一种基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统及其调度方法与流程

本发明涉及一种堆场作业调度系统，具体涉及一种基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统，还涉及上述基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统的调度方法，属于焊接工艺设计技术领域。

背景技术：

分段堆场是船舶生产系统中不可或缺的部分，是分段脱胎后进行后处理的堆放和暂存的场所。根据功能的不同，堆场按照功能分为加工堆场和暂存堆场。在现代造船模式下，进行分段堆场作业时往往会遇到很多难以预料的因素，如天气、设备、场地等，这些不确定因素加大了计划的难度和可执行性。因此实现船舶分段调度现场与虚拟工厂的实时信息交互与数据监测对提高作业计划调度的效率有着重要意义。

数字孪生的概念雏形由美国密歇根大学的grieves教授于2003年首次提出，逐步发展与完善，其概念模型于2011年被提出，包括物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品以及两者之间的数据和信息交互接口。数字孪生的定义为充分利用物理模型、数字化设备、运行历史数据等，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间完成映射，反映了相对应的物理实体的全生命周期过程。数字孪生是以数字化方式在虚拟空间创建物理实体的实时镜像，即物理实体在虚拟空间的仿真模型，通过物理实体和虚拟实体之间进行数据和信息交互，对物理实体进行完整和精确的数字化描述，同时对物理实体在物理环境中的行为和状态进行模拟、监控、诊断、预测和控制。

相对于传统的调度模式，研究数字孪生驱动的生产调度模式和方法，通过全要素、全数据、全模型、全空间的虚实映射和交互融合，形成虚实响应、虚实交互、以虚控实、迭代优化的船舶调度机制，能实现调度要素的协同匹配与持续优化。本发明提出了基于孪生数据的船舶分段堆场调度建模及优化方法，将计划排产、作业调度以及数字化仿真等数字化的虚拟过程和船舶堆场建造的实际过程通过孪生数据(模型)进行有机融合和实时交互。将调度现场采集的实时数据进行融合，并及时反馈给生产排产/调度系统和虚拟仿真系统，从而对生产现场出现的设备故障、生产延期和分段堆放问题进行优化调整，形成“虚拟堆场平台-孪生数据-物理堆场实体”的全面感知与融合的闭环，最终提高船舶堆场作业调度优化的快速响应能力和生产效能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统。

本发明还要解决的技术问题是提供上述基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统的调度方法，该方法将调度现场采集的孪生数据及时传输给虚拟仿真系统，从而对生产现场出现的一系列扰动问题进行优化调整，最终提高船舶堆场作业调度的快速响应能力和效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统，包括虚拟层、物理层和通信层，所述虚拟层通过通信层与物理层连接并进行数据交互；所述虚拟层内构建有与物理层对应的孪生模型和数据；所述物理层采集现场数据并通过通信层传输给虚拟层；所述虚拟层根据孪生模型和采集的现场数据优化调度作业计划，并将作业计划数据通过通信层下发给物理层，对物理层的现场调度进行管控。

其中，所述物理层包括数据采集设备以及堆场设备，所述堆场设备包括堆场场地、建造对象(船舶分段)以及建造资源；所述数据采集设备包括rfid扫码设备、视频图像采集装置；rfid扫码设备采集分段的进出堆场的时间、分段堆位以及分段的几何参数数据，视频图像采集装置监控调度进程状况和分段干涉情况数据；物理层通过通信电缆与通信层连接。

其中，通信层包括通信设备，所述通信设备分别通过can总线、opc总线及modbus总线与所述通信层的数据采集设备连接；通信设备同时通过网络与虚拟层连接，将数据采集设备采集的数据传输给虚拟层。

其中，所述虚拟层包括控制模块、现场设备数据以及数字模型；所述控制模块包括计划排产模块、作业调度模块、调度仿真模块、现场信息采集模块和孪生数据融合模块；计划排产模块对初始导入的人员、分段信息或初始调度计划利用智能算法排产或手动排产，并将排产后的调度计划传输给调度仿真模块和作业调度模块，调度仿真模块将生成的调度计划传输给外部数字化仿真软件进行仿真和优化；作业调度模块下发指令到现场实施调度；调度仿真模块向计划排产模块实时传递仿真数据，计划排产模块向作业调度模块实时传递控制命令；现场信息采集模块对现场数据进行采集并传输给孪生数据融合模块，孪生数据融合模块将采集后的数据和仿真数据进行融合、分析；所述数字模型对调度实体对象的物理特征参数进行映射；所述现场信息采集模块下发信息采集指令并通过信息层下达给实体层的数据采集设备；所述数据融合模块对物理层上传的采集信息进行数据的分析与融合。

其中，所述堆场场地、建造对象(船舶分段)以及建造资源具有对应的rfid标签，所述rfid标签包含用于创建数据模型并进行数据处理的参数信息；所述rfid信息通过数据采集设备上传到通信层。

其中，所述的建造资源包括吊装设备、平板小车、装焊设备以及施工队，建造资源信息包括实现建造资源的工作能力、实时位置和设备故障状态，建造资源信息通过数据采集设备上传到通信层。

一种基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统的调度方法：包括如下步骤：

步骤1，将分段、场地、设备的各种信息文件以及信息采集模块采集的初始堆场信息文件以数据表的形式通过数据交互接口导入虚拟信息层；虚拟层中的计划排产模块依据导入的信息文件选择手工排产或智能算法进行调度计划排产，最终生成初始的分段堆场建造作业计划；

步骤2，在调度仿真模块中基于数据驱动的建模仿真等技术建立所需的分段、场地、环境、工作人员和现场设备的二维布局模型和三维动态模型，并在虚拟环境中对分段进出堆场过程进行动态仿真；构建模型和过程仿真的软件包括quest、unit3d，plantsimulation；

步骤3，调度人员对仿真是否合理进行判断，若仿真过程满足调度计划要求，则允许执行排产/调度方案，若仿真结果不满足要求，需返回计划排产模块或作业调度模块对原有计划进行修改；

步骤4，现场信息采集模块通过通信层向物理层的数据采集设备下发信息采集指令；数据采集设备采集场地布局等数字化信息，并检测设备运行情况以及分段的调度情况，将现场采集信息(分段位置信息和设备运行数据)传输至虚拟层的计划排产模块、作业调度模块和调度仿真模块，并作为计划调整与仿真优化的数据源；

步骤5，施工队依据现场设备采集的信息判断实体层的堆场作业是否存在分段干涉、计划延时等异常情况，若不存在异常则表示堆场调度完成，若存在异常，需要对作业调度系统重新配置计划参数(包括分段堆位和进出堆场日期)，并返回虚拟层的作业调度模块依据一定的策略进行重新调度。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过虚实交互行为，形成虚实响应、虚实交互、以虚控实的船舶堆场建造的作业排产和调度机制，从而实现生产排产和调度要素的优化匹配和高效运作。同时通过一种新的调度优化方法，能够进行“任务-资源”自主决策、动态迭代和连续实时优化，最终提高船舶堆场作业调度的快速响应能力和效率。

附图说明

图1为本发明调度系统的系统原理图；

图2为本发明调度方法的流程图；

图3为本发明模型和数据流向示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

如图1所示，基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统体系架构分为实体层、通信层和虚拟层，其中通信层作为连接实体层和虚拟层的桥梁。虚拟层内构建有与物理层对应的孪生模型和数据。物理层采集现场数据并通过通信层传输给虚拟层。虚拟层根据孪生模型和采集的现场数据生成初始的现场作业计划以及调整后的现场作业计划，并将作业计划数据通过通信层下发给物理层，对物理层的现场调度进行管控。

其中，物理层包括堆场场地(含场地规模、空间布局和时间分布情况等)、建造对象(船舶分段)、建造资源(装配与焊接机器人/生产线、吊车、运输平板车和堆场场地等)以及数据采集设备等共同构成船舶堆场作业调度的物理世界。数据采集设备包括rfid扫码设备、视频图像采集装置。rfid扫码设备采集分段的进出堆场的时间、分段堆位以及分段的几何参数数据。视频图像采集装置监控调度进程状况和分段干涉情况数据。物理层通过通信电缆与通信层连接

每一个建造对象(分段)都有相对应的rfid标签，包含了分段的编码、重量、尺寸(长、宽、高等)、分段的进出场时间以及分段的实际场地位置信息等；每一个堆场场地都有对应的rfid标签，包含了场地的尺寸信息、吊装能力信息、装焊能力信息和堆场的场地布局信息(空间布局和时间分布)。

建造资源包括吊装设备、平板小车、装焊设备以及施工队等，都有对应的rfid射频采集系统、多目立体视觉采集系统以及网络通讯模块，实现建造资源的工作能力、实时位置和设备故障等状态的采集和监控。其中，rfid数据采集器采用固定式或移动式的数据采集器，网络通讯模块采用wifi或蓝牙模块。

通信层包括通信设备，通信设备分别通过can总线、opc总线及modbus总线与通信层的数据采集设备连接；通信设备同时通过网络与虚拟层连接，将数据采集设备采集的数据传输给虚拟层。

虚拟层包括控制模块、现场设备数据以及数字模型。控制模块包括计划排产模块、作业调度模块、调度仿真模块、现场信息采集模块和孪生数据融合模块。计划排产模块对初始导入的人员、分段信息或初始调度计划利用智能算法排产或手动排产，并将排产后的调度计划传输给调度仿真模块和作业调度模块，调度仿真模块将生成的调度计划传输给外部数字化仿真软件进行仿真和优化。

作业调度模块下发指令到现场实施调度。调度仿真模块向计划排产模块实时传递仿真数据，计划排产模块向作业调度模块实时传递控制命令。现场信息采集模块对现场数据进行采集并传输给孪生数据融合模块，孪生数据融合模块将采集后的数据和仿真数据进行融合、分析。数字模型对调度实体对象的物理特征参数进行映射。现场信息采集模块下发信息采集指令并通过信息层下达给实体层的数据采集设备。数据融合模块对物理层上传的采集信息进行数据的分析与融合。

该堆场作业调度系统在工作时，将船舶分段作业调度的数字化仿真的虚拟过程和实体堆场调度过程通过孪生数据实时交互。通过安装在实体堆场的信息采集设备采集各种所需要的信息，通过通信层的各种通信设备及时上传给虚拟层，虚拟层根据数据对实体堆场调度进行分析与优化，从而实现对现场设备参数、作业过程和工作人员的实时监测，依据计划排产、作业调度和仿真分析模块和调度现场的实时交互、过程优化和反馈控制决策，解决了传统调度模式中生产调度的物理空间与信息空间相互独立、数据传递滞后、排产结果和调度过程无法实时交互与融合，难以实现调度过程的及时响应，影响调度效果和生产进程的问题。

图2中，基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统的调度方法的具体步骤如下：

步骤1，将分段、场地、设备的各种信息文件以及信息采集模块采集的初始堆场信息文件以数据表的形式通过数据交互接口导入虚拟信息层；虚拟层中的计划排产模块依据导入的信息文件选择手工排产或智能算法进行调度计划排产，最终生成初始的分段堆场建造作业计划；

步骤2，在调度仿真模块中基于数据驱动的建模仿真等技术建立所需的分段、场地、环境、工作人员和现场设备的二维布局模型和三维动态模型，并在虚拟环境中对分段进出堆场过程进行动态仿真；构建模型和过程仿真的软件包括quest、unit3d，plantsimulation；

步骤3，调度人员对仿真是否合理进行判断，若仿真过程满足调度计划要求，则允许执行排产/调度方案，若仿真结果不满足要求，需返回计划排产模块或作业调度模块对原有计划进行修改；

步骤4，现场信息采集模块通过通信层向物理层的数据采集设备下发信息采集指令；数据采集设备采集场地布局等数字化信息，并检测设备运行情况以及分段的调度情况，将现场采集信息(分段位置信息和设备运行数据)传输至虚拟层的计划排产模块、作业调度模块和调度仿真模块，并作为计划调整与仿真优化的数据源；

步骤5，施工队依据现场设备采集的信息判断实体层的堆场作业是否存在分段干涉、计划延时等异常情况，若不存在异常则表示堆场调度完成，若存在异常，需要对作业调度系统重新配置计划参数(包括分段堆位和进出堆场日期)，并返回虚拟层的作业调度模块依据一定的策略进行重调度。

图3为本发明基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统及方法的模型和数据流向示意图，其中包括物理实体、虚拟实体、服务系统以及三者之间进行的数据交互。其中：

物理实体对应系统物理层，它是客观存在的，它通常由功能层(如企业层、设备层、堆场作业层等)组成，并通过各个功能层之间的协作完成特定任务。各种传感器部署在物理实体上，实时监测堆场环境数据，吊车、平板车运行状态以及分段的调度情况等。

虚拟实体存储在系统的虚拟层，它是物理实体的数字化镜像，包括了二维布局仿真与三维动态仿真，二维布局仿真主要是对船舶堆场及周围环境的精准映射，包括堆场的几何参数、分段的位置参数等。三维动态仿真则是对分段在被调度的整个过程的模拟仿真。

服务系统集成了排产、调度、优化、服务等各类信息系统，基于物理实体和虚拟模型提供智能运行、精准管控与可靠运维服务。

孪生数据/模型包括物理实体、虚拟实体、服务系统的相关数据，领域知识及其融合数据，并随着实时数据的产生被不断更新与优化。孪生数据/模型是数字孪生运行的核心驱动。以上四个部分进行两两连接，使其进行有效实时的数据传输，从而实现实时交互以保证各部分间的一致性与迭代优化。