化技术将计算、存储、网络等资源池化，向用户提供可计量、弹性化的资源服务；平台层主要负责系统数据的存储与访问、抽取与转换、计算与分析，其中存储与管理包括设备信息数据库、产品信息数据库、计划信息数据库、物流信息数据库等，数据分析与优化包括生产设备状态监控与预警、生产计划调度管理、焊机质量评估与优化。应用层是船厂车间数字孪生运维分析系统的最终输出环节，面向智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等车间智能制造典型场景。

图1 系统架构

2 船厂车间数字孪生运维分析系统开发

2.1 数字孪生数据采集与接入

数据的采集与接入是车间数字孪生系统的重要基础，以物联网平台架构为参考与船厂车间生产管理相结合，实现从车间实体到分析到业务的各类元素的全面互联[3]，部署边缘层：通过全要素的数据感知、工业自控逻辑的接入、异构数据的协议转换和边缘处理、载体平台与已有系统（计划管理系统、车间物流管控系统、物资配料系统）的互联互通，形成船厂车间数字孪生运维分析系统的数据基础。

2.2 数字孪生数据存储与管理

结合船厂信息化安全要求，在车间IaaS层构建过程中，采用本地部署私有云服务的方式进行数据存储与管理，面对车间实体端传输或外部管理系统接入的海量多源异构数据的存储与管理，高效的大数据处理与分析以及数据标准的建立不可或缺，数据的处理与分析包括数据清洗、数据降噪、数据转化；数据标准的建立主要是结合业务需求，建立编码体系，具体按照顶级流程（业务场景、业务描述）、宏流程（场景编号、业务场景、业务描述）、作业流程（作业编号、操作场景、场景描述）、底层数据模型（IT层数据要求）进行核心数据源的标准体系研究与构建工作。

2.3 车间数字孪生建模与分析

基于车间数字孪生的数据基础，在车间PaaS层构建大数据分析和知识服务创新应用，为车间数字孪生建模与分析提供有力支撑，具体包含三个方面内容：

2.3.1 建立主题数据库。根据船厂车间数字化改造业务场景需求，针对单台切割机状态监控、多台切割机联网监

控、单台焊机状态监控、多台焊机联网监控、小组立机器人状态监控、车间生产物流管理、车间生产计划调度与优化等业务场景，在数据库平台中进行主题数据建模与开发工作，实现车间数字孪生数据的高效萃取与应用。

2.3.2 建立机理模型。综合利用机器学习、相关性分析、聚类分析等技术形成先进的数据分析手段，将焊机状态监测数据、车间生产计划管理数据转化为机理模型和数学算法模型、解决机器人状态监控、焊机质量管控、生产计划调度与优化等面向车间物联网特定场景的实际痛点问题[4]。

2.3.3 建立三维信息模型。三维信息模型是车间数字孪生运维系统的虚拟映射和数字化载体，模型的构建需要从几何、行为、物理、规则等多个维度对物理车间进行映射，完善的虚拟车间模型可以反过来影响控制真实物理车间[5]，为了实现虚拟车间对实际物理车间的准确映射，不仅需要建立几何模型，还需要对车间三维模型资源进行统一管理。本文从生产线信息建模、产品信息建模、过程信息建模几方面动态映射物理车间，涉及人员、设备、物料、中间产品等多种因素。

图2 主题数据库建模

图3 车间三维信息模型构建

2.4 车间数字孪生运维分析系统应用

数字孪生车间是物理车间、虚拟车间、信息系统和孪生数据的集成融合，物理车间和虚拟车间通过信息系统及孪生数据，可以进行实时交互和双向映射。在车间物联网SaaS层中，主要是面向车间智能化生产、服务化延伸等需求场景，为用户提供定制化开发的车间数字孪生运维分析系统应用和相关解决方案，本系统主要包含以下功能：

2.4.1 车间信息模型管理。能够对车间信息模型进行管理，向仿真分析系统和制造执行系统提供车间信息模型数据，能够依据采集的生产过程数据持续的对车间信息模型进行完善。

2.4.2 设备监控管理。通过对车间联网的切割机、焊机、小组立机器人进行三维可视化实时监控，提供设备维护管理、设备OEE统计分析等功能。

2.4.3 生产计划可视化。对车间的生产计划信息进行展示，包括生产计划完成情况，物量完成情况，实现生产计划任务数据可视化管理。

2.4.4 流监控管理。对车间的物流状态进行展示管理，包括车辆资源管理、物流管理及场地资源管理，实现车间物流状态数据可视化管理。

2.4.5 管理驾驶舱。管理驾驶舱是船厂车间数字孪生运维分析系统的数据可视化终端，可以为企业内部领导及相关管理人员提供关键数据的指标分析。通过管理驾驶舱，可以打破数据隔离，将采集的数据形象化、直观化、具体化，实现指标分析及决策场景落地，实时的反映工厂车间的数据运行状态，为车间管理人员提供数据决策支持。

3 系统实施与成果展示

结合国内某船厂生产车间数字化改造实施项目，结合车间物联网和大数据分析技术，以三维数字化方式，构建船厂车间数字孪生运维分析系统，实现对车间主要生产设备、生产计划、生产物流的可视化运维分析管理。目前该系统已经在船厂成功上线运行，系统运行稳定，通过该系统实施，达到以下应用效果：①实现车间联网设备的三维可视化监控管理，设备巡检时间缩短50%；②实现生产计划和生产物流实现数据可视化管理。现场需求响应速度由1.5h缩短至0.5h，提高60%，保证了生产计划的按时完成，促进了生产精细化管理。

图4 数据驾驶舱图

图5 车间计划可视化

4 结束语

本文以国内某船厂生产加工车间数字化实施项目为实例依托，针对传统车间运维监控系统的不足，提出基于“生产数据+工业机理+模型算法”的船厂车间运维管理创新模式，在此基础上，结合生产设备状态监控与预警、焊机质量评估与优化、生产计划调度管理等车间典型应用场景需求，构建船厂车间数字孪生运维分析系统，实现基于真实数据驱动的船厂虚拟车间与实体车间的相互映射，实时掌握车间生产动态信息，为船厂车间生产管理提供更加严谨全面的优化建议依据，提高可视化管控水平和生产管理效率。