朱安慶,王金龍,姚飚

(1．江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2．江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船體分段建造以鋼材切割件、舾裝件為原材料,經(jīng)過小組立、中組立、大組立及涂裝等工序后移至總組區(qū)域[1],通過多個部門的協(xié)作,完成分段生產(chǎn)過程中的信息管理及分段在場地中的布置規(guī)劃等任務(wù)[2]。由于各作業(yè)場地、開工時間等因素限制,很難保證分段在各車間連續(xù)加工,分段建造進(jìn)度顆粒度大使得分段生產(chǎn)狀態(tài)不清晰。近幾年,船廠采用信息化管理技術(shù),加速生產(chǎn)信息采集、傳遞過程,但受管理水平制約,碎片化的數(shù)據(jù)管控不成體系,且部分企業(yè)使用二維模型或看板展示,各工序存在監(jiān)控滯后、直觀性差等問題[3]。為此,引入數(shù)字孿生技術(shù),利用分段建造產(chǎn)線模型、數(shù)據(jù)、圖形等動態(tài)展現(xiàn)分段建造產(chǎn)線的實際狀況,實時監(jiān)控分段生產(chǎn)狀態(tài)信息,對分段建造區(qū)域網(wǎng)格化,實現(xiàn)分段產(chǎn)品定置化管理。

1 數(shù)字孿生分段建造產(chǎn)線總體架構(gòu)

數(shù)字孿生分段建造產(chǎn)線架構(gòu)見圖1。

圖1 數(shù)字孿生分段建造產(chǎn)線架構(gòu)

物理層是創(chuàng)建分段產(chǎn)線孿生模型的基礎(chǔ),是分段產(chǎn)品、車間、基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境的集合,能夠?qū)崿F(xiàn)場景的三維展示、產(chǎn)品資源動態(tài)加載、數(shù)據(jù)看板等功能;數(shù)據(jù)連接層是實現(xiàn)物理層、虛擬層和數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián),包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)(模型固有參數(shù)和系統(tǒng)日志)、運維數(shù)據(jù)(產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)信息和產(chǎn)品動態(tài)流向信息)、管理數(shù)據(jù)(模型加載和關(guān)聯(lián)邏輯信息)、衍生數(shù)據(jù)(統(tǒng)計報表、數(shù)據(jù)分析和挖掘結(jié)果),具備數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)集成等方面功能;虛擬層是與物理實體目標(biāo)對應(yīng)的數(shù)字孿生體,反映物理產(chǎn)線的幾何、行為和規(guī)則,并提供模型管理、仿真服務(wù)和孿生共智3類功能。

2 分段建造產(chǎn)線孿生模型構(gòu)建

物理空間的分段、車間、人員及環(huán)境共同構(gòu)成船舶分段建造產(chǎn)線資源,借助數(shù)據(jù)驅(qū)動將模型實現(xiàn)對產(chǎn)線建造資源的結(jié)構(gòu)化描述,明確模型、數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系[4]。

2.1 描述模型創(chuàng)建

描述模型由三元數(shù)組給出[5]。

VGR∷=

(1)

將分段建造產(chǎn)線孿生模型映射分段建造資源的過程描述為

(2)

(3)

(4)

2.2 孿生模型創(chuàng)建

通過與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新的IT技術(shù)集成與融合,孿生數(shù)據(jù)集成融合了信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù),滿足信息空間與物理空間一致性與同步性的需求。船舶建造產(chǎn)線孿生模型框架由物理空間、虛擬空間、知識空間、交互空間四部分構(gòu)成,見圖2。

圖2 分段建造產(chǎn)線孿生模型框架

1)物理空間。是分段建造產(chǎn)線孿生模型的基礎(chǔ),通過RFID、PDA和人機(jī)交互等手段,采集分段建造產(chǎn)線建造數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù),并利用無線網(wǎng)或現(xiàn)場總線等技術(shù)實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的實時準(zhǔn)確傳輸。

2)知識空間。經(jīng)過時間積累將工人經(jīng)驗和知識轉(zhuǎn)化為知識庫,并對分段產(chǎn)品建造狀態(tài)、過程、結(jié)果等深度理解和挖掘,為虛擬空間、物理空間和交互空間協(xié)同決策和優(yōu)化提供支持。

3)虛擬空間。包含幾何模型、行為模型和規(guī)則模型,從多時間尺度、多空間尺度進(jìn)行描述與刻畫。幾何模型為描述分段建造產(chǎn)線資源幾何參數(shù)(分段形狀、分段尺寸、分段位置)的三維模型;行為模型描述了運行機(jī)制下產(chǎn)生的實時響應(yīng)(分段動態(tài)加載、分段位置檢索顯示);規(guī)則模型包括基于歷史關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的規(guī)律。

4)交互空間。與外部客戶交互的橋梁,對分段建造產(chǎn)線孿生資源應(yīng)用過程中所需要的各類數(shù)據(jù)、模型、結(jié)果進(jìn)行服務(wù)化封裝,以應(yīng)用軟件或移動端APP滿足一線工人、項目主管、企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)等不同用戶的業(yè)務(wù)需求。

3 分段建造產(chǎn)線孿生數(shù)據(jù)管理

3.1 孿生數(shù)據(jù)管理模型

基于造船解決方案下分段生產(chǎn)管理子系統(tǒng)和工業(yè)平板等多種方式采集分段建造現(xiàn)場數(shù)據(jù),并通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)反饋傳輸網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)和上層生產(chǎn)計劃的集成?，F(xiàn)場采集的分段實時數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生冗余、錯誤、重復(fù)等錯誤,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理釋放空間和提高數(shù)據(jù)庫查詢速度。

分段建造產(chǎn)線數(shù)據(jù)具有體量大、關(guān)聯(lián)復(fù)雜、時效要求高等特點,對數(shù)據(jù)存儲技術(shù)要求很高。如圖3所示,該模型面向分段建造產(chǎn)線孿生模型數(shù)據(jù)聯(lián)動,將經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫內(nèi),通過周期性的采集更新數(shù)據(jù)庫表單數(shù)據(jù),同時能夠與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合,數(shù)據(jù)請求及處理速度較快。

圖3 分段數(shù)據(jù)管理模型

數(shù)據(jù)主要分為生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)三大類型,生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要包括幾何維度的三維模型參數(shù),用于場景展示和界面數(shù)據(jù)查詢;管理數(shù)據(jù)包含場地網(wǎng)格化信息、場景分段加載模型庫信息和分段與模型關(guān)聯(lián)邏輯信息,用于分段堆放場地規(guī)劃及模型動態(tài)加載;運維數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)模型的核心,基于數(shù)據(jù)交互技術(shù)獲取分段建造基本信息、分段建造狀態(tài)信息及分段產(chǎn)品追溯信息等實時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。

3.2 孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動的分段建造生產(chǎn)管理體系

數(shù)據(jù)驅(qū)動方法即將不確定的、動態(tài)的數(shù)據(jù)融合與關(guān)聯(lián)分析的方法。數(shù)據(jù)驅(qū)動的分段建造產(chǎn)線體系架構(gòu)見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)驅(qū)動的分段建造產(chǎn)線體系架構(gòu)

分段建造產(chǎn)線體系架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層、技術(shù)分析層、應(yīng)用展示層4個方面。

1)數(shù)據(jù)采集層是將生產(chǎn)內(nèi)部信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)信息、生產(chǎn)外部信息采集整合,承載大量的信息數(shù)據(jù)來源,因此,數(shù)據(jù)的保護(hù)成為重點。

2)數(shù)據(jù)管理層從大量的、雜亂無章、難以理解的數(shù)據(jù)源中抽取并推導(dǎo)出某些有意義、有價值的數(shù)據(jù)信息,為后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲和再利用提供支撐。首先從將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,清洗出需要的數(shù)據(jù);其次,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適用于數(shù)據(jù)挖掘的形式;最后,進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[6]。

3)技術(shù)分析層是為了提取有用的信息和形成結(jié)論而對數(shù)據(jù)加以詳細(xì)研究和概括總結(jié)的過程。利用歷史數(shù)據(jù)和實時運行數(shù)據(jù),對物理模型進(jìn)行更新、修正、連接和補充,從而建立高精度、高可靠性的模型來真正解決實際問題。

4)應(yīng)用展示層是對用戶服務(wù)的過程。分段建造產(chǎn)線模型通過三維視角輔助一線工人高效完成生產(chǎn)。生產(chǎn)主管通過動態(tài)資源加載來模擬驗證項目工程可行性,為分段生產(chǎn)決策提供支撐。將數(shù)據(jù)展現(xiàn)為可視化看板,管理者實時查看生產(chǎn)進(jìn)度。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 技術(shù)路線

分段建造產(chǎn)線通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)手段,依據(jù)船廠調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,在3ds Max中輕量化建模和材質(zhì)貼圖,利用CAD平面圖作為底圖,按照其坐標(biāo)位置等比例構(gòu)建分段產(chǎn)線模型。將模型文件以FBX(3D模型文件格式)格式導(dǎo)入Unity 3D中,利用引擎自帶以畫布為核心的圖形用戶界面,通過可視化編輯完成分段信息數(shù)據(jù)展示,實現(xiàn)分段生產(chǎn)任務(wù)管控[7]。具體方案設(shè)計見圖5。

圖5 分段建造可視化系統(tǒng)技術(shù)路線

實現(xiàn)場景內(nèi)動態(tài)加載分段模型,因此需要結(jié)合Unity 3D中Prefabs(預(yù)制體)設(shè)計相關(guān)功能。當(dāng)用戶拖拽分段模型到指定的網(wǎng)格區(qū)域時,需要動態(tài)加載分段模型,具體實現(xiàn)有以下3個步驟。

1)分段資源加載。將導(dǎo)入OBJ(3D模型文件格式)格式的分段模型作為預(yù)制體放在資源目錄文件夾,通過GameObject.Load函數(shù)加載文件夾下模型資源,此時該預(yù)制體并未真正載入場景中。

2)預(yù)制體實例化。實例化使用GameObject.Instance函數(shù),從預(yù)制體資源中克隆出一個對象,它具有與預(yù)制體完全相同的屬性。同時獲取指定網(wǎng)格點位置的position,將其作為參數(shù)傳遞進(jìn)去便可將分段模型實例化到指定位置。

3)分段模型資源屬性重寫。分段工程號、總段號、類型、重量等信息不同,因此在實例化過程需要對實例化的模型對象進(jìn)行重寫。因為重寫的優(yōu)先級高于預(yù)制體,通過GameObject.getComponent方法修改實例對象的屬性、組件、子對象等。

4.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)分段建造生產(chǎn)管理需求,構(gòu)建分段建造可視化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu),具體功能結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 分段可視化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

包含三維場景展示、分段產(chǎn)品定置、分段3D看板、基礎(chǔ)配置等四個模塊,對分段建造產(chǎn)線模型展示及場景操作、場地編輯和分段產(chǎn)品動態(tài)加載以及分段看板數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計等功能進(jìn)行設(shè)計。

將采集的分段數(shù)據(jù)完成與模型參數(shù)關(guān)聯(lián),關(guān)聯(lián)信息見圖7。

圖7 分段信息與模型關(guān)聯(lián)

依據(jù)模型庫查看本地模型資源,由對應(yīng)參數(shù)生成對應(yīng)大小的模型,在場景中實現(xiàn)動態(tài)加載OBJ格式模型資源。

使用Unity 3D軟件創(chuàng)建網(wǎng)格序號和自定義網(wǎng)格數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況反饋,在屬性面板選擇生成網(wǎng)格行、列、寬度、高寬等操作,在分段定置管理面板可將分段模型拖拽至網(wǎng)格實例化。

對查找的分段進(jìn)行模糊索引,逐級進(jìn)行項目工程號、分段編號的屬性查詢,或點擊場景中分段模型,查找對象會高亮閃爍提醒分段擺放的位置;按照分段堆放時間及時、準(zhǔn)確附加在模型對象上,通過不同顏色的方式為決策支持快速提供依據(jù)(需提前設(shè)定各堆放周期范圍所對應(yīng)的分段顏色);點擊分段,或者直接在虛擬場景中點擊對應(yīng)的分段,展示包含裝配類型、裝配名稱、分段類型、尺寸、重量等分段基本信息,在“分段綜合信息”模塊查看分段建造生產(chǎn)信息;在“分段移動歷史”模塊查看分段的移動歷史記錄。

5 結(jié)論

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建分段建造產(chǎn)線孿生模型,將船廠資源以三維立體形式展示,可直觀、高效地輔助工人現(xiàn)場作業(yè)。通過縱向和橫向數(shù)據(jù)集成,實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動分段建造產(chǎn)線全流程。分段建造可視化系統(tǒng)提供可視化管理、進(jìn)度管控、定置化管理等滿足分段建造管理的核心應(yīng)用服務(wù),提升分段建造過程的生產(chǎn)管理水平。分段建造過程還涉及到分段建造計劃、運輸調(diào)度等問題,在后續(xù)研究中,將進(jìn)一步完善分段建造數(shù)據(jù)多樣性。