基于数字孪生的船舶制造车间管理系统

关键词：数字孪生；船舶制造；管理系统；人员定位；物联网；MQTT 协议；超宽带

随着智能制造2025 概念的提出，船舶工业作为我国重要的制造产业之一，智能化和数字化转型问题亟需解决。我国已是造船大国，在世界造船产量上常年位居前三，但我国的船舶制造业在生产效率、生产周期和生产质量上距离世界先进国家和地区还有不小差距， 要实施“ 中国制造2025”，就必须加快从制造大国转向制造强国的速度[1]。例如，150K 原油船船型，我国外高桥造船从开工到入坞的建造周期约为190d，是韩国现代重工的1.7 倍，差距显著。

总体而言，受限于数字化、网络化、自动化在实际船舶生产中的应用水平较低，船舶生产作业人员作业素质不高等实际情况，我国船舶产业的数字化与智能化生产水平普遍不高。具体来说体现在3 个方面，一是互联互通水平低、生产状态感知难、生产管控不透明；二是关键设备管理方式粗放，设备有效利用率低；三是设计信息完整性、物资齐套性不足，作业反馈不完整不及时，难以实现数字化的精细动态排产和精益量化派工[2]。

本文针对船舶制造车间中人员及关键设备进行建模，搭建了船舶制造车间数字孪生管理平台，为船舶制造数字化及智能化提供新的方法和思路。

本文提出如图1 的基于数字孪生的船舶中间件制造车间管理系统架构，该系统架构主要由物理车间层、数据处理层、虚拟模型层、应用展示层4 个主要层级构成。

1）物理车间层

物理车间层包含了实际船舶制造车间中的关键要素，包含了车间中的主要设备、工人和生产中的物料，这些物理要素构成了实现数字孪生车间的基础。物理车间中所采集的数据主要包含各类关键设备的状态数据，例如切割机运行状态、焊机运行状态、人员的运动状态，切割机和焊机等设备的状态信息通过现场可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC) 或数据采集模块进行数据的获取和传输，人员运动状态通过室内定位技术来获取和传输其数据。

2）数据处理层

数据处理层主要对物理车间中所传输的数据以及对车间中其他软件系统中的数据进行处理。对于车间中的所产生的数据主要可以分为2 种传输形式：一种是通过消息队列遥测传输协议(message queuing telemetry transport， MQTT) 直接传输至MQTT 服务器，MQTT 服务器再将数据处理之后发送给其他客户端进行调用；另一种是将各种历史数据通过上传至数据库的方式进行存储，利用关系型数据库如MySQL 进行一些关键信息的存储，方便上层利用合适的条件进行查找和调用。对于其他软件系统中的数据主要来源于公共数据库进行调用。

3）虚拟模型层

虚拟模型层是数字孪生模型的表现形式，利用数据处理层传递来的数据，驱动虚拟模型做出相应的状态变化或运动变化。虚拟模型层不只包含虚拟三维模型，同时还包含不同的数据模型。利用不同的数据模型实现不同三维模型之间的交互，以达到数据融合和数字孪生的效果。

4）应用展示层

应用展示层是该系统的整体展示形式，提供了数字孪生系统的交互界面和交互手段，将车间主要信息，包括：生产信息、人员信息、设备信息等以直观的图表及模型等形式展示给用户。应用展示层提供了2 种交互的手段， 一种是基于Web 的浏览器网页访问，另一种是基于虚拟现实客户端的访问。基于Web 对系统进行访问可以快速便捷地访问数字孪生车间，而基于虚拟现实客户端的访问手段则提高了用户沉浸式访问数字孪生车间的直观性。

2.1.1 MQTT 协议

MQTT 协议于1999 年首次发布，是一个基于TCP/IP 协议的轻量级即时通讯协议[3]，它基于发布/订阅的模式，通过将发布端和客户端之间建立可靠的连接来进行数据的传输，其消息传递极其简单且轻量化，主要用于因设备受限、低带宽、高延迟或不可靠通讯环境下[4]，广泛应用于车联网、智慧城市、智能家居、工业互联等场景和行业中[5]。

2.1.2 MQTT 服务器搭建

根据MQTT 协议的轻量性和可靠性，针对船舶制造车间中的信息数据复杂多样并且信息数据传输困难的特点，同时基于本文所研究的数字孪生系统的特点，这里采用一种基于MQTT 协议的物联网数据云服务的3 层架构，如图2 所示。

其中第1 层架构为信息发布端，车间现场服务器系统为信息发布端，将车间现场所产生的信息数据通过本地服务器或网 关进行收集，再利用MQTT 协议或HTTP 协议上传至云服务器中的MQTT 服务器或数据库。服务器是数据进行传输的主要中介手段，考虑到部署难度、经济成本等问题，本课题选择云服务器作为第2 层架构，云服务器会对信息发布端发布的信息数据进行处理，将处理过后的数据传输给相应的订阅端或存储在相应的数据库数据表内以供后期调用。

信息订阅端为第3 层架构，信息订阅端根据需求利用MQTT 协议不断的从云服务器中获取到所订阅的数据， 或根据特定的请求采用HTTP 协议进行调用数据库中的数据。本文采用三层架构的意义在于可以将前后端进行分离，即数字孪生系统Web 端架构采用浏览器/服务器模式（browser/server，B/S）架构，和传统的客户/服务器模式（client/server，C/S）架构不同。传统C/S 架构要求用户在使用相应的软件系统时必须先进行客户端应用的安装，这样对于用户来说会降低其使用的体验感，操作流程变得繁琐。而B/S 架构则不需要用户安装客户端，通过相应的浏览器，输入对应的网络地址即可进行访问，同时采用这种架构也有利于项目的更新和维护。

2.2.1 UWB 定位技术

超宽带(ultra wide band，UWB) 是一种无需载波，使用窄脉冲进行数据传播的短距离无线通信技术，其数据传输速度极高。目前常见的室内定位技术较多，主要包含红外线室内定位技术、超声波室内定位技术、蓝牙室内定位技术、RFID 室内定位技术、Wi-Fi 室内定位技术和UWB 室内定位技术等。基于UWB 的室内定位技术有以下优点[6]：传输速度较快、发射功率低、分辨率高、穿透能力强。

基于以上UWB 的优点，本文选择该方法来进行室内人员定位系统的搭建[7]，定位系统的硬件部分主要由定位基站和定位标签组成，定位系统主要通过测距算法和三边定位算法进行定位。首先通过计算标签对每个基站的距离然后再利用三基站到标签的距离做出3 个相交的圆，标签的坐标即是3 个圆的相交点[8]。标签与每个基站进行测距，然后主基站对测距信息进行汇总，将其他的子基站测距信息收集并传输至上位机中，上位机软件再利用三边定位原理进行标签坐标的解算[9]。UWB 定位系统测距精度为±5 cm，二维定位精度为±10 cm，每次定位时间需要80 ~130 ms，可以满足本文中人员定位实时性的需要。

2.2.2 定位系统搭建并实验验证

根据UWB 定位原理布置相应基站，本文中搭建人员定位系统主要由3 个基站和一个定位标签组成，将主基站连接至上位机即工作电脑上以接收其他基站传来的测距信息，主基站再利用串口协议连接至上位机[10]。

首先将主基站连接至电脑上位机，利用串口通讯协议，点击搜索串口将搜索到的串口即主基站与上位机进行连接，步骤主要包括3 个部分：

1）首先将上位机连接至电脑USB 口，利用串口进行搜索并连接到主基站；

2）根据剩余基站摆放位置坐标，将摆放的坐标输入至系统中；

3）开启定位，并连接至MQTT 服务器进行定位信息数据的传输。

在连接好主基站和上位机后需要根据场景布置剩余基站，首先将剩余基站进行通电使其运行，再根据实验场景的大小坐标设置各基站起始的坐标位置。利用红外测距仪进行室内场景的距离测量，将主基站的坐标位置设置为坐标原点位置即(0,0)，根据剩余基站摆放位置和测距仪的数据，设定剩余基站的坐标值；根据实际实验场地大小， 确定基站的位置[11]。具体基站布置图如图3 所示。

基站布置好后，在上位机中设定好坐标，将云服务器地址和端口以及基于MQTT 协议的消息代理服务器MQTT Broker 的用户名和密码输入上位机中对应位置中，将上位机连接至云服务器，连接到云服务器后，再将定位信息需要发布的主题输入到相应位置中，这里选择发布消息质量为Qos0，在所有相应设置输入完毕后，即可开启定位。

为方便查看通过上位机进行传输的信息数据流，本文利用桌面轻量测试客户端MQTTX 进行测试。同样地， 在MQTTX 中输入云服务器的IP 地址和MQTT Broker 所对应的端口后，即可连接至云服务器中的MQTT Broker，并订阅上位机中所发布消息的主题，在订阅指定主题后，即可接收到由上位机所发布的人员定位信息数据[12]。

图4 为测试用软件MQTTX 客户端界面图，图中左侧为连接至云服务器的IP 地址，客户端可以连续不停地接收由上位机传输的实时定位数据；图中右侧的信息框中每条信息数据包含了所订阅消息的主题、接收质量以及人员定位的坐标数据。右侧信息框数据不停地接收，意味着上位机的定位信息数据在不停地传输至云服务器，同时云服务器也在不停地分发至订阅相关主题的客户端。

图4 客户端订阅上位机人员定位数据

图5 为进行实验时人员定位图，上位机及各基站开启定位后，人员在实验条件下进行移动，进行传输的同时坐标信息不断地更正和刷新，意味着定位系统的定位功能在不断计算位置信息并将数据上传，从每条消息的间隔时间可以看出利用MQTT 协议进行人员信息的传输是稳定和可靠的[13]。

2.3.1 基于LabVIEW 的车间设备数据采集

焊机是船舶制造车间中常见的一种设备，主要应用于各种钢板、型材和组立的焊接过程。为实现船舶车间设备级别的管控，本课题选用了船舶制造车间中的典型设备——焊机，采用了一种基于LabVIEW 的焊机状态监测方法，如图6 所示为LabVIEW 采集数据的程序框架，图7 为焊机状态监测时产生的电流电压数据波形图。利用数据采集卡进行焊机主要参数的数据采集[14]，并借助MQTT 协议进行实时监测数据的传输，实现了焊机主要参数的状态监测，通过数据采集卡采集到的焊机数据首先经过采样和处理后再输入至自定义的数组中，可以通过存储到相应的文件进行焊机的状态参数采集。

2.3.2 基于MQTT 协议传输数据

焊机关键状态数据的传输利用MQTT 协议，图8 为利用MQTT 协议进行数据发布的程序框图，其中可以键入对应MQTT 服务器地址、端口以及相应的用户名和密码。

利用LabVIEW 客户端进行测试，对关键数据进行订阅，LabVIEW 所传输的焊机关键数据可以实时显示。

利用MQTT 协议可实现焊机关键数据的采集及传输，如图9 利用数字孪生系统进行接收焊机关键的关键状态数据。

船舶制造车间的虚拟模型主要包含两大部分，一部分是车间的主要元素组成部分，即组成车间的实体模型，主要包括车间中的产线及设备、车间人员模型、车间物料模型；另一部分则是构成整个车间场景的组成部分，包含车间的外部布局天空及地面、车间的光照系统、相机系统和交互系统。图10 为船舶车间数字三维模型结构图。

根据船舶制造车间布局图和船厂实际车间场景，可以在三维建模软件中建立好车间中设备、产线、物料、人员等元素的三维模型。根据对模型的具体要求，车间主要的设备包含有预处理线、型材切割机、板材切割机、焊机、油压机、三星辊、平面分段线、先行小组立线、人工工位的多孔钢平台、划线印字机及辊道、龙门吊、简易立体库等虚拟的三维模型。

模型建立完成后，添加相应光影效果并按照实际车间位置进行布局，可以得到船舶制造车间的虚拟车间总体概览图如图11 所示。

虚拟车间中的三维模型实时数据驱动主要分为2 个部分：一是设备状态数据的实时驱动，二是人员实时状态的驱动。下面分别以人员和设备2 个方面来实现模型的数据驱动，根据2.1.2 节中的数据服务架构，可以确定基本的数据驱动模型思路及数据流向如图12 所示。

1）人员状态的数据驱动

利用Unity3D 中的固有组件创建虚拟模型中的人员模型，在Unity3D 中每个模型的组件都会自带“ Transform”属性，该属性用于确定Unity3D中各组件在场景中的位置状态。根据2.1.2 节中所搭建的人员定位系统以及其上位机所传输至服务器的人员定位数据，确定虚拟世界中虚拟人员模型的位置。

在Unity3D 中创建脚本，同样利用MQTT 协议连接至MQTT 服务器，在接收到由MQTT 服务器所发布的关于人员坐标的信息后，即可实时更新人员坐标位置属性。

通过分析可知，由MQTT 协议传输的实时人员定位数据传输速率较快， 在Unity3D 中利用MQTT 协议获取到数据后利用相应的回调函数（在接收到指定参数后，对参数进行传参并调用相应的方法）即可在虚拟世界中实时驱动虚拟人物的位置状态产生变化[15]。

2）关键设备状态的驱动

与人员状态位置驱动原理相近，关键设备的状态数据同样可以利用MQTT 协议进行传输，一些关键状态数据可通过模型的外在物理运动进行展示，例如切割机切割头的移动位移、车间中行车的运动状态等，这些物理状态的变化同样可利用人员定位中所使用的方法，在获取相应模型的“Transform”组件后利用对应数据进行驱动。

另一类状态数据例如关键设备状态监测数据，此类数据传输速度较快则采用一种以图表文字和模型结合显示的方式来进行展示。这里使用的图表是Unity3D 中的开源插件XCharts，结合其具体的接口来创建对关键设备状态监测的图表或文字显示。

3）信息图表类数据驱动

借助云服务器数据库来对系统图表信息进行更新，数据更新的步骤如图13 所示。

将系统功能设计完成后，发布至网页，如图14所示。

系统主界面主要包含了主界面的UI 交互功能和主要的模型交互功能，主界面两侧主要包含了当前车间整体的产能和计划情况，同时本界面包含了船舶制造车间的整体虚拟产线模型以及所有设备模型的虚拟模型。

当点击设备或产线时，屏幕视角将会移动至所选中的设备或产线可以查看当前设备或产线状态信息及相关参数如图15 所示为某切割机的关键信息和参数状态的显示。

图16 为工位堆场物料信息的显示，物料堆场信息能对应显示当前物料堆场的基本信息与和与物料相关的数据信息模型。

人员信息界面如图17 所示，界面左右两侧分别显示了该人员及相关人员的信息模型展示，结合图中虚拟模型可以实时查看当前人员在虚拟车间中的移动轨迹。系统通过MQTT 协议实时获取UWB 定位器和UWB 标签的实时位置坐标数据， 在Unity3D 中， 根据接收到的相关人员的UWB 标签位置数据，通过定时器每2s 更新场景中对应人员的位置坐标属性来实现位置的实时更新，从而实现人员的实时定位功能。

物料信息界面如图18 所示，图中左侧显示了当前物料的统计信息，右侧则记录了当前车间中正在流转中的物料及其相关信息数据。

订单计划信息界面如图19 所示，该界面显示了订单计划的统计信息，以及各种不同订单的分类信息数据展示，该部分重点更在于探索船舶系统订单信息规划以及可视化交互方式，生产计划的调配和优化相关内容会作为团队未来对船舶系统的其他研究方向，但不作为本文的重点研究内容。

针对船舶中间件制造车间生产要素管理不清晰、生产问题不透明、生产信息不直观等问题，本文提出了以数字孪生技术为基础的船舶中间件制造车间管理系统。利用已有数据模型动物理车间，完成了从物理车间到虚拟车间的映射，解决了船舶制造车间中信息不能互联互通的痛点问题，对船舶制造车间乃至其他离散制造车间的相关问题提供了解决思路，具有一定参考意义。