基于数字孪生的分段建造可视化系统设计

朱安庆,王金龙,姚飚

(1．江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212003;2．江苏现代造船技术有限公司,江苏 镇江 212003)

船体分段建造以钢材切割件、舾装件为原材料,经过小组立、中组立、大组立及涂装等工序后移至总组区域[1],通过多个部门的协作,完成分段生产过程中的信息管理及分段在场地中的布置规划等任务[2]。由于各作业场地、开工时间等因素限制,很难保证分段在各车间连续加工,分段建造进度颗粒度大使得分段生产状态不清晰。近几年,船厂采用信息化管理技术,加速生产信息采集、传递过程,但受管理水平制约,碎片化的数据管控不成体系,且部分企业使用二维模型或看板展示,各工序存在监控滞后、直观性差等问题[3]。为此,引入数字孪生技术,利用分段建造产线模型、数据、图形等动态展现分段建造产线的实际状况,实时监控分段生产状态信息,对分段建造区域网格化,实现分段产品定置化管理。

1 数字孪生分段建造产线总体架构

数字孪生分段建造产线架构见图1。

图1 数字孪生分段建造产线架构

物理层是创建分段产线孪生模型的基础,是分段产品、车间、基础设施、环境的集合,能够实现场景的三维展示、产品资源动态加载、数据看板等功能;数据连接层是实现物理层、虚拟层和数据之间的关联,包括生产数据(模型固有参数和系统日志)、运维数据(产品生产状态信息和产品动态流向信息)、管理数据(模型加载和关联逻辑信息)、衍生数据(统计报表、数据分析和挖掘结果),具备数据处理、数据分析和数据集成等方面功能;虚拟层是与物理实体目标对应的数字孪生体,反映物理产线的几何、行为和规则,并提供模型管理、仿真服务和孪生共智3类功能。

2 分段建造产线孪生模型构建

物理空间的分段、车间、人员及环境共同构成船舶分段建造产线资源,借助数据驱动将模型实现对产线建造资源的结构化描述,明确模型、数据之间的关联关系[4]。

2.1 描述模型创建

描述模型由三元数组给出[5]。

VGR∷=

(1)

将分段建造产线孪生模型映射分段建造资源的过程描述为

(2)

(3)

(4)

2.2 孪生模型创建

通过与物联网、大数据、人工智能等新的IT技术集成与融合,孪生数据集成融合了信息数据与物理数据,满足信息空间与物理空间一致性与同步性的需求。船舶建造产线孪生模型框架由物理空间、虚拟空间、知识空间、交互空间四部分构成,见图2。

图2 分段建造产线孪生模型框架

1)物理空间。是分段建造产线孪生模型的基础,通过RFID、PDA和人机交互等手段,采集分段建造产线建造数据、加工数据、装配数据,并利用无线网或现场总线等技术实现原始数据的实时准确传输。

2)知识空间。经过时间积累将工人经验和知识转化为知识库,并对分段产品建造状态、过程、结果等深度理解和挖掘,为虚拟空间、物理空间和交互空间协同决策和优化提供支持。

3)虚拟空间。包含几何模型、行为模型和规则模型,从多时间尺度、多空间尺度进行描述与刻画。几何模型为描述分段建造产线资源几何参数(分段形状、分段尺寸、分段位置)的三维模型;行为模型描述了运行机制下产生的实时响应(分段动态加载、分段位置检索显示);规则模型包括基于历史关联数据的规律。

4)交互空间。与外部客户交互的桥梁,对分段建造产线孪生资源应用过程中所需要的各类数据、模型、结果进行服务化封装,以应用软件或移动端APP满足一线工人、项目主管、企业领导等不同用户的业务需求。

3 分段建造产线孪生数据管理

3.1 孪生数据管理模型

基于造船解决方案下分段生产管理子系统和工业平板等多种方式采集分段建造现场数据,并通过现场总线将数据反馈传输网络,实现底层数据和上层生产计划的集成。现场采集的分段实时数据容易产生冗余、错误、重复等错误,需要对数据进行预处理释放空间和提高数据库查询速度。

分段建造产线数据具有体量大、关联复杂、时效要求高等特点,对数据存储技术要求很高。如图3所示,该模型面向分段建造产线孪生模型数据联动,将经过处理后的数据储存在数据库内,通过周期性的采集更新数据库表单数据,同时能够与互联网技术结合,数据请求及处理速度较快。

图3 分段数据管理模型

数据主要分为生产数据、管理数据、运维数据三大类型,生产数据主要包括几何维度的三维模型参数,用于场景展示和界面数据查询;管理数据包含场地网格化信息、场景分段加载模型库信息和分段与模型关联逻辑信息,用于分段堆放场地规划及模型动态加载;运维数据是数据模型的核心,基于数据交互技术获取分段建造基本信息、分段建造状态信息及分段产品追溯信息等实时数据存储到数据库。

3.2 孪生数据驱动的分段建造生产管理体系

数据驱动方法即将不确定的、动态的数据融合与关联分析的方法。数据驱动的分段建造产线体系架构见图4。

图4 数据驱动的分段建造产线体系架构

分段建造产线体系架构包括数据采集层、数据管理层、技术分析层、应用展示层4个方面。

1)数据采集层是将生产内部信息系统、物联网信息、生产外部信息采集整合,承载大量的信息数据来源,因此,数据的保护成为重点。

2)数据管理层从大量的、杂乱无章、难以理解的数据源中抽取并推导出某些有意义、有价值的数据信息,为后续的数据存储和再利用提供支撑。首先从将原始数据进行预处理,清洗出需要的数据;其次,将数据转换成适用于数据挖掘的形式;最后,进行数据融合[6]。

3)技术分析层是为了提取有用的信息和形成结论而对数据加以详细研究和概括总结的过程。利用历史数据和实时运行数据,对物理模型进行更新、修正、连接和补充,从而建立高精度、高可靠性的模型来真正解决实际问题。

4)应用展示层是对用户服务的过程。分段建造产线模型通过三维视角辅助一线工人高效完成生产。生产主管通过动态资源加载来模拟验证项目工程可行性,为分段生产决策提供支撑。将数据展现为可视化看板,管理者实时查看生产进度。

4 系统功能设计

4.1 技术路线

分段建造产线通过虚拟现实技术手段,依据船厂调研数据进行分析,在3ds Max中轻量化建模和材质贴图,利用CAD平面图作为底图,按照其坐标位置等比例构建分段产线模型。将模型文件以FBX(3D模型文件格式)格式导入Unity 3D中,利用引擎自带以画布为核心的图形用户界面,通过可视化编辑完成分段信息数据展示,实现分段生产任务管控[7]。具体方案设计见图5。

图5 分段建造可视化系统技术路线

实现场景内动态加载分段模型,因此需要结合Unity 3D中Prefabs(预制体)设计相关功能。当用户拖拽分段模型到指定的网格区域时,需要动态加载分段模型,具体实现有以下3个步骤。

1)分段资源加载。将导入OBJ(3D模型文件格式)格式的分段模型作为预制体放在资源目录文件夹,通过GameObject.Load函数加载文件夹下模型资源,此时该预制体并未真正载入场景中。

2)预制体实例化。实例化使用GameObject.Instance函数,从预制体资源中克隆出一个对象,它具有与预制体完全相同的属性。同时获取指定网格点位置的position,将其作为参数传递进去便可将分段模型实例化到指定位置。

3)分段模型资源属性重写。分段工程号、总段号、类型、重量等信息不同,因此在实例化过程需要对实例化的模型对象进行重写。因为重写的优先级高于预制体,通过GameObject.getComponent方法修改实例对象的属性、组件、子对象等。

4.2 功能结构设计

根据分段建造生产管理需求,构建分段建造可视化系统功能结构,具体功能结构见图6。

图6 分段可视化系统功能结构图

包含三维场景展示、分段产品定置、分段3D看板、基础配置等四个模块,对分段建造产线模型展示及场景操作、场地编辑和分段产品动态加载以及分段看板数据报表统计等功能进行设计。

将采集的分段数据完成与模型参数关联,关联信息见图7。

图7 分段信息与模型关联

依据模型库查看本地模型资源,由对应参数生成对应大小的模型,在场景中实现动态加载OBJ格式模型资源。

使用Unity 3D软件创建网格序号和自定义网格数。根据现场生产情况反馈,在属性面板选择生成网格行、列、宽度、高宽等操作,在分段定置管理面板可将分段模型拖拽至网格实例化。

对查找的分段进行模糊索引,逐级进行项目工程号、分段编号的属性查询,或点击场景中分段模型,查找对象会高亮闪烁提醒分段摆放的位置;按照分段堆放时间及时、准确附加在模型对象上,通过不同颜色的方式为决策支持快速提供依据(需提前设定各堆放周期范围所对应的分段颜色);点击分段,或者直接在虚拟场景中点击对应的分段,展示包含装配类型、装配名称、分段类型、尺寸、重量等分段基本信息,在“分段综合信息”模块查看分段建造生产信息;在“分段移动历史”模块查看分段的移动历史记录。

5 结论

基于虚拟现实技术构建分段建造产线孪生模型,将船厂资源以三维立体形式展示,可直观、高效地辅助工人现场作业。通过纵向和横向数据集成,实现数据驱动分段建造产线全流程。分段建造可视化系统提供可视化管理、进度管控、定置化管理等满足分段建造管理的核心应用服务,提升分段建造过程的生产管理水平。分段建造过程还涉及到分段建造计划、运输调度等问题,在后续研究中,将进一步完善分段建造数据多样性。