作者：陶飛、戚慶林、張萌、程江峰丨來源：《數(shù)字孿生及車間實(shí)踐》

「 1. 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 」

數(shù)字孿生車間設(shè)備管控系統(tǒng)基于微服務(wù)架構(gòu)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的可拓展性。如圖1所示，整個(gè)微服務(wù)平臺(tái)包括設(shè)備管理、維修維保、備品備件、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、能耗管理、設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備仿真、計(jì)劃管理、報(bào)表管理、系統(tǒng)管理、外部接口管控12個(gè)服務(wù)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備孿生模型構(gòu)建、基本信息管理、健康狀況監(jiān)控、故障預(yù)測(cè)、能耗分析等功能。因此，數(shù)字孿生車間設(shè)備管控系統(tǒng)是一套基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備管理與健康評(píng)估系統(tǒng)，包含傳統(tǒng)設(shè)備管理系統(tǒng)的設(shè)備臺(tái)賬管理、設(shè)備運(yùn)行記錄、設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)、設(shè)備維修管理等功能，還包括基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備故障診斷與故障預(yù)測(cè)功能，能對(duì)設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行定期評(píng)估，為設(shè)備的智能運(yùn)維提供技術(shù)支撐。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

設(shè)備管控系統(tǒng)由CPS、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)處理、工控組態(tài)、虛擬仿真、PHM、TnPM七大技術(shù)支撐。CPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)；數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的虛實(shí)映射；大數(shù)據(jù)處理技術(shù)為車間設(shè)備系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)處理提供技術(shù)基礎(chǔ)；工控組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)及過程控制；虛擬仿真技術(shù)為設(shè)備運(yùn)行仿真、狀態(tài)仿真的基礎(chǔ)；PHM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的健康管控，包括故障預(yù)測(cè)、壽命預(yù)估、維修決策等；TnPM技術(shù)支撐了車間設(shè)備的預(yù)防性維保體系。

「 2. 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì) 」

系統(tǒng)總體架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、接口層、組件層、服務(wù)層、應(yīng)用層五層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。數(shù)據(jù)層主要包括基礎(chǔ)信息庫、設(shè)備清單庫、孿生模型庫、歷史數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的整合和管理，為軟件系統(tǒng)提供整體數(shù)據(jù)支撐。接口層作為設(shè)備管理系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的支撐，包括仿真工具接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口等。組件層是保障整個(gè)車間設(shè)備管控系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐，包括日志管理、任務(wù)管理、安全管理、插件管理、事務(wù)管理、OPC服務(wù)、組態(tài)控件等。服務(wù)層以服務(wù)的形式封裝了系統(tǒng)功能，包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的解析、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、算法庫調(diào)用、故障預(yù)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)等功能。應(yīng)用層面向使用用戶，提供了設(shè)備檔案管理、數(shù)據(jù)采集管理、設(shè)備運(yùn)行分析、故障管理等功能。

圖2 系統(tǒng)總體框架

「 3. 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì) 」

微服務(wù)架構(gòu)圍繞業(yè)務(wù)領(lǐng)域組件來創(chuàng)建應(yīng)用，這些應(yīng)用可獨(dú)立地進(jìn)行開發(fā)、管理和迭代，在分散的組件中使用云架構(gòu)和平臺(tái)式部署、管理和服務(wù)功能，使產(chǎn)品交付變得更加簡(jiǎn)單。微服務(wù)架構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）解決了復(fù)雜性的問題，在總量不變的情況下，將應(yīng)用程序分解為可管理的塊或服務(wù)，每個(gè)服務(wù)都以RPC或消息驅(qū)動(dòng)的API形式定義一個(gè)明確的邊界。

（2）這種架構(gòu)使每個(gè)服務(wù)都能夠?qū)Ｗ⒂谠摲?wù)的團(tuán)隊(duì)獨(dú)立開發(fā)。開發(fā)人員可以自由選擇任何有用的技術(shù)，只要該服務(wù)符合API接口合作協(xié)議。此外，由于服務(wù)被劃分為很多獨(dú)立的細(xì)小模塊，因此使用當(dāng)前技術(shù)重寫舊服務(wù)變得可行。

（3）微服務(wù)架構(gòu)模式使每個(gè)微服務(wù)都能獨(dú)立部署，開發(fā)人員不需要協(xié)調(diào)部署本地服務(wù)的變更，這些變化可以在測(cè)試后盡快部署。

（4）微服務(wù)架構(gòu)模式使每個(gè)服務(wù)都可以獨(dú)立調(diào)整，并且使用最符合服務(wù)資源要求的硬件。

綜合微服務(wù)架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，結(jié)合應(yīng)用需求，使用的系統(tǒng)技術(shù)如圖3所示。在容器Docker中，使用Spring Boot、MVC、MyBatis、Druid等開發(fā)核心框架、視圖框架、持久層框架以及數(shù)據(jù)庫連接池。使用負(fù)載均衡以及API網(wǎng)關(guān)完成接入工作，在服務(wù)與前端之間存在中間件，包括分布式緩存、日志管理、單元測(cè)試、API接口文檔、定時(shí)任務(wù)、消息中間件、倉庫管理以及代碼生成器。開發(fā)語言不限于Java、C語言和Python，數(shù)據(jù)庫使用MySQL/Oracle等。使用Spark Hadoop進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，考慮菜單權(quán)限、按鈕權(quán)限、URL權(quán)限等安全框架，最終由前端（H5、CSS3、JavaScript等）進(jìn)行服務(wù)的調(diào)用。服務(wù)治理方面包括RPC框架、服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)、熔斷隔離、服務(wù)鏈路追蹤以及服務(wù)監(jiān)控。整體的微服務(wù)框架能夠由PC端和移動(dòng)端（Pad和手機(jī)APP）進(jìn)行客戶端訪問和服務(wù)調(diào)用。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)選型

如圖4所示，微服務(wù)架構(gòu)客戶端通過API網(wǎng)關(guān)進(jìn)行服務(wù)的調(diào)用，其中客戶端支持多種形式多種系統(tǒng)，包含PC端和移動(dòng)端。服務(wù)提供者可通過API網(wǎng)關(guān)進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、認(rèn)證授權(quán)、熔斷處理、限流等操作，從而使客戶能夠通過客戶端調(diào)用服務(wù)。針對(duì)應(yīng)用需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了孿生機(jī)床微服務(wù)、孿生熱壓罐微服務(wù)、維修維保微服務(wù)和庫存微服務(wù)。

圖4 微服務(wù)架構(gòu)

「 4. 系統(tǒng)功能組成設(shè)計(jì) 」

設(shè)備管控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集管理、報(bào)表管理、維修維保管理、設(shè)備運(yùn)行分析、備品備件管理、設(shè)備檔案管理、系統(tǒng)管理、故障管理、孿生設(shè)備和文檔中心等十大功能模塊，其組成如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能組成

數(shù)字孿生設(shè)備管控系統(tǒng)最核心的模塊為設(shè)備管理、設(shè)備健康評(píng)估和能耗管理，其主要功能如下：

（1）設(shè)備管理

? 設(shè)備臺(tái)賬：提供設(shè)備的基本信息維護(hù)功能，包含數(shù)據(jù)的增刪改查；

? 孿生模型：提供設(shè)備幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型展示功能；

? 設(shè)備運(yùn)行記錄：提供設(shè)備每天運(yùn)行狀況的記錄功能，包含自動(dòng)記錄和人工補(bǔ)充兩種模式；

? 故障上報(bào)：提供人工、自動(dòng)監(jiān)測(cè)及智能預(yù)測(cè)三種方式：即人工增、刪、改、查設(shè)備故障情況；通過后臺(tái)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)；通過后臺(tái)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)智能預(yù)測(cè)；

? 維修工單管理：跟蹤維修工單執(zhí)行進(jìn)度，修改未執(zhí)行的維修工單信息，支持用戶增、刪、改、查維修工單；

? 維修工單執(zhí)行：維修工單派發(fā)后，維修人員按工單要求執(zhí)行維修維護(hù)工作，同時(shí)將維修維護(hù)過程信息反饋到系統(tǒng)中。

（2）設(shè)備健康評(píng)估

? 故障分析：根據(jù)故障上報(bào)信息進(jìn)行故障分析，判斷故障影響及處理措施；

? 設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)：對(duì)設(shè)備的每日運(yùn)行記錄進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，分析設(shè)備的完好率狀況；

? 設(shè)備報(bào)警統(tǒng)計(jì)：對(duì)設(shè)備生命周期中的報(bào)警情況進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，考察設(shè)備的監(jiān)測(cè)虛警率和預(yù)測(cè)虛警率狀況；

? 設(shè)備健康預(yù)測(cè)：對(duì)設(shè)備生命周期中的健康情況進(jìn)行綜合評(píng)估，預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余壽命和下次故障發(fā)生時(shí)間，如果預(yù)測(cè)到故障提前預(yù)警；

? 數(shù)據(jù)處理分析：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并從不同維度進(jìn)行分析展示。

（3）能耗管理

? 能耗參數(shù)監(jiān)控：支持設(shè)備能耗參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可查詢并導(dǎo)出數(shù)據(jù)；

? 能耗結(jié)構(gòu)分析：支持工廠水、電、氣能耗占比分析，可查詢并導(dǎo)出數(shù)據(jù)；

? 能耗統(tǒng)計(jì)分析：支持能耗分層分階段統(tǒng)計(jì)，可查詢并導(dǎo)出數(shù)據(jù)；

? 能耗趨勢(shì)分析：支持工廠或設(shè)備能耗趨勢(shì)預(yù)測(cè)，可查詢并導(dǎo)出數(shù)據(jù)；

? 能耗行為分析：支持設(shè)備能耗行為分析，可查詢并導(dǎo)出數(shù)據(jù)；

? 能耗優(yōu)化分析：支持設(shè)備能耗優(yōu)化分析，可查詢并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。