CN113467319A - 一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统及其调控方法。属于船舶装备智能制造技术领域，以智能胎架实体系统(船舶分段、智能胎架、胎架移动轨道及智能胎架数据采集系统)为物理对象，建立了相对应的智能胎架实体系统数字对象，构建了可视交互模块(智能胎架实体系统的孪生模型、数据处理模块及实时显示与控制模块)，并同时构建了物理对象与数字对象间数据同步传输通道。本发明通过构建智能胎架实体系统数字孪生体，实现了智能胎架的可视化调控，具有可视化程度高、交互手段好等优点，可显著提高船舶分段建造的智能化水平。

Description

一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统及其调控 方法

技术领域

本发明涉及船舶装备智能制造技术领域，具体地，涉及一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统及其调控方法。

背景技术

现有技术中，胎架是制造船舶曲面分段和曲形立体分段的形状胎膜和工作台，是船舶建造过程中的最普遍、最重要的海工装备，其先进水平直接影响着造船行业的发展。但目前胎架的智能化还普遍较低，专利CN109760799A公开了一种面向船舶分段建造的智能胎架系统，可实现胎架的位置调整和高度调节，但无法直观展示胎架运行状态，也无法实现胎架的智能调控。

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的实际运行过程。通过数字孪生技术能够有效解决上述胎架在船舶分段建造过程中相关问题，基于此,本发明提出了一种基于数字孪生的可视化程度高、交互手段好的智能胎架远程调控系统及方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供了一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统及其调控方法。

技术方案：本发明所述的一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统，所述智能胎架三维可视化调控系统包括通过通信控制装置模块相互连接的智能胎架实体系统及可视交互模块；

所述智能胎架实体系统包括船舶分段、若干个智能胎架、胎架移动轨道及智能胎架数据采集系统；其中，所述船舶分段安设在任意一组智能胎架上，所述的智能胎架安设在胎架移动轨道上；

所述可视交互模块包括智能胎架实体系统的孪生模型、数据处理模块及实时显示与控制模块；

所述通信控制装置模块包括数据传输模块和胎架控制模块。

进一步的，所述智能胎架数据采集系统包括智能胎架运行数据采集模块及船舶分段形位数据采集模块；

其中，所述智能胎架运行数据采集模块包括附着于智能胎架上的温度、压力、位移各类传感器及电机控制器；

所述船舶分段形位数据采集模块为安装在可移动云台上的三维激光扫描仪。

进一步的，所述智能胎架实体系统的孪生模型包括智能胎架实体系统几何模型、场景模型及胎架运行规则模型。

进一步的，所述智能胎架实体系统几何模型包括船舶分段、若干个智能胎架及胎架移动轨道的三维模型；

所述胎架运行规则模型包括：

当胎架即将运动到预期点位坐标时，降低胎架移动速度；

当胎架即将运动到预期高度时，降低胎架升高速度；

当胎架运行温度、胎架高度、胎架压力、电机电压、电机电流、电机转速超过预定值时，生成报警信息；

当船舶分段形位变化时，相应调高或降低胎架高度。

进一步的，一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统的调控方法，其实现智能胎架三维可视化调控的具体操作步骤如下：

步骤(5.1)：对若干个智能胎架进行编号，智能胎架运行数据采集模块实时采集胎架运行基础数据后，按照编号，通过通信控制装置模块将胎架运行基础数据发送至数据处理模块，同时船舶分段形位数据采集模块实时采集船舶分段形位数据，同样通过通信控制装置模块发送至数据处理模块；

步骤(5.2)：数据处理模块对接收到的胎架运行基础数据及船舶分段形位数据进行处理后，调用实时显示与控制模块进行可视化显示；

步骤(5.3)：智能胎架实体系统的孪生模型根据数据处理模块对胎架运行基础数据的处理结果自动更新，实现智能胎架实体系统运行状态的屏幕端同步三维虚拟展示；

步骤(5.4)：数据处理模块根据胎架运行规则模型，生成控制指令或报警信息，同时人工可通过实时显示与控制模块直接给定控制指令；其中，控制指令直接转发至通信控制装置模块；报警信息则通过调用实时显示与控制模块进行可视化显示；

步骤(5.5)：通信控制装置模块根据控制指令控制智能胎架中电机的动作，实现对智能胎架的调控，并重复步骤(5.1)至步骤(5.3)实现智能胎架实体系统调控状态的屏幕端同步三维虚拟展示。

进一步的，在步骤(5.1)中，所述采集到的胎架运行基础数据包括胎架点位坐标、移动速度、胎架运行温度、胎架高度、胎架升高速度、胎架压力、电机电压、电机电流及电机转速；

所述采集的船舶分段形位数据为自重条件下船舶分段变形数据及装焊变形数据。

进一步的，在步骤(5.3)中，智能胎架实体系统的孪生模型自动更新包括全部胎架位置、胎架高度、胎架支撑点位、船舶分段位置及船舶分段变形量。

有益效果：本发明与现有技术相比，本发明基于数字孪生技术构建船舶分段建造过程中智能胎架实体系统的数字孪生体，实现了智能胎架的运行状态可视化展示与调控，具有可视化程度高、交互手段好等优点，可显著提高船舶分段建造的智能化水平。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的操作流程图；

图3是本发明实例中智能胎架实体系统示意图；

图4是本发明实例中智能胎架支撑高度自适应调整方法流程图；

图5是本发明实施例中可视交互模块演示图；

图中，1是智能胎架实体系统，11是船舶分段，12是智能胎架，13是胎架移动轨道；

14是智能胎架数据采集系统，141是智能胎架运行数据采集模块，142是船舶分段形位数据采集模块；

2是可视交互模块，21是智能胎架实体系统的孪生模型,211是智能胎架实体系统几何模型，212是场景模型，213是胎架运行规则模型；

22是数据处理模块，23是实时显示与控制模块；

3是通信控制装置模块，31是数据传输模块，32是胎架控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所述，本发明所述的一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统，所述智能胎架三维可视化调控系统包括通过通信控制装置模块3相互连接的智能胎架实体系统1及可视交互模块2；

所述智能胎架实体系统1包括船舶分段11、若干个智能胎架12、胎架移动轨道13及智能胎架数据采集系统14；

其中，所述船舶分段11安设在任意一组智能胎架12上，所述的智能胎架12安设在胎架移动轨道13上，其可在胎架移动轨道13上移动；

所述可视交互模块2包括智能胎架实体系统的孪生模型21、数据处理模块22及实时显示与控制模块23；主要基于仿真软件unity3d实现；

其中，智能胎架实体系统的孪生模型21是基于智能胎架实体系统1的尺寸及胎架运行基础数据构建，主要步骤如下：

a、利用三维建模软件Solidworks分别建立船舶分段11、智能胎架12及胎架移动轨道13的三维模型；

b、将三维模型导入软件3dmax进行轻量化处理，把轻量化模型导入仿真软件unity3d中，根据胎架运行基础数据，构建船舶分段11建造的智能胎架系统虚拟场景。

所述通信控制装置模块3包括数据传输模块31和胎架控制模块32；

所述通信控制装置模块3主要是用于连接智能胎架实体系统1与可视交互模块2，其作用是实现船用智能胎架实体系统1与可视交互模块2之间的数据通信；

其主要由胎架控制模块32和数据传输模块31组成，其中胎架控制模块32用于胎架运动控制，数据传输模块31用于智能胎架实体系统1与可视交互模块2间的数据传输。

进一步的，所述智能胎架数据采集系统14包括智能胎架运行数据采集模块141及船舶分段形位数据采集模块142；

其中，所述智能胎架运行数据采集模块141包括附着于智能胎架12上的温度、压力、位移等各类传感器及电机控制器等；

所述船舶分段形位数据采集模块142主要为安装在可移动云台上的三维激光扫描仪。

进一步的，所述智能胎架实体系统的孪生模型21包括智能胎架实体系统几何模型211、场景模型212及胎架运行规则模型213。

进一步的，所述智能胎架实体系统几何模型211包括船舶分段11、若干个智能胎架12及胎架移动轨道13的三维模型；

所述场景模型212为使智能胎架实体系统几何模型211更加逼真的灯光、材质模型；

所述胎架运行规则模型213包括：

当胎架即将运动到预期点位坐标时，降低胎架移动速度；

当胎架即将运动到预期高度时，降低胎架升高速度；

当胎架运行温度、胎架高度、胎架压力、电机电压、电机电流、电机转速超过预定值时，生成报警信息；

当船舶分段形位变化时，相应调高或降低胎架高度。

进一步的，如图2所示，一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统的调控方法，其实现智能胎架三维可视化调控的具体操作步骤如下：

步骤(5.1)：对若干个智能胎架12进行编号，智能胎架运行数据采集模块141实时采集胎架运行基础数据后，按照编号，通过通信控制装置模块3将胎架运行基础数据发送至数据处理模块22，同时船舶分段形位数据采集模块142实时采集船舶分段11形位数据，同样通过通信控制装置模块3发送至数据处理模块22；

步骤(5.2)：数据处理模块22对接收到的胎架运行基础数据及船舶分段形位数据进行处理后，调用实时显示与控制模块23进行可视化显示；

步骤(5.3)：智能胎架实体系统的孪生模型21根据数据处理模块22对胎架运行基础数据的处理结果自动更新，实现智能胎架实体系统运行状态的屏幕端同步三维虚拟展示；

步骤(5.4)：数据处理模块22根据胎架运行规则模型，生成控制指令或报警信息，同时人工可通过实时显示与控制模块23直接给定控制指令；其中，控制指令直接转发至通信控制装置模块3；报警信息则通过调用实时显示与控制模块23进行可视化显示；

步骤(5.5)：通信控制装置模块3根据控制指令控制智能胎架12中电机的动作，实现对智能胎架12的调控，并重复步骤(5.1)至步骤(5.3)实现智能胎架实体系统调控状态的屏幕端同步三维虚拟展示。

进一步的，在步骤(5.1)中，所述采集到的胎架运行基础数据包括胎架点位坐标、移动速度、胎架运行温度、胎架高度、胎架升高速度、胎架压力、电机电压、电机电流及电机转速等，所述采集的船舶分段形位数据主要为自重条件下船舶分段变形数据及装焊变形数据等。

进一步的，在步骤(5.3)中，智能胎架实体系统的孪生模型自动更新主要包括全部胎架位置、胎架高度、胎架支撑点位、船舶分段位置及船舶分段变形量等。

实施例1：

如图3所示，本发明实施案例智能胎架实体系统包括船舶分段11、6个智能胎架12、胎架移动轨道13及智能胎架数据采集系统14，其中，智能胎架数据采集系统14通过温度传感器、压力传感器、位移传感器采集各个胎架运行基础数据，通过三维激光扫描仪采集船舶分段位置及变形数据；

通信控制装置模块3包括PLC和Zigbee节点，其中，采用PLC控制智能胎架实体的相关运动，基于Zigbee网络实现数据的无线传输；

可视交互模块2中，智能胎架实体系统的孪生模型21、数据处理模块22及实时显示与控制模块23分别基于虚拟现实开发引擎Unity 3D进行开发，其中，基于三维建模软件3dsMax、SolidWorks，构建了智能胎架实体系统的几何模型211和场景模型212，在Unity 3D中利用C#脚本创建胎架运行规则模型213，将脚本挂载在智能胎架实体系统几何模型211上，从而形成智能胎架实体系统的孪生模型21；

一方面，数据处理模块22通过接收通信控制装置模块3传输的各个胎架运行基础数据及船舶分段11位置及变形数据，不断更新智能胎架实体系统的孪生模型21；另一方面，在C#脚本中编写代码分别设定支撑高度预定值、压力预定值、温度预定值等，数据处理模块22将压力、温度、支撑高度等实测值与预定值对比分析，若超过预定值，自动生成报警信息及控制指令，通过实时显示与控制模块23弹框显示报警信息，提醒管理人员，同时通过Zigbee网络向PLC发送控制指令，控制智能胎架12运动，并重复对比分析步骤，若未超出预定值，重复对比分析步骤。

如图4，以压力测试为例，在智能胎架12支撑高度调整时，压力传感器实时测量智能胎架12的支撑压力值，通过通信控制装置模块3发送至数据处理模块22，数据处理模块22将压力实测值与压力预定值对比分析，若实测压力值高于压力预定值，自动生成压力过高的报警信息，并通过实时显示与控制模块23弹框显示压力报警信息，同时，生成暂停智能胎架12支撑高度调整的控制指令，通过Zigbee网络发送至PLC，PLC驱动步进电机控制智能胎架暂停支撑高度调整，并重复上述步骤；若实测压力值小于压力预定值，则重复上述步骤。

如图5所示，在Unity 3D中分别创建胎架B1、胎架B2、胎架C1、胎架C2、胎架D1、胎架D2、通信连接按钮，鼠标点击胎架名称按钮，实现智能胎架状态信息(温度、所受压力、支撑高度、位置、以及升降状态和运动方向等)的显示与隐藏，点击通信连接按钮将人工给定控制指令发送至智能胎架PLC，驱动智能胎架运动，根据胎架支撑高度、位置实时数据来更新几何模型的运动状态，使智能胎架几何模型和实体同步运动，实现物理设备到虚拟模型的实时映射。

Claims (7)

1.一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统，其特征在于，所述智能胎架三维可视化调控系统包括通过通信控制装置模块相互连接的智能胎架实体系统及可视交互模块；

所述智能胎架实体系统包括船舶分段、若干个智能胎架、胎架移动轨道及智能胎架数据采集系统；其中，所述船舶分段安设在任意一组智能胎架上，所述的智能胎架安设在胎架移动轨道上；

所述可视交互模块包括智能胎架实体系统的孪生模型、数据处理模块及实时显示与控制模块；

所述通信控制装置模块包括数据传输模块和胎架控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统，其特征在于，所述智能胎架数据采集系统包括智能胎架运行数据采集模块及船舶分段形位数据采集模块；

其中，所述智能胎架运行数据采集模块包括附着于智能胎架上的温度、压力、位移各类传感器及电机控制器；

所述船舶分段形位数据采集模块为安装在可移动云台上的三维激光扫描仪。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统，其特征在于，所述智能胎架实体系统的孪生模型包括智能胎架实体系统几何模型、场景模型及胎架运行规则模型。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统，其特征在于，

所述智能胎架实体系统几何模型包括船舶分段、若干个智能胎架及胎架移动轨道的三维模型；

所述胎架运行规则模型包括：

当胎架即将运动到预期点位坐标时，降低胎架移动速度；

当胎架即将运动到预期高度时，降低胎架升高速度；

当胎架运行温度、胎架高度、胎架压力、电机电压、电机电流、电机转速超过预定值时，生成报警信息；

当船舶分段形位变化时，相应调高或降低胎架高度。

5.如权利要求1、2、3和4所述的一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统的调控方法，其特征在于，其实现智能胎架三维可视化调控的具体操作步骤如下：

步骤(5.1)：对若干个智能胎架进行编号，智能胎架运行数据采集模块实时采集胎架运行基础数据后，按照编号，通过通信控制装置模块将胎架运行基础数据发送至数据处理模块，同时船舶分段形位数据采集模块实时采集船舶分段形位数据，同样通过通信控制装置模块发送至数据处理模块；

步骤(5.2)：数据处理模块对接收到的胎架运行基础数据及船舶分段形位数据进行处理后，调用实时显示与控制模块进行可视化显示；

步骤(5.3)：智能胎架实体系统的孪生模型根据数据处理模块对胎架运行基础数据的处理结果自动更新，实现智能胎架实体系统运行状态的屏幕端同步三维虚拟展示；

步骤(5.4)：数据处理模块根据胎架运行规则模型，生成控制指令或报警信息，同时人工可通过实时显示与控制模块直接给定控制指令；其中，控制指令直接转发至通信控制装置模块；报警信息则通过调用实时显示与控制模块进行可视化显示；

步骤(5.5)：通信控制装置模块根据控制指令控制智能胎架中电机的动作，实现对智能胎架的调控，并重复步骤(5.1)至步骤(5.3)实现智能胎架实体系统调控状态的屏幕端同步三维虚拟展示。

6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统的调控方法，其特征在于，

在步骤(5.1)中，所述采集到的胎架运行基础数据包括胎架点位坐标、移动速度、胎架运行温度、胎架高度、胎架升高速度、胎架压力、电机电压、电机电流及电机转速；

所述采集的船舶分段形位数据为自重条件下船舶分段变形数据及装焊变形数据。

7.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的智能胎架三维可视化调控系统的调控方法，其特征在于，

在步骤(5.3)中，智能胎架实体系统的孪生模型自动更新包括全部胎架位置、胎架高度、胎架支撑点位、船舶分段位置及船舶分段变形量。

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