基于數(shù)字孿生試驗(yàn)室的智慧運(yùn)維平臺(tái)應(yīng)用

中汽研汽車工業(yè)工程(天津)有限公司信息工程部 魏磊 張賀 馬健 王庭旭 李虎

文章介紹了傳統(tǒng)汽車研發(fā)中心試驗(yàn)室特點(diǎn),引入數(shù)字化試驗(yàn)室建設(shè)概念,提供汽車研發(fā)中心數(shù)字化試驗(yàn)室建設(shè)方案,提出將設(shè)備跨平臺(tái)互聯(lián)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與試驗(yàn)業(yè)務(wù)流程有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)汽車研發(fā)中心試驗(yàn)業(yè)務(wù)流程數(shù)字化管理,減少無(wú)效動(dòng)作、降低試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高試驗(yàn)效率。

0 引言

汽車研發(fā)中心試驗(yàn)室承擔(dān)汽車整車、總成及零部件的試驗(yàn)工作[1]。當(dāng)前,隨著汽車研發(fā)試驗(yàn)業(yè)務(wù)增多,試驗(yàn)室規(guī)模不斷擴(kuò)大、試驗(yàn)設(shè)備種類和數(shù)量不斷增加,傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究方式很容易形成信息孤島,而汽車研發(fā)中心需要去除信息孤島造成的不良影響,統(tǒng)籌各個(gè)試驗(yàn)業(yè)務(wù)流程,整合各種試驗(yàn)信息,建設(shè)數(shù)字化試驗(yàn)室對(duì)促進(jìn)企業(yè)更好發(fā)展具有十分重要的意義。

1 傳統(tǒng)汽車研發(fā)中心試驗(yàn)室特點(diǎn)

汽車行業(yè)是一個(gè)試驗(yàn)密集型行業(yè),隨著汽車試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的更新、汽車生產(chǎn)廠家試驗(yàn)要求的提高,汽車試驗(yàn)過程變得越來(lái)越復(fù)雜,對(duì)汽車研發(fā)中心試驗(yàn)室的建設(shè)提出越來(lái)越高的要求[2]。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備特點(diǎn)

由于試驗(yàn)需求不同汽車試驗(yàn)設(shè)備品牌、型號(hào)各異,各種設(shè)備相對(duì)孤立,設(shè)備間有小規(guī)模集成,這種集成往往是主設(shè)備通過Canbus、Modbus、RS232等形式與周邊設(shè)備(傳感器、氣體分析儀、煙度計(jì)、油耗儀等)通信,在試驗(yàn)過程中周邊設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳給主設(shè)備,主設(shè)備實(shí)時(shí)或周期將主設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)與同一時(shí)刻周邊設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)寫入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),試驗(yàn)完成后再通過軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以曲線、表格的形式生成數(shù)據(jù)報(bào)告,最后由人工將數(shù)據(jù)填寫(或截圖插入)到正式試驗(yàn)報(bào)告中。

傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)備集成度低、主設(shè)備間基本沒有做到互聯(lián)互通,管理層在分配試驗(yàn)時(shí)很難通過實(shí)時(shí)目視化看板直觀知曉哪個(gè)試驗(yàn)間的試驗(yàn)設(shè)備滿足試驗(yàn)條件。

1.2 試驗(yàn)業(yè)務(wù)流程特點(diǎn)

試驗(yàn)業(yè)務(wù)流程分為前置流程、試驗(yàn)過程和試驗(yàn)后處理過程。涵蓋合同評(píng)審、委托申請(qǐng)、委托審批、任務(wù)分配、試驗(yàn)排程、試驗(yàn)前樣品領(lǐng)用、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)后報(bào)告編輯、報(bào)告審批、報(bào)告歸檔、樣品退樣、費(fèi)用結(jié)算等業(yè)務(wù)。

國(guó)內(nèi)很多汽車研發(fā)中心試驗(yàn)室已經(jīng)啟用試驗(yàn)室信息管理LIMS(Laboratory Information Management System)系統(tǒng),大大提高試驗(yàn)室信息流轉(zhuǎn)效率。但由于LIMS系統(tǒng)功能的限制,試驗(yàn)任務(wù)分配過程未能體現(xiàn)某試驗(yàn)室的工作飽和度,試驗(yàn)排程需要通過人工分配的方式實(shí)現(xiàn),存在分配不合理的可能。除此之外,試驗(yàn)過程中,LIMS系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握試驗(yàn)數(shù)據(jù),只能在試驗(yàn)結(jié)束后被動(dòng)接受主檢上傳的試驗(yàn)報(bào)告,過程中存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)受人為干擾的風(fēng)險(xiǎn),直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 汽車研發(fā)中心數(shù)字化試驗(yàn)室建設(shè)整體目標(biāo)

擬建立一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的試驗(yàn)室管理平臺(tái),整合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、試驗(yàn)業(yè)務(wù)流程,實(shí)現(xiàn)設(shè)備層試驗(yàn)室主設(shè)備跨平臺(tái)、跨品牌互聯(lián)互通;業(yè)務(wù)層在試驗(yàn)前置流程、試驗(yàn)過程及試驗(yàn)后續(xù)處理流加強(qiáng)程數(shù)字化管理,最大限度減少人為干預(yù)空間,確保試驗(yàn)的客觀、公正。對(duì)于機(jī)械性、重復(fù)性較高的工作交給管理平臺(tái)按照一定規(guī)則自動(dòng)處理,降低員工工作強(qiáng)度,提高汽車研發(fā)中心試驗(yàn)室數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)效率。最終實(shí)現(xiàn)“同一平臺(tái)、信息共享、多級(jí)監(jiān)視、分散管控”的目標(biāo)。

3 汽車研發(fā)中心數(shù)字化試驗(yàn)室建設(shè)方案

3.1 試驗(yàn)室主設(shè)備互聯(lián)互通

當(dāng)前試驗(yàn)室主設(shè)備與周邊設(shè)備集成,形成一個(gè)小規(guī)模的設(shè)備系統(tǒng),而這些主設(shè)備之間并沒有實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通又不影響主設(shè)備按照正常模式進(jìn)行試驗(yàn),建設(shè)方案擬提出下圖1所示系統(tǒng)架構(gòu):

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

主設(shè)備通過Can總線或其他通信方式實(shí)現(xiàn)按照特定協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給中間機(jī)M_Box,中間機(jī)按照與主設(shè)備約定的協(xié)議解析數(shù)據(jù)包,并將提取的數(shù)據(jù)、文件等上傳應(yīng)用服務(wù)器,應(yīng)用服務(wù)器將數(shù)據(jù)和文件等對(duì)象寫入相對(duì)應(yīng)服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)獲取檢測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),通過面向?qū)ο缶幊趟枷?引入模塊化設(shè)計(jì)理念,將系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊劃分為通訊子模塊和數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)子模塊,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊劃分如圖2所示:

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of data acquisition system module division

通訊模塊的研究通過研究Can總線、ModBus、TCP/IP等常見通訊協(xié)議,抽象出通訊模塊父類,將通訊所需基礎(chǔ)對(duì)象和方法封裝起來(lái),通過接口與實(shí)現(xiàn)過程分離,進(jìn)而使父類內(nèi)部的功能部件具有“高內(nèi)聚、低耦合”的最佳狀態(tài),使用時(shí)新建子類繼承父類實(shí)現(xiàn)過程,對(duì)于與父類功能不同的部分,可以通過重寫的方式實(shí)現(xiàn)所需功能。這樣能夠大幅提高開發(fā)效率,并可以輕松實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有代碼的擴(kuò)展,提高編碼效率降低出錯(cuò)概率,降低代碼維護(hù)難度。

數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊用于實(shí)時(shí)接收試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和檢測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),研究開發(fā)數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)功能模塊,模塊分為兩大部分,分別是Collector、Sender。Collector功能是采集底層數(shù)據(jù),并存儲(chǔ)到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)Redis做緩存。Sender將內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)Redis內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)拋向服務(wù)器時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。在Collector中保留了插件模塊,系統(tǒng)依據(jù)不同的接口協(xié)議開發(fā)對(duì)應(yīng)的插件模塊,從而達(dá)到快速開發(fā)、部署的目的。

3.3 自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告

在不引入系統(tǒng)的情況下,主檢需要在試驗(yàn)結(jié)束后,通過主設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)表單通過技術(shù)手段進(jìn)行截取、生成圖表然后再手動(dòng)方式將數(shù)據(jù)謄抄在正式試驗(yàn)報(bào)告中,這種方式加大試驗(yàn)人員的重復(fù)工作量,提高單次試驗(yàn)執(zhí)行周期。

引入系統(tǒng)后,試驗(yàn)室主檢人員只需關(guān)注試驗(yàn)過程的規(guī)范性。試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)寫入數(shù)據(jù)庫(kù),試驗(yàn)結(jié)束后系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)類型、試驗(yàn)前選擇的試驗(yàn)參數(shù)自動(dòng)過濾無(wú)效數(shù)據(jù),從試驗(yàn)報(bào)告模板庫(kù)中選擇恰當(dāng)模板自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告,將試驗(yàn)人員從大量重復(fù)性工作中解放出來(lái),將更多注意力放在試驗(yàn)的合規(guī)性方面,由此提高試驗(yàn)的效率和可靠度。

試驗(yàn)報(bào)告由于委托類型不同、業(yè)務(wù)場(chǎng)景不同,存在報(bào)告種類繁多的特點(diǎn),傳統(tǒng)報(bào)告生成方式很難滿足使用需求,基于此引入微服務(wù)架構(gòu)。

典型微服務(wù)架構(gòu)如圖3所示:

圖3 典型微服務(wù)架構(gòu)Fig.3 Typical microservice architecture

微服務(wù)的理念是允許開發(fā)人員基于各種獨(dú)立組件來(lái)構(gòu)建應(yīng)用程序,這些組件可以輕松更改、刪除或升級(jí),而不會(huì)影響整個(gè)應(yīng)用程序——這與一體化架構(gòu)完全不同。一個(gè)微服務(wù)的策略可以讓工作變得更為簡(jiǎn)便,它可擴(kuò)展單個(gè)組件而不是整個(gè)的應(yīng)用程序堆棧,從而滿足服務(wù)等級(jí)協(xié)議[4]。

3.4 優(yōu)化試驗(yàn)業(yè)務(wù)流程

如圖4所示,市場(chǎng)人員獲得試驗(yàn)意向信息后,根據(jù)試驗(yàn)性質(zhì)和范圍評(píng)估試驗(yàn)費(fèi)用,并以此創(chuàng)建試驗(yàn)合同,試驗(yàn)室相關(guān)人員審核費(fèi)用后完成合同評(píng)審。合同生效以后試驗(yàn)計(jì)劃管理人員根據(jù)系統(tǒng)提示創(chuàng)建試驗(yàn)申請(qǐng)單,同時(shí)計(jì)劃人員跟蹤樣品到位情況。樣品到位后向試驗(yàn)室主管提交試驗(yàn)申請(qǐng),試驗(yàn)室主管根據(jù)系統(tǒng)提供的試驗(yàn)室工作飽和度選擇將該試驗(yàn)分配到哪個(gè)主檢負(fù)責(zé)的試驗(yàn)室。主檢人員接到試驗(yàn)任務(wù)后進(jìn)行試驗(yàn)排程、樣品領(lǐng)用等試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作。試驗(yàn)進(jìn)行過程中,主檢人員按照操作規(guī)程正常進(jìn)行試驗(yàn), 試驗(yàn)完成后系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)類型和所需參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、報(bào)告模板等要求,自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告,主檢只需在試驗(yàn)完成后退還樣品,在樣品退還后完成該試驗(yàn)。

圖4 試驗(yàn)業(yè)務(wù)流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of test business process

通過系統(tǒng)下達(dá)試驗(yàn)任務(wù),試驗(yàn)室主管能參考各個(gè)試驗(yàn)室主檢工作飽和度分配試驗(yàn)任務(wù),主檢接單進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)上傳系統(tǒng),系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)出具試驗(yàn)報(bào)告。大大減少無(wú)效動(dòng)作,提高試驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)汽車研發(fā)有重要的參考意義,是企業(yè)重要的技術(shù)積累。加強(qiáng)汽車研發(fā)中心試驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè),將試驗(yàn)數(shù)據(jù)集中管理、減少人為干預(yù)影響,最大程度保持試驗(yàn)的客觀性,提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)在汽車研發(fā)中心部門間流轉(zhuǎn)效率,消除汽車試驗(yàn)中心不同部門大量重復(fù)性試驗(yàn)工作,降低對(duì)汽車研發(fā)過程產(chǎn)生不良影響,對(duì)汽車研發(fā)中心試驗(yàn)室發(fā)展將起到非常重要作用。

引用

[1] 王秋晨.汽車試驗(yàn)在產(chǎn)品研發(fā)中的作用[J].環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào),2017(27):142.

[2] 朱飛雄,盧生林,張獻(xiàn)洋,等.整車研發(fā)驗(yàn)證資源控制研究[J].北京汽車,2018(6):5-6+17.

[3] 段淑敏.時(shí)間序列數(shù)據(jù)挖掘關(guān)鍵問題分析[J].中國(guó)市場(chǎng),2016(3):38-39.

[4] 楊舒,蘇放.基于微服務(wù)的分布式數(shù)據(jù)安全整合應(yīng)用系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2020(10):1-12.