一种数字孪生车间物料准时配送方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种数字孪生车间物料准时配送方法及系统，该方法包括：步骤1，车间物流系统虚拟模型构建；步骤2，工艺完成时间预测，首先以单个工人操作完成时间为变量，建立操作节点完成时间预测模型；然后以操作节点完成时间预测模型为基础进行操作节点完成时间的预测；进一步，对工步、工序和工艺的完成时间进行预测；步骤3，进行无碰路径规划；步骤4，物料准时配送任务下发，包括进行任务队列生成、路径时间评估、任务下发机制和准时度评价，实现物料配送任务的准时下发；步骤5，数字孪生车间物料准时配送。本发明专利技术能够在一定程度上解决数字孪生车间物料配送与工艺推进不同步的问题，为车间物料配送系统开发提供可靠的技术保障。

A method and system of material on time delivery in digital twin workshop

【技术实现步骤摘要】
一种数字孪生车间物料准时配送方法及系统
本专利技术属于工业数字化和计算机科学领域，具体涉及一种数字孪生车间物料准时配送方法及系统。
技术介绍
面对全球日益复杂的竞争形势，离散制造企业纷纷向数字化、信息化进行转型，以提高生产效率，增强企业核心竞争力。数字孪生技术作为信息物理融合的一种重要手段，受到了日益广泛的关注。与此同时，数字孪生车间的建设也对物料的实时配送提出了更高的要求，传统的物料配送模式已经成为影响数字孪生车间运行效率的瓶颈环节。工艺执行和物料配送是生产过程的重要组成部分。理想情况是物料配送按照工艺执行的需求进行实时配送，但是在实际生产过程中，工艺执行往往提前完成或者滞后完成，存在着工艺完成时间不确定的问题，而物料配送系统无法及时响应这些变化；物料配送过程中也会因为路径冲突等原因而出现配送不准时、配送效率低的问题。这些问题导致了工艺执行和物料配送无法同步进行，严重影响了数字孪生车间的运行效率，因此目前迫切需要一种数字孪生车间物料准时配送方法及系统。
技术实现思路
本专利技术的技术解决方案是：针对数字孪生车间中物料配送不准时的问题，以数字孪生车间为基础，提出了一种数字孪生车间物料准时配送方法及系统，该方法可以实现数字孪生车间物料的准时配送，显著提高数字孪生车间的运行效率。本专利技术的技术方案如下：一种数字孪生车间物料准时配送方法，包括以下步骤：步骤1，车间物流系统虚拟模型构建，用于构建工艺模型、地图模型、人员模型、任务模型和移动设备模型；步骤2，工艺完成时间预测，首先以单个工人操作完成时间为变量，建立操作节点完成时间预测模型；然后以操作节点完成时间预测模型为基础进行操作节点完成时间的预测；进一步，对工步、工序和工艺的完成时间进行预测；步骤3，进行无碰路径规划，物料配送需要同时对有轨的AGV自动导引车和无轨的辅助设备进行路径规划，以时间窗模型为基础，建立多模型通信机制，实现混合环境下时间可控的无碰路径规划；步骤4，物料准时配送任务下发，包括进行任务队列生成、路径时间评估、任务下发机制和准时度评价，实现物料配送任务的准时下发；步骤5，数字孪生车间物料准时配送，包括模型管理、工艺完成时间预测、无碰路径规划、准时配送任务下发和基础数据管理，能够实现物料的准时配送。进一步的，所述步骤1的工艺模型构建，分为操作节点建模、工步建模、工序建模和工艺建模；所述操作节点建模包括节点名称、执行要素、工时信息、约束条件、下一节点属性；并完成工步、工序和工艺模型的构建，使总装工艺层次化组织，从而明确相互之间的约束关系；所述工艺模型中的动态属性与孪生车间的孪生数据中心进行通信，实时交互，确保实时性。进一步的，所述步骤1的地图模型构建，包括构建栅格模型、拓扑图模型、数据模型、行为模型和规则模型；其中栅格模型和拓扑图模型由数字孪生车间的实时三维模型演化而来，确保了模型的准确性和实时性；数据模型用于存储地图相关的数据，行为模型明确地图中各个要素的行为规律和特性参数，规则模型中添加模型要素的约束规则。进一步的，所述步骤1的人员模型构建，包括数据模型、行为模型和规则模型；数据模型；包括人员的基本信息、工作职责、历史数据和在岗状态信息；行为模型明确人员的行为，包括上岗、下岗、工作和空闲状态；规则模型包括人员的权限范围和约束条件。进一步的，所述步骤1的任务模型构建，包括任务类型、任务状态、优先级、任务信息、约束条件属性，为任务生成和任务下发提供支持。进一步的，所述步骤1的移动设备模型构建，包括数据模型、行为模型、几何模型和规则模型的构建，数据模型主要包括设备的基础信息、任务状况、动力学参数和历史信息数据；行为模型明确设备的行为，包括工作、等待、空闲、充电和维修状态；几何模型包括设备的位置、形状和几何参数信息；规则模型指定了设备的运载范围、调度原则和维护规则约束条件。进一步的，所述步骤2的建立单个工人操作节点完成时间预测模型包括以下几个步骤：A、数据采集，由车间的孪生数据中心提取单个工人近期操作节点完成时间，从而形成原始数据序列；B、数据预处理，进行数据规范化，将数据按一定比例进行缩放，使其落入一个预定区间；C、预测模型构建，通过操作节点完成时间数据序列，构建出能够对下一操作节点完成时间进行预测的模型；D、模型检验，用于对构建出的模型的准确度进行校验，保证模型的准确性，若不满足精度要求，则对模型进行修正，直至满足要求。进一步的，所述步骤C的预测模型包括灰色理论模型。进一步的，所述步骤2的工步、工序和工艺完成时间的预测是在操作节点时间预测的基础上进行的，通过节点之间的约束关系，进行计算；对于串行的节点，则完成时间是各个节点的累加和；而对于并行的节点，则取其中的较大值作为完成时间。进一步的，所述步骤3的时间可控的无碰路径规划能够同时为多AGV和无轨辅助设备进行路径规划。车间的物料配送任务包括两类，零部件转运和辅助设备转运；其中零部件转运采用有固定导轨的AGV进行转运，而辅助设备采用没有导轨的移动设备进行转运；AGV路径规划过程如下：AGV沿固定导轨行进，采用地图模型中的拓扑图模型进行路径搜索；路径搜索时，加入时间窗模型，从而避免多AGV之间的碰撞；无轨移动设备路径规划如下：无轨移动设备没有固定路径，采用地图模型中的栅格图模型进行路径搜索，加入时间窗，从而避免无轨移动设备之间的碰撞；模型交互机制为：对于AGV与无轨移动设备之间的碰撞通过拓扑图模型中的时间窗和栅格图模型中的时间窗之间的交互来解决。进一步的，所述步骤4的任务队列生成包括如下步骤：遍历工艺中所有的操作节点，对于每一个操作节点，首先获取其物料转运需求，然后根据工艺完成时间预测得到的时间计算出需求时间，最后将其作为一个任务加入任务队列。进一步的，所述步骤4的路径时间评估包括如下步骤：首先获取到路径规划模块为该任务规划好的路径，然后获取执行该任务的设备的运动学参数信息，包括速度、转弯半径、转弯时间，最后根据设备的参数估算出路径所需的时间。进一步的，所述步骤4的任务下发机制包括如下步骤：首先获取到任务对应的路径评估的时间、任务时间戳，然后计算出任务的下发时间，之后将其加入待执行队列，等待时钟触发执行。进一步的，所述步骤4的准时度评价，评价指标包括总不准确时间、平均不准确时间和平均不准确率，进行物料配送准时度的评价与验证。进一步的，所述步骤5的数字孪生车间物料准时配送的配送模块包括接口层、模型层、算法层和应用层；接口层用于和数字孪生车间的数据交互，包括数据的获取和控制指令的下发；模型层是指车间物流系统虚拟模型，包括工艺模型、地图模型、设备模型、任务模型和人员模型；算法层包括工艺完成时间预测算法、任务生成算法、模型交互算法、路径搜索算法和任务下发时间算法，供应用层调用；应用层是在接口层、模型层和算法层的基础上构建的，包括模型管理、工艺完成时间预测、无碰路径规划、准时配送任务下发和基础数据管理模块。根据本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，车间物流系统虚拟模型构建，用于构建工艺模型、地图模型、人员模型、任务模型和移动设备模型；/n步骤2，工艺完成时间预测，首先以单个工人操作完成时间为变量，建立操作节点完成时间预测模型；然后以操作节点完成时间预测模型为基础进行操作节点完成时间的预测；进一步，对工步、工序和工艺的完成时间进行预测；/n步骤3，进行无碰路径规划，物料配送需要同时对有轨的AGV自动导引车和无轨的辅助设备进行路径规划，以时间窗模型为基础，建立多模型通信机制，实现混合环境下时间可控的无碰路径规划；/n步骤4，物料准时配送任务下发，包括进行任务队列生成、路径时间评估、任务下发机制和准时度评价，实现物料配送任务的准时下发；/n步骤5，数字孪生车间物料准时配送，包括模型管理、工艺完成时间预测、无碰路径规划、准时配送任务下发和基础数据管理，能够实现物料的准时配送。/n

【技术特征摘要】
1.一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，车间物流系统虚拟模型构建，用于构建工艺模型、地图模型、人员模型、任务模型和移动设备模型；
步骤2，工艺完成时间预测，首先以单个工人操作完成时间为变量，建立操作节点完成时间预测模型；然后以操作节点完成时间预测模型为基础进行操作节点完成时间的预测；进一步，对工步、工序和工艺的完成时间进行预测；
步骤3，进行无碰路径规划，物料配送需要同时对有轨的AGV自动导引车和无轨的辅助设备进行路径规划，以时间窗模型为基础，建立多模型通信机制，实现混合环境下时间可控的无碰路径规划；
步骤4，物料准时配送任务下发，包括进行任务队列生成、路径时间评估、任务下发机制和准时度评价，实现物料配送任务的准时下发；
步骤5，数字孪生车间物料准时配送，包括模型管理、工艺完成时间预测、无碰路径规划、准时配送任务下发和基础数据管理，能够实现物料的准时配送。


2.根据权利要求1所述的一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，所述步骤1的工艺模型构建，分为操作节点建模、工步建模、工序建模和工艺建模；所述操作节点建模包括节点名称、执行要素、工时信息、约束条件、下一节点属性；并完成工步、工序和工艺模型的构建，使总装工艺层次化组织，从而明确相互之间的约束关系；所述工艺模型中的动态属性与孪生车间的孪生数据中心进行通信，实时交互，确保实时性。


3.根据权利要求1所述的一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，所述步骤1的地图模型构建，包括构建栅格模型、拓扑图模型、数据模型、行为模型和规则模型；其中栅格模型和拓扑图模型由数字孪生车间的实时三维模型演化而来，确保了模型的准确性和实时性；数据模型用于存储地图相关的数据，行为模型明确地图中各个要素的行为规律和特性参数，规则模型中添加模型要素的约束规则。


4.根据权利要求1所述的一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，所述步骤1的人员模型构建，包括数据模型、行为模型和规则模型；数据模型；包括人员的基本信息、工作职责、历史数据和在岗状态信息；行为模型明确人员的行为，包括上岗、下岗、工作和空闲状态；规则模型包括人员的权限范围和约束条件。


5.根据权利要求1所述的一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，所述步骤1的任务模型构建，包括任务类型、任务状态、优先级、任务信息、约束条件属性，为任务生成和任务下发提供支持。


6.根据权利要求1所述的一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，所述步骤1的移动设备模型构建，包括数据模型、行为模型、几何模型和规则模型的构建，数据模型主要包括设备的基础信息、任务状况、动力学参数和历史信息数据；行为模型明确设备的行为，包括工作、等待、空闲、充电和维修状态；几何模型包括设备的位置、形状和几何参数信息；规则模型指定了设备的运载范围、调度原则和维护规则约束条件。


7.根据权利要求1所述的一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，所述步骤2的建立单个工人操作节点完成时间预测模型包括以下几个步骤：
A、数据采集，由车间的孪生数据中心提取单个工人近期操作节点完成时间，从而形成原始数据序列；
B、数据预处理，进行数据规范化，将数据按一定比例进行缩放，使其落入一个预定区间；
C、预测模型构建，通过操作节点完成时间数据序列，构建出能够对下一操作节点完成时间进行预测的模型；
D、模型检验，用于对构建出的模型的准确度进行校验，保证模型的准确性，若不满足精度要求，则对模型进行修正，直至满足要求。


8.根据权利要求7所述的一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，所述步骤C的预测模型包括灰色理论模型。


9.根据权利要求1所述的一种数字孪生车间物料准时配送方法，其特征在于，所述步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶飞，张连超，刘蔚然，邹孝付，左颖，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11