孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统及配置方法与流程

本发明属于船舶建造领域，具体涉及船舶分段建造过程组立产品的质量管控，特别是涉及基于孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统及其配置方法。

背景技术：

21世纪以来，随着计算机信息技术的发展，船舶工业得到迅猛的发展。船舶工业作为支撑水上交通运输、海洋开发以及国防建设的现代综合产业，是国家制造业中不可缺少的组成部分。在众多制造业中，船舶制造业的发展水平是国家综合国力的重要体现。大力发展船舶建造技术，促进船舶制造业向“集成制造、敏捷制造”转变，提高船舶建造智能化程度，将数字孪生技术全面应用到船舶建造过程中，实现高水平的数字化的造船，对我国的船舶工业发展具有重要的实际意义。

数字孪生技术是以数字化的方式创建物理实体的虚拟模型，数据作为两者之间的桥梁，连通着物理实体与虚拟模型，虚拟模型借助数据模拟物理实体的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析以及迭代优化等手段，实现以虚控实的目的。数字孪生作为一种利用数据、模型、实体并集成多学科的技术，在现代船舶分段建造过程中发挥着巨大的作用。

在现有技术中，出现以中间产品为导向的造船模式，船舶为最终产品，中间产品通过各种方法组装成最终产品。其中，中间产品被称为组立，通过采集小、中、大组立的加工、装配、焊接过程的工艺数据，与创建的数字孪生模型融合形成孪生数据，实现孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控。

目前，已有关于如何提高船舶分段建造质量的专利技术出现，如专利cn105785944b公开一种“船体建造精度控制工艺方法和系统”、专利cn103434611a公开一种“大型船舶的高精度控制建造方法”，两篇专利对影响建造过程质量的数据进行了管理与分析，并且通过对比或设置补偿量的方式进行质量控制，但是仅仅对已加工的构件进行质量控制，未能提前预测待加工构件，是被动控制；专利cn105808891b公开“一种用于船舶分段数字化制造的系统精度控制方法”在该专利中，没有分析、仿真建造过程工艺，仍然未能提前预测待加工质量。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统及配置方法，采集建造过程工艺数据和设备运行状态数据，与历史数据融合形成孪生数据，驱动多数字孪生模型模拟仿真，优化工艺参数，能够实现船舶组立产品“感知-分析-决策-反馈”的闭环工艺数据控制，实现船舶组立产品的质量管控，使得工艺决定质量，质量指导工艺。

技术方案：孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统，包括智能建造设备、数据采集模块、无线传输模块以及建造质量管控模块；

所述智能建造设备，用于完成下达的包括加工、装配以及焊接建造任务在内的指令；

所述数据采集模块，用于实时采集船舶建造过程中小组立、中组立以及大组立的工艺数据以及装备运行状态数据；

所述无线传输模块，用于实现所述智能建造设备与建造质量管控模块之间的数据交互；

所述建造质量管控模块，包括虚拟模型仿真子模块、工艺参数优化子模块以及智能建造设备控制子模块；

虚拟模型仿真子模块，通过建立多数字孪生模型，依据孪生数据，对组立产品的建造流程进行仿真；

工艺参数优化子模块，根据数字孪生工艺模型的仿真结果和工艺推理知识，得出影响质量缺陷的工艺参数，采用深度神经网络算法，优化工艺参数；

智能建造设备控制子模块，是将孪生数据转化成生产线上设备可以执行的指令，将指令发送到特定的设备上，控制设备执行相应的动作。

进一步地，孪生数据是将采集的工艺数据和设备运行状态数据，与历史数据融合后形成的；孪生数据是多数字孪生模型进行仿真模拟的基础，多数字孪生模型包括数字孪生装备模型，数字孪生工艺模型以及数字孪生产品模型。

进一步地，数字孪生工艺模型包括数字孪生机械加工工艺模型、数字孪生装配工艺模型以及数字孪生焊接工艺模型。

进一步地，工艺推理是指通过工艺参数分析判断影响质量因素，与质量指标比对，从而能为数字孪生工艺模型的质量仿真结果得出需要优化的工艺参数；

进一步的，质量指标按照工艺分成三类：机械加工工艺质量指标、装配工艺质量指标以及焊接工艺质量指标；其中，机械加工工艺质量指标为零件尺寸、形状以及表面粗糙度；装配工艺质量指标为对接缝间隙、平行度；焊接工艺质量指标为焊缝尺寸和形状、焊接变形以及水密性。

进一步的，工艺数据包括机械加工工艺参数、装配工艺参数以及焊接工艺参数；其中机械加工工艺参数包括尺寸、形状、板材厚度以及表面粗糙度参数；装配工艺数据包括尺寸精度、位置精度以及垂直度参数；焊接工艺数据包括焊接电流。电弧电压、焊接速度、气体流量以及电源极性参数；

为实现上述目的，本发明还提供一种基于孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统的配置方法，包括以下步骤：

1)智能建造设备配置swe

首先，为船舶分段建造过程的组立产品配置若干个带有传感器设备的胎架工艺装备，机械加工设备，装配、焊接机器人，一台plc嵌入式系统设备以及摄像头装置，自主形成组立产品的柔性加工生产线，智能建造设备配置的建模表达式为：

swe＝{sci，me，wr，es，ce}

sci＝{sc1，sc2…scn-1，scn}，

{sc1，sc2…scn-1，scn}＝{ss，ts，…cs，vs}

式中的，板材、型材在机械加工设备me上切割成相应的形状、尺寸的后，吊运到带有传感器设备的胎架工艺装备sci上，配置的装配、焊接机器人wr对板材、型材进行装配、焊接工艺，形成船舶中间产品小、中、大组立；

2)数据采集模块配置dam

配置一台plc嵌入式系统设备es和多智能感知设备采集船舶分段建造过程组立产品的工艺数据，其中配置一台rfid手持式数据采集器采集建造过程所用资源的信息，配置包括激光传感器ss、厚度传感器ts、电流传感器cs、电压传感器vs在内的传感器装备采集建造过程的包括机械加工工艺、装配工艺以及焊接工艺在内的数据，由配置的plc嵌入式系统设备es通过无线传输模块将实时采集的数据上传到建造质量管控模块；配置一台人机交互终端，用于实时显示摄像头装置ce采集的实时建造任务情况，并且提供相应的数据输入请求界面，对建造过程的加工生产线进行控制，采集的工艺数据建模表达式为：

pd∈{mp，ap，wp}

式中，pd表示当前零部件的工艺数据类别，mp表示当前零部件的机械加工工艺参数，ap表示当前零部件的装配工艺参数，wp表示当前零部件的焊接工艺参数。

3)无线传输模块配置wtm

根据船舶分段建造过程中数据采集设备多样性、复杂性的特点，船舶建造车间布置zigbee无线传输网络，采用星型网络布置，并且配置多源异构数据通讯接口；经过zigbee无线网络和标准化数据通讯接口将实时工艺数据接入到上位机的建造质量管控模块，形成船舶建造车间局域物联网，实现建造车间的工艺数据流通；

4)建造质量管控模块配置qc

建造质量管控模块配置分为三个子模块，三个子模块间的建模表达式为：

式中，qc表示建造质量管控模块，vm表示虚拟模型仿真子模块，po表示工艺参数优化子模块，ec表示智能建造设备控制子模块，表示以建造质量管控模块的逻辑顺序处理流向；

首先，采集的工艺数据、装备运行状态数据与历史数据融合，形成孪生数据，是多数字孪生模型仿真模拟的基础，数据通讯接口与多数字孪生模型建立双向数据通道，多数字孪生模型包括数字孪生装备模型，数字孪生工艺模型以及数字孪生产品模型，按照一定的建造流程逻辑关系进行仿真，模拟实际建造车间运作、船舶中间产品制造工艺流程，多数字孪生模型建模表达式为：

式中，mdt’表示多数字孪生模型，edt’表示数字孪生装备模型，pdt’表示数字孪生工艺模型，pdt表示数字孪生产品模型，表示物理空间与数字孪生模型真实映射；

其次，根据数字孪生工艺模型对工艺参数的仿真结果，结合工艺推理，得到待优化的工艺参数，再结合深度神经网络算法，对工艺参数优化，最后将优化的工艺参数结果转化成设备可以识别的指令，通过接口下达至物理建造车间的智能建造设备，调整船舶分段建造组立产品的工艺流程，从而实现船舶分段建造过程质量管控。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明提供基于孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统及配置方法，系统由智能建造设备、数据采集模块、无线传输模块以及建造质量管控模块组成，能够有效优化机械加工、装配、焊接过程的工艺参数，指导物理车间制造，从而实现船舶组立产品的质量管控。

系统配置方法的提出，进一步体现了本系统建立的可行性，为船舶组立产品质量管控的实现提供了基础。

附图说明

图1为孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统结构图；

图2为孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统配置方法图；

图3为数字孪生工艺模型的工艺推理图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

实施例一

孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统结构如图1所示，该系统分为智能建造设备，数据采集模块、无线传输模块以及建造质量管控模块。

其中，智能建造设备是物理空间的执行对象，用于完成下达的加工、装配以及焊接等建造任务，具体包括机械加工设备、装配机器人、焊接机器人、胎架以及其他辅助设备。按照加工-装配-焊接建造流程形成柔性生产线。

数据采集模块用于实时采集船舶建造过程中小组立、中组立以及大组立的工艺数据以及装备运行状态数据，配置一台plc嵌入式系统设备、rfid手持式数据采集器、摄像头装置以及激光传感器、电压传感器等设备采集船舶建造过程中组立产品的工艺数据。

无线传输模块用于智能建造设备与建造质量管控模块之间的数据交互，采用zigbee无线传输网络，并且配置标准化的数据接口，将采集的工艺数据实时上传到建造质量管控模块。

建造质量管控模块包括虚拟模型仿真子模块、工艺参数优化子模块以及智能建造设备控制子模。建造质量管控模块用于实时数据处理，数字孪生工艺模型仿真，优化工艺参数，生成控制决策信息，实现物理空间与虚拟空间的虚拟化仿真建模。

实施例二

基于孪生数据驱动的船舶组立产品质量管控系统配置方法如图2所示，物理空间资源配置包括智能建造设备配置swe、数据采集模块配置dam以及无线传输模块配置wtm。

首先，智能建造设备为船舶分段建造过程中组立产品配置若干个带有传感器设备的胎架工艺装备，机械加工设备，装配、焊接机器人，一台plc嵌入式系统设备以及摄像头装置，自主形成组立产品的柔性加工生产线。智能建造设备配置的建模表达式为：

swe＝{sci，me，wr，es，ce}

sci＝{sc1，sc2…scn-1，scn}，

{sc1，sc2…scn-1，scn}＝{ss，ts，…cs，vs}

其次数据采集模块配置一台plc嵌入式系统设备es和多智能感知设备采集船舶分段建造过程中组立产品的工艺数据。其中配置一台rfid手持式数据采集器采集建造过程所用资源信息，配置激光传感器ss、厚度传感器ts、电流传感器cs、电压传感器vs等传感器采集建造过程的机械加工工艺、装配工艺以及焊接工艺等数据，由配置的plc嵌入式系统设备es通过无线传输模块将实时采集的数据上传到建造质量管控模块；配置一台人机交互终端，用于实时显示摄像头装置ce采集的实时建造任务情况，并且提供相应的数据输入请求界面，对建造过程加工生产线进行控制。采集的工艺数据建模表达式为：

pd∈{mp，ap，wp}

最后，无线传输模块配置了zigbee无线传输网络，经标准化数据通讯接口将实时工艺数据接入到上位机的建造质量管控模块，实现数据双向流通。

虚拟空间vs配置了建造质量管控模块，建造质量管控模块分为三个子模块，三个子模块间的建模表达式为：

式中，qc表示建造质量管控模块，vm表示虚拟模型仿真子模块，po表示工艺参数优化子模块，ec表示智能建造设备控制子模块，表示以建造质量管控模块的逻辑顺序处理流向。

采集的工艺数据、装备运行状态数据与历史数据融合，形成孪生数据，是多数字孪生模型仿真模拟的基础。数据通讯接口与多数字孪生模型建立双向数据通道。多数字孪生模型包括数字孪生装备模型，数字孪生工艺模型以及数字孪生产品模型。按照一定的建造流程逻辑关系进行仿真，模拟实际建造车间运作、船舶中间产品制造工艺流程。多数字孪生模型建模表达式为：

式中，mdt’表示多数字孪生模型，edt’表示数字孪生装备模型，pdt’表示数字孪生工艺模型，pdt表示数字孪生产品模型，表示物理空间与数字孪生模型真实映射。

其次，根据数字孪生工艺模型对工艺参数的仿真结果，结合工艺推理，得到待优化的工艺参数，再结合深度神经网络算法，对工艺参数优化，最后将优化的工艺参数与历史数据融合，转化成智能设备可以识别的指令，通过接口下达至物理建造车间智能设备，调整船舶分段建造组立产品的工艺流程，从而实现船舶分段建造过程质量管控。

实施例三

数字孪生工艺模型的工艺推理过程如图3所示，船舶分段建造中间产品由零件、小组立、中组立以及大组立组成，将零件与机械加工工艺，小组件、中组立、大组立分别与装配工艺、焊接工艺匹配。其中，机械加工工艺参数包括尺寸、形状、板材厚度以及表面粗糙度等参数；装配工艺参数包括尺寸精度、位置精度以及垂直度等参数；焊接工艺参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、气体流量以及电源极性等参数，工艺推理能够推导出工艺参数造成的质量缺陷，经过数字孪生工艺模型进一步确认，从而准确掌握影响建造质量的工艺参数，便于后续的工艺参数优化。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。