数字孪生智能造船大型起重机械管理研究案例
随着信息技术和互联网技术的飞速发展，以及自动化新技术的应用，起重机械正在向信息化、自动化和智能化方向发展，传统起重机升级成为智能制造装备的发展空间巨大；同时由于近些年来全球海洋航运严冬来临，船舶业市场环境严峻，残酷的竞争势态迫使船舶企业加速结构调整，转型升级。
利用智能制造装备是应对挑战的最佳助推器，以智能造船起重机为代表，面向工业现场的具有智能导向精确定位技术和智能远程控制技术以及智能集群控制技术的起重搬运设备将加快推进数字化、网络化、智能化造船整体水平。北京智汇云舟科技有限公司经过6年以上的积累，取得了坚实的技术和产品，拥有'3DGIS+视频融合+时空位置智能（LI）技术首创“实时实景数字孪生”'，自主研发了实时实景孪生①解决方案、②Paas平台、③实时实景孪生虚实融合一体机等产品。 作为目前数字化领域中最有应用前景的技术之一，数字孪生发展迅速，在多个领域应用方兴未艾。
（一）案例背景
采用多种新技术、新手段，研制开发新一代智能造船起重机，通过数字化设计，提高材料利用率，优化设备机型，通过数字化生产、运维、监控，为船厂生产调度提供合理化建议，助力船舶企业提高作业效率、减轻劳动强度、改善操作环境、增强安全性能，同时推动数字化造船的智能化进程。
（二）系统框架
（三）案例特点
解决数字化基础的问题
- 数据采集。服务器提供的接口一致，只需对 OPC 进行重新组态，监控软件无需更改。
- 数据传输。采用无线工业 WIFI 的传输方式为最佳方案，实现 Internet 的接入。
- 数据存储。采用了可视化动态显示，利于通用的组态软件对画面进行组态，并将数据存于后台数据库中。
- 起重机防撞和安全监控模型。设备、单元层全部关键数据采集监控，结合数字仿真模型，实现起重机本机和区域防撞。
- 可视化管控中心。实现整个厂区多台起重机设备的集群式监控管理，建立可视化管控中心，实现船厂智能化设备联网，为船舶业智能工厂的建立打下了很好的基础。
- 起重机远程运维维护平台。可以实现设备的本地、远程监控和在线维保平台功能的方案。对要求采集的信息进行处理及控制、对起重机运行状态及故障信息进行实时记录和历史追溯及故障自诊断。
- 起重机能源管理平台。MES 能源管理基于现场能源网络，通过OPC接口采集能源网络PLC 实时计量数据；为企业提供及时、准确的基础数据，提升耗能设备的优化运行，实现了企业的自动化与信息化融合。
解决实际工程应用中经常遇到的问题
- 起重机双主梁分层设计与制造。采用数字仿真 3D 建模方式，对四主梁双小车和双主梁结构进行设计，将设计结果进行参数对比，对比结构显示，双主梁结构形式在成本节约方面效果显著。
- 重型构架空中连续翻身工艺。采用数字信号采集技术，帮助 PLC 系统随时作出判断，并发出正确指令。
- 大型起重机纠偏问题。通过对起重机啃轨问题现状的分析，使用数字仿真模型进行工况模拟，提出实时在线纠偏的方案。
- 重载起重机上下小车三钩高精度同步问题。利用数字控制驱动技术：实现高精度同步。智能化驱动功能体现于控制单元中的闭环控制功能。不仅可用于矢量和伺服控制，而且还可进行 U/f 控制。
- 吊运设备的轮廓和位置检测。智能起重机具备工况实时感知技术，由计算机辅助识别系统（Computer Assistance Recognition，CAR）系统完成。利用多种输入技术（光电编码器 / 磁感应 /RFID/ 条码，GPS/ 北斗 / 室内Wi-Fi 定位，激光 / 微波 / 超声波雷达），实现多源数据采集监控。
- MES工艺规划接入。具有工厂车间级 MES 系统有开放接口，系统可方便接入工厂信息网络并且提供开放的数据接口。平台可提供双向信息流。
（四）实施成效和意义
造船用大型起重机械数字孪生技术应用研究以提高船舶业起重机的安全、高效作业与管理为目的，结合物联网技术和先进控制理论，建立了一套基于模型的起重机设计、仿真、安全运行与远程监管及在线维保系统，目前已经实现了整机状态监控、关键部件在线检测，故障诊断等，在起重机行业起到具有良好的示范作用。
成效在于，使造船起重机具备了以下智能化技术特征：
- 自感知：具有防止大型分段撞击起重机腿部功能。
- 自适应：数字控制驱动技术。实现两台（或多台）起重机的联合作业，同步作业。
- 自执行：拥有智能工艺规划接入技术，通过工厂车间级 MES 系统有开放接口，接入工厂信息网络并且提供开放的数据接口。
- 全面监测：对起重机进行监控，除了满足国家标准外，监控参数和状态更加完善，达到国外同类产品性能指标，进一步加强对起重机安全监控和事故预防。
- 远程维护技术：利用数字工具实现单机、多机的本地、远程监控和大型门式起重机维保数据库、在线维保平台功能。
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