[发明专利]一种基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统及其调度方法

权利要求书

1.一种基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统，其特征在于：包括实体层、通信层和虚拟层，其中通信层作为连接实体层和虚拟层的桥梁；虚拟层内构建有与物理层对应的孪生模型和数据；物理层采集现场数据并通过通信层传输给虚拟层；虚拟层根据孪生模型和采集的现场数据生成初始的现场作业计划以及调整后的现场作业计划，并将作业计划数据通过通信层下发给物理层，对物理层的现场调度进行管控；

其中，物理层包括堆场场地、建造对象、建造资源以及数据采集设备共同构成船舶堆场作业调度的物理世界；数据采集设备包括RFID扫码设备、视频图像采集装置；RFID扫码设备采集分段的进出堆场的时间、分段堆位以及分段的几何参数数据；视频图像采集装置监控调度进程状况和分段干涉情况数据；物理层通过通信电缆与通信层连接；堆场场地含场地规模、空间布局和时间分布情况；建造对象为船舶分段；建造资源包括装配与焊接机器人、装配与焊接生产线、吊车、运输平板车和堆场场地；

每一个建造对象都有相对应的RFID标签，包含了分段的编码、重量、尺寸、分段的进出场时间以及分段的实际场地位置信息；每一个堆场场地都有对应的RFID标签，包含了场地的尺寸信息、吊装能力信息、装焊能力信息和堆场的场地布局信息；堆场的场地布局信息包括空间布局和时间分布；

建造资源包括吊装设备、平板小车、装焊设备以及施工队，都有对应的RFID射频采集系统、多目立体视觉采集系统以及网络通讯模块，实现建造资源的工作能力、实时位置和设备故障状态的采集和监控；其中，RFID数据采集器采用固定式或移动式的数据采集器，网络通讯模块采用WIFI或蓝牙模块；

通信层包括通信设备，通信设备分别通过CAN总线、OPC总线及Modbus总线与通信层的数据采集设备连接；通信设备同时通过网络与虚拟层连接，将数据采集设备采集的数据传输给虚拟层；

虚拟层包括控制模块、现场设备数据以及数字模型；控制模块包括计划排产模块、作业调度模块、调度仿真模块、现场信息采集模块和孪生数据融合模块；计划排产模块对初始导入的人员、分段信息或初始调度计划利用智能算法排产或手动排产，并将排产后的调度计划传输给调度仿真模块和作业调度模块，调度仿真模块将生成的调度计划传输给外部数字化仿真软件进行仿真和优化；

作业调度模块下发指令到现场实施调度；调度仿真模块向计划排产模块实时传递仿真数据，计划排产模块向作业调度模块实时传递控制命令；现场信息采集模块对现场数据进行采集并传输给孪生数据融合模块，孪生数据融合模块将采集后的数据和仿真数据进行融合、分析；数字模型对调度实体对象的物理特征参数进行映射；现场信息采集模块下发信息采集指令并通过信息层下达给实体层的数据采集设备；数据融合模块对物理层上传的采集信息进行数据的分析与融合；

上述堆场作业调度系统在工作时，将船舶分段作业调度的数字化仿真的虚拟过程和实体堆场调度过程通过孪生数据实时交互；通过安装在实体堆场的信息采集设备采集各种所需要的信息，通过通信层的各种通信设备及时上传给虚拟层，虚拟层根据数据对实体堆场调度进行分析与优化，从而实现对现场设备参数、作业过程和工作人员的实时监测；

上述基于孪生数据的船舶堆场作业调度系统的调度方法，具体步骤如下：

步骤1，将分段、场地、设备的各种信息文件以及信息采集模块采集的初始堆场信息文件以数据表的形式通过数据交互接口导入虚拟信息层；虚拟层中的计划排产模块依据导入的信息文件选择手工排产或智能算法进行调度计划排产，最终生成初始的分段堆场建造作业计划；

步骤2，在调度仿真模块中基于数据驱动的建模仿真技术建立所需的分段、场地、环境、工作人员和现场设备的二维布局模型和三维动态模型，并在虚拟环境中对分段进出堆场过程进行动态仿真；构建模型和过程仿真的软件包括Quest、Unit 3D，Plant Simulation；

步骤3，调度人员对仿真是否合理进行判断，若仿真过程满足调度计划要求，则允许执行排产/调度方案，若仿真结果不满足要求，需返回计划排产模块或作业调度模块对原有计划进行修改；

步骤4，现场信息采集模块通过通信层向物理层的数据采集设备下发信息采集指令；数据采集设备采集场地布局数字化信息，并检测设备运行情况以及分段的调度情况，将现场采集信息传输至虚拟层的计划排产模块、作业调度模块和调度仿真模块，并作为计划调整与仿真优化的数据源；所述现场采集信息为分段位置信息和设备运行数据；

步骤5，施工队依据现场设备采集的信息判断实体层的堆场作业是否存在分段干涉、计划延时异常情况，若不存在异常则表示堆场调度完成，若存在异常，需要对作业调度系统重新配置计划参数，并返回虚拟层的作业调度模块依据一定的策略进行重调度；重新配置计划参数包括分段堆位和进出堆场日期。