数字孪生在工业制造领域场景中的应用

2023-10-26 09:55:00
智汇云舟
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典型场景一:工业制造网络数字孪生

通过工业制造网络数字孪生建设,网络的数字通信保障,以 5G、物联网为触点和抓手,以交互式网络可视化技术,通过数据驱动和实时反馈,实现网络的双向闭环控制。

支持工业网络通信情况实时监控、灾害模拟、业务预测和应急预案等,为网络智能化和自动化提供手段。通过室内外三维空间场景建模,融合物联网、视频采集、实时定位等感知数据,帮助工厂,实现基于工业生产的高效数字化运营。

1)实时监控

通过数字孪生体开发设计工厂及网络组网的物理空间模型和虚拟模型。物理空间模型即 CIM 模型,融合 GISBIM、几何建模等技术,完成基础的城市模型和网络机房外部模型构建,虚拟模型孪生即建立虚拟机、云服务器、网元等的镜像模型,通过 SNMP/Telemetry等采集协议、实现虚拟对象间及其与物理对象之间的实时动态数据采集。

基于孪生体交互式的可视化技术以及 SDN/NFV 等技术,全息呈现网络实时状态,实现网络中各种网元、拓扑信息的动态可视化呈现,实现网络全生命周期的动态变化过程的全息呈现,包括实时状态、业务量、业务负荷、故障告警等。

2)网络保障

通过接口采集并存储网络实体的各种配置和运行数据形成数据仓库,基于数据仓库中的网络及业务相关的数据, 利用深度学习、机器学习等人工智能算法对业务预测、网络性能预测、网元运行等场景进行一一建模, 通过数据仓库不断补充、更新训练数据到模型中, 对模型进行更新迭代, 形成 AI模型的自适应机制, 以实现更加精确的业务预测,随着数字孪生系统的演进,可接入更多的知识模型,甚至外部AI 能力。

基础模型结合功能模型,完成对物理网络的确保及预测。通过对网络通信业务量、业务质量、业务负荷实时动态阈值监测,预测分析网络故障原因;通过网络业务预测能力,在线调整参数配置,从而有效降低验证成本,使网络性能保持在最佳状态,同时提高了网络故障解决效率,节省网络维护成本。

3)应急预案

工业制造场景管道及网络较为复杂,并且链接的通讯设备种类多、数量大,当出现告警时无法在第一时间得到响应,在处理过程中临时讨论制定方案,导致处理故障效率低,处理时间长。
网络数字孪生通信保障依托虚拟现实技术、网络多维模型、融合物联网、实时定位等感知数据,通过大屏指挥系统,以可视化形式展示各项网络应急要素信息。

根据数字孪生网络的模拟推演,通过内置的应急方案结合AI 智能分析,当突发事件发生时,自适应套取应急方案,为决策提供有效的优化依据。此外,还可结合历史运行数据,进行预案模拟仿真演练,提高对突发网络事件的处理能力。

典型场景二:新能源汽车自动换电站管理

通过数字孪生技术,将实时的基础数据、物联网设备、自动充电换电等技术进行了整合,通过可视化的管理方式,实时、动态、直观地对换电站进行了全方位管理,打造无人值守换电站管理系统。

新一代无人值守换电场景中,工人可通过大屏展示的基础信息、实时动画、视频监控、故障告警、运维百科、远程控制等对换电站进行全方位的管理和监控。无人换电站的概念本身就很超前,而数字孪生技术的加持更是让成为无人换电站管理效率成倍提高。通过故障定位、换电流程、告警监控三大可视化功能,有效降低了换电站的人力成本,同时大幅度提升了运维效率。

1)换电服务网络全景展示

全辖区内的无人换电站的信息通过一屏进行全景展示,通过从地球层级逐层下钻展示各国、各省市、各区域的换电站信息和关键性指标。通过区域运维大屏,可清晰展示某地区换电站的关键性指标,通过点位标识区分换电站是否正常运行,也能通过点位查看换电站其余指标。这对该区域运维人员来说,可至少提升 30%的工作效率。

2)换电全流程可视化

整个换电场景半透明化,换电过程将实时展示在运维平台。此前一代换电站整体过程还需人工介入,大约在 6-7 分钟左右,而全新一代换电站,车辆在待停区开始就开始进入全自动换电流程的可视化管理,系统会先检测车辆是否已经泊位,进行安全认证后开合门打开,开始解锁换电等一系列过程,整体仅耗时 3 分钟左右。

3)告警监控可视化

平台会全程进行监控可视化管理,整体换电过程中,监测出电池、选电池、装电池等整个过程。若在换电过程中出现卡壳、故障等告警,系统也会在第一时间通过监控视频及告警位置联动,对换电站实时画面进行展示,此时运维人员可率先知晓问题环节,及时通过远程下发指令,对换电站进行远程排除故障操作。

典型场景三:工厂定制化产线管理

数字孪生工厂通过虚拟现实、信息融合和数据驱动,实现了工厂管理从线下到线上的孪生,从信息孤岛到数字智能的转型等数字孪生带来的模式优势;

孪生工厂从可视、同步、融合角度为用户实现了工厂运营与管理的透明,通过人、机、物、法、环的全面信息融合,以及人机干预下生产过程的同步呈现,使用户能够集中地掌握生产节奏、产品产能、业务动态等信息,及时作出管理决策的调整,从而对生产环节进行优化提高产能、对生产过程的能耗进行降低监控双碳、对生产设备的运维管理能力进行提升提高效率。

1)综合管理一张图

数字孪生工厂运用数字孪生技术对工厂产线场景进行了1:1真实花园,同时还原工厂动态作业场景并进行驱动,实现了工厂产线作业场景全方位实时动态还原,设备作业视角灵活切换,物料在产线中的运转契合实时状态,AGV 所承载物资流转路径可视。同步经过对于多源信息化系统的接入,实现对现场生产状态、物资储存状态、产品发运状态的综合呈现,真正实现工厂生产执行的一图综管。

2)基于实时、仿真双维度数据驱动生产设备

孪生工厂根据现场实际作业需求对生产管线、加工设备、机器人等设施进行精细化还原,每类设施根据厂家、型号等不同进行模型衍生并接入实时数据进行作业姿态驱动。

同时设备支持通过对于历史数据、仿真数据的接入在场景中脱离实时生产状态进行设备仿真模拟,从而为孪生工厂所承载信息赋予历史回顾、未来仿真两不同时间维度管理能力,辅助工厂实现生产工艺优化与生产规划仿真。

3)产业链条协同管理

通过工业互联网连通产业上下游数据,以此为基础形成整体产业上下游联动赋能。通过平台与工业互联网体系的有效结合,支持供应商以数字孪生工厂为切入点了解现场自身产物存储状态,配合进行备料生产,降低现场库存压力与相应成本。

同时经由工业互联网体系下产品的唯一性这一特点,用户可以针对性了解到自身定制化产品的具体生产安排与交付计划。产品全生产信息与规划信息能够在孪生工厂内具有唯一性的针对呈现。

典型场景四:矿山智慧运营管理

通过建设数字孪生智能运营中心,实现矿山井下“采”“掘”“机”“运”“通”“排”等业务子系统的全场景可视化智能管理,进而满足矿山智慧运营管理的目标。

1)综合态势感知

智能运营中心利用数字孪生理念,打造智慧园区数字化管理空间,以数字信息、虚拟孪生体实现园区业务数据全融合、状态全可视、事件全可控,推进全园区、全环节、全过程实现智能化。

面向矿山领导、安监、调度等部门管理者提供园区运营态势分析,从监测预警、设备、环境、车辆、人员多个维度反映园区的整体运行态势,充分挖掘数据价值,结合物联网监测、安防视频监控、人车定位等系统,将分散、孤立的各类管理子系统进行全联接,实现多数据全融合、状态全可视、业务全可管、事件全可控,通过统一的数字孪生三维可视化平台实现智能管理,打通信息孤岛,梳理数据体系,融合多种生产要素,构建各类管理对象数字孪生体,实现从宏观到微观的全方位监视和管理,突破以人工管理为主的常规园区管理模式,解决传统模式中信息孤立、流通不畅、缺乏综合分析、难以共享、应对突发事件反应迟缓、安全隐患较大等问题。

2)运营告警中心

智能运营中心基于 web 图形化引擎的三维虚拟场景,实现全要素、全功能信息显示,使管理人员一目了然,直观地观察到相应系统运行状况,系统不间断运行监控园区内各系统状态,可以真正做到一天 24 小时,一周 7 天,一年 365 天,全时域对园区的运营告警状态统一监控管理。

面向运维值班人员对告警信息进行统一处理,使平台内的告警事件信息具备统一的信息标准,采用故障信息实时提示框的形式,在最短时间内定位系统故障位置,并根据需要将系统的故障报警信息推送园区运营中心和业务流程中心,自动发送至园区相应运维人员和相关领导的通讯工具上,实现园区预警派单、消息推送。

运营中心结合园区信息化建设成果,确保信息系统安全性和可用性;同时对园区安防、后勤、监测等系统集中监控并及时排除故障,将为园区信息系统的正常连续运营提供保障,实现园区的智能运营告警管理和不间断正常运营。

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