基于數(shù)字孿生的玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間架構(gòu)

文/楊豐玉，范永健 南昌航空大學(xué)軟件學(xué)院 蔡海多 江西泉新電氣有限公司

隨著“中國(guó)制造2025”和“工業(yè)4.0”的相繼提出，傳統(tǒng)制造業(yè)已經(jīng)無(wú)法滿足新時(shí)代的制造需求，新一輪科技革命已經(jīng)到來(lái)。在“工業(yè)4.0”的發(fā)展過(guò)程中，數(shù)字孿生技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)是一種在信息世界中通過(guò)數(shù)字表達(dá)來(lái)描述物理世界中的對(duì)象模型的技術(shù)。數(shù)字孿生在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，涉及對(duì)產(chǎn)品性質(zhì)和生產(chǎn)行為等特征進(jìn)行融合，共同構(gòu)建模型，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指導(dǎo)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測(cè)維護(hù)、遠(yuǎn)程操作維護(hù)、產(chǎn)品再設(shè)計(jì)等功能。此外，數(shù)字孿生可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在制造加工中實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的自學(xué)習(xí)，以及對(duì)未知風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，從而有效提高制造設(shè)備的智能化水平。玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間全局如圖1所示。

圖1 玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間全局圖

當(dāng)前，工廠的生產(chǎn)加工設(shè)備大部分都處于被動(dòng)管理與控制階段，在此階段，生產(chǎn)加工設(shè)備產(chǎn)生的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是由手工記錄或輸入到離線的設(shè)備上。然而，通過(guò)人工收集和處理數(shù)據(jù)存在信息滯后的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)過(guò)程的具體情況，易出現(xiàn)企業(yè)管理過(guò)程中數(shù)據(jù)時(shí)效性差的問(wèn)題。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)車(chē)間易出現(xiàn)不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)問(wèn)題，從而導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量呈現(xiàn)復(fù)雜性、不確定性和動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)。若無(wú)法有效處理上述問(wèn)題，產(chǎn)品的質(zhì)量將會(huì)受到很大的影響，進(jìn)而增加生產(chǎn)成本。針對(duì)上述問(wèn)題，部分工廠對(duì)生產(chǎn)加工設(shè)備采用實(shí)時(shí)管理的模式進(jìn)行管理，即通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將企業(yè)的生產(chǎn)加工設(shè)備進(jìn)行無(wú)線連接。該方法通過(guò)及時(shí)流動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，有效解決了生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)流動(dòng)性差的問(wèn)題。但是，該方法依舊需要人工對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，而在信息管理工作上，工作者們可能會(huì)有各自的主觀判斷，這也是生產(chǎn)過(guò)程中的一類(lèi)干擾因素。當(dāng)前，可以通過(guò)數(shù)字孿生和深度學(xué)習(xí)的結(jié)合，構(gòu)建生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字孿生模型，解決物理信息與虛擬信息的集成問(wèn)題。生產(chǎn)設(shè)備智能化發(fā)展階段如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)設(shè)備智能化發(fā)展階段

1 數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間運(yùn)行機(jī)制

玻璃絕緣子制造工廠的核心產(chǎn)品是玻璃絕緣子。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于玻璃絕緣子的生產(chǎn)可以突破當(dāng)前的生產(chǎn)效率瓶頸。將玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間各種設(shè)備和工藝的特點(diǎn)從物理空間映射到虛擬空間，構(gòu)建數(shù)字孿生玻璃絕緣子車(chē)間。首先，基于數(shù)字孿生模型，預(yù)測(cè)產(chǎn)品良率、優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)和生產(chǎn)計(jì)劃等，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；其次，實(shí)時(shí)跟蹤生產(chǎn)情況，實(shí)現(xiàn)信息高速交互；最后，跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生是生產(chǎn)產(chǎn)品各種屬性和行為模式的數(shù)字映射，主要可以分為五個(gè)維度：物理實(shí)體（PE）、虛擬實(shí)體（VE）、業(yè)務(wù)（Ss）、孿生數(shù)據(jù)（DD）和連接（CN），這五個(gè)維度之間的有效連接，保證了系統(tǒng)能合理、穩(wěn)定地運(yùn)行。

基于數(shù)字孿生的玻璃絕緣子車(chē)間主要由五個(gè)部分組成：物理玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間、數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間、信息服務(wù)平臺(tái)、孿生數(shù)據(jù)和連接交互。

（1）物理玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間

物理玻璃絕緣子車(chē)間的生產(chǎn)流程：原料進(jìn)廠→配料→熔制→成型→鋼化→冷熱沖擊→檢驗(yàn)→裝配→養(yǎng)護(hù)→成品→抽樣試驗(yàn)→合格品出廠。生產(chǎn)車(chē)間必須具備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的讀取能力，如掃描標(biāo)簽數(shù)據(jù)并記錄，感知生產(chǎn)環(huán)境溫度、濕度等?；贜B-IOT技術(shù)，在線將傳感器數(shù)據(jù)上傳到車(chē)間信息服務(wù)平臺(tái)。

（2）數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間

數(shù)字孿生玻璃絕緣子車(chē)間可以在數(shù)字環(huán)境內(nèi)構(gòu)建數(shù)字孿生車(chē)間，即對(duì)車(chē)間設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程和車(chē)間環(huán)境等進(jìn)行數(shù)字化映射，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車(chē)間的數(shù)字孿生，進(jìn)而為玻璃絕緣子車(chē)間生產(chǎn)的模擬和優(yōu)化提供平臺(tái)。但數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間的設(shè)計(jì)大小應(yīng)該適中，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行速度下降和任務(wù)下發(fā)效率降低等問(wèn)題。數(shù)字孿生對(duì)玻璃絕緣子生產(chǎn)的意義：①對(duì)玻璃絕緣子的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、所需成本和可能出現(xiàn)的問(wèn)題的預(yù)測(cè)；②對(duì)生產(chǎn)情況在線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄；③基于歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)字孿生模型等。

（3）車(chē)間信息服務(wù)系統(tǒng)

車(chē)間信息服務(wù)系統(tǒng)的工作主要包括下發(fā)生產(chǎn)方案，優(yōu)化物理玻璃絕緣子車(chē)間生產(chǎn)信息，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。車(chē)間信息服務(wù)系統(tǒng)工作流程：①物理玻璃絕緣子車(chē)間將任務(wù)下發(fā)至信息服務(wù)系統(tǒng)；②信息服務(wù)系統(tǒng)針對(duì)下發(fā)任務(wù)給出相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃；③將計(jì)劃發(fā)往數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間進(jìn)行仿真和優(yōu)化；④根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生成最終可行的計(jì)劃；⑤對(duì)傳感器收集的數(shù)據(jù)分析處理，調(diào)整生產(chǎn)資源分配和生產(chǎn)計(jì)劃。

（4）孿生數(shù)據(jù)

物理與數(shù)字玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間是彼此獨(dú)立的，孿生數(shù)據(jù)將他們彼此聯(lián)系起來(lái)。孿生數(shù)據(jù)主要包括物理玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及信息系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

（5）連接交互

連接交互模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生相關(guān)的各個(gè)組成部分的交互，如圖3所示。其中包括物理玻璃絕緣子車(chē)間與孿生數(shù)據(jù)、物理玻璃絕緣子車(chē)間與數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間、物理玻璃絕緣子車(chē)間與信息服務(wù)平臺(tái)、數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間與孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間與信息服務(wù)平臺(tái)、信息服務(wù)平臺(tái)與孿生數(shù)據(jù)等6種模塊之間的交互組合。玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間數(shù)字孿生的組成如圖3所示。

圖3 玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間數(shù)字孿生的組成

1）物理玻璃絕緣子車(chē)間與孿生數(shù)據(jù)的交互。通過(guò)傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、嵌入式系統(tǒng)等設(shè)備對(duì)物理玻璃絕緣子車(chē)間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并基于通信協(xié)議規(guī)范傳輸至孿生數(shù)據(jù)。通過(guò)通信協(xié)議規(guī)范將處理后得到的孿生數(shù)據(jù)反饋給物理玻璃絕緣子車(chē)間，優(yōu)化物理玻璃絕緣子車(chē)間的生產(chǎn)效率。

2）物理玻璃絕緣子車(chē)間與數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間的交互。將在物理玻璃絕緣子車(chē)間采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間，用于更新各類(lèi)模型。將數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間采集的仿真數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)化為指令下達(dá)至物理玻璃絕緣子車(chē)間執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)物理玻璃絕緣子車(chē)間的實(shí)時(shí)控制。

3）物理玻璃絕緣子車(chē)間與信息服務(wù)平臺(tái)的交互。物理玻璃絕緣子車(chē)間在線將數(shù)據(jù)上傳至信息服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息服務(wù)平臺(tái)的更新。信息服務(wù)平臺(tái)將生產(chǎn)過(guò)程中得到的操作方案、分析結(jié)果和生產(chǎn)現(xiàn)狀等信息以網(wǎng)頁(yè)的形式呈現(xiàn)給用戶，對(duì)物理玻璃絕緣子車(chē)間進(jìn)行調(diào)控。

4）數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間與孿生數(shù)據(jù)的交互。將數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為孿生數(shù)據(jù)的一部分。同時(shí)，為驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生模型，在線讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中具有關(guān)聯(lián)、融合和生命周期性質(zhì)的孿生數(shù)據(jù)。

5）數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間與信息服務(wù)平臺(tái)的交互。通過(guò)軟件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字玻璃絕緣子車(chē)間與信息服務(wù)平臺(tái)的雙向通信，完成消息同步和數(shù)據(jù)收發(fā)等操作。

6）信息服務(wù)平臺(tái)與孿生數(shù)據(jù)的交互。將信息服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，也作為孿生數(shù)據(jù)的一部分。同時(shí)，讀取孿生數(shù)據(jù)中各類(lèi)信息、數(shù)據(jù)以支持信息服務(wù)平臺(tái)的運(yùn)行。

2 數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間模型架構(gòu)

基于玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間的運(yùn)行機(jī)制，提出了數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間的四層架構(gòu)模型，如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間四層架構(gòu)

1）物理層，該層由玻璃絕緣子生產(chǎn)設(shè)備、各種數(shù)據(jù)傳感儀器和人組成，包括物理實(shí)體和數(shù)字實(shí)體的各項(xiàng)操作。該層通過(guò)對(duì)現(xiàn)有資源進(jìn)行優(yōu)化配置，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成實(shí)際的生產(chǎn)操作。該層結(jié)構(gòu)中最重要的技術(shù)是分布式協(xié)同控制與異構(gòu)多源多模態(tài)數(shù)據(jù)封裝。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為方便數(shù)據(jù)的日后分析與使用，應(yīng)將各設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

2）數(shù)字層，該層實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理層數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、分析和映射。同時(shí)，可以在線觀察數(shù)字車(chē)間的生產(chǎn)情況，并存儲(chǔ)和融合孿生數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量較大，為使各個(gè)模塊數(shù)據(jù)的邏輯表述更清晰，梳理了各個(gè)數(shù)據(jù)模塊之間的聯(lián)系。基于前面梳理，可以避免數(shù)據(jù)的重復(fù)計(jì)算、排序等，有利于現(xiàn)場(chǎng)工程師在調(diào)試過(guò)程中用最短的時(shí)間找到需要的數(shù)據(jù)。生產(chǎn)監(jiān)測(cè)及大數(shù)據(jù)分析如圖5所示 。

圖5 玻璃絕緣子生產(chǎn)監(jiān)測(cè)及大數(shù)據(jù)分析示意圖

3）模型層，該層實(shí)現(xiàn)了物理玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間的映射，得到了數(shù)字化的玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間。模型層需要大量的數(shù)據(jù)對(duì)其驅(qū)動(dòng)，所以需要高性能的CPU支持。因此，在搭建數(shù)字孿生模型時(shí)，需要均衡設(shè)備與數(shù)據(jù)的關(guān)系和優(yōu)化內(nèi)存的使用效率。

4）應(yīng)用層，該層實(shí)現(xiàn)了玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間的智能排班與生產(chǎn)調(diào)度以及玻璃絕緣子質(zhì)量的分析管理。同時(shí)，生產(chǎn)窯爐對(duì)電能等一系列的資源開(kāi)銷(xiāo)較大，增加了生產(chǎn)成本。在該層對(duì)生產(chǎn)人員進(jìn)行訓(xùn)練，統(tǒng)一生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)到降低能耗的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字孿生在玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間的應(yīng)用，能幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。本文主要探討了玻璃絕緣子生產(chǎn)車(chē)間數(shù)字孿生建模和信息處理的基礎(chǔ)研究。數(shù)字孿生不僅是對(duì)傳統(tǒng)仿真的進(jìn)一步強(qiáng)化，它還有許多擴(kuò)展研究，如遠(yuǎn)程操作和預(yù)測(cè)生產(chǎn)等。此外，數(shù)字孿生降低了試錯(cuò)成本并縮短了試錯(cuò)時(shí)間，在促進(jìn)玻璃絕緣子產(chǎn)品再設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮了很好的作用，其還有很多功能有待于未來(lái)的探索。