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「 1. 系統體系結構設計 」

數字孿生車間設備管控系統基于微服務架構，保證了整個系統的可拓展性。如圖1所示，整個微服務平臺包括設備管理、維修維保、備品備件、數據采集、數據處理、能耗管理、設備監控、設備仿真、計劃管理、報表管理、系統管理、外部接口管控12個服務。該系統能夠實現設備孿生模型構建、基本信息管理、健康狀況監控、故障預測、能耗分析等功能。因此，數字孿生車間設備管控系統是一套基于數字孿生技術的設備管理與健康評估系統，包含傳統設備管理系統的設備臺賬管理、設備運行記錄、設備運行統計、設備維修管理等功能，還包括基于數字孿生技術的設備故障診斷與故障預測功能，能對設備的健康狀態進行定期評估，為設備的智能運維提供技術支撐。

圖1 系統體系結構

設備管控系統由CPS、數字孿生、大數據處理、工控組態、虛擬仿真、PHM、TnPM七大技術支撐。CPS技術實現車間設備系統的實時感知、動態控制和信息服務；數字孿生技術實現設備的虛實映射；大數據處理技術為車間設備系統的海量數據處理提供技術基礎；工控組態技術實現設備的數據采集監測及過程控制；虛擬仿真技術為設備運行仿真、狀態仿真的基礎；PHM技術實現了設備的健康管控，包括故障預測、壽命預估、維修決策等；TnPM技術支撐了車間設備的預防性維保體系。

「 2. 系統總體框架設計 」

系統總體架構包括數據層、接口層、組件層、服務層、應用層五層結構，如圖2所示。數據層主要包括基礎信息庫、設備清單庫、孿生模型庫、歷史數據庫和實時數據庫等。通過對這些數據的整合和管理，為軟件系統提供整體數據支撐。接口層作為設備管理系統與其它系統的支撐，包括仿真工具接口、數據轉發接口等。組件層是保障整個車間設備管控系統運行的基礎支撐，包括日志管理、任務管理、安全管理、插件管理、事務管理、OPC服務、組態控件等。服務層以服務的形式封裝了系統功能，包括對數據的采集、數據傳輸協議的解析、數據預處理、數據統計分析、算法庫調用、故障預測、壽命預測等功能。應用層面向使用用戶，提供了設備檔案管理、數據采集管理、設備運行分析、故障管理等功能。

圖2 系統總體框架

「 3. 系統技術架構設計 」

微服務架構圍繞業務領域組件來創建應用，這些應用可獨立地進行開發、管理和迭代，在分散的組件中使用云架構和平臺式部署、管理和服務功能，使產品交付變得更加簡單。微服務架構具有如下優點：

（1）解決了復雜性的問題，在總量不變的情況下，將應用程序分解為可管理的塊或服務，每個服務都以RPC或消息驅動的API形式定義一個明確的邊界。

（2）這種架構使每個服務都能夠專注于該服務的團隊獨立開發。開發人員可以自由選擇任何有用的技術，只要該服務符合API接口合作協議。此外，由于服務被劃分為很多獨立的細小模塊，因此使用當前技術重寫舊服務變得可行。

（3）微服務架構模式使每個微服務都能獨立部署，開發人員不需要協調部署本地服務的變更，這些變化可以在測試后盡快部署。

（4）微服務架構模式使每個服務都可以獨立調整，并且使用最符合服務資源要求的硬件。

綜合微服務架構的技術特點和優勢，結合應用需求，使用的系統技術如圖3所示。在容器Docker中，使用Spring Boot、MVC、MyBatis、Druid等開發核心框架、視圖框架、持久層框架以及數據庫連接池。使用負載均衡以及API網關完成接入工作，在服務與前端之間存在中間件，包括分布式緩存、日志管理、單元測試、API接口文檔、定時任務、消息中間件、倉庫管理以及代碼生成器。開發語言不限于Java、C語言和Python，數據庫使用MySQL/Oracle等。使用Spark Hadoop進行大數據處理，考慮菜單權限、按鈕權限、URL權限等安全框架，最終由前端（H5、CSS3、JavaScript等）進行服務的調用。服務治理方面包括RPC框架、服務注冊與發現、熔斷隔離、服務鏈路追蹤以及服務監控。整體的微服務框架能夠由PC端和移動端（Pad和手機APP）進行客戶端訪問和服務調用。

圖3 系統技術選型

如圖4所示，微服務架構客戶端通過API網關進行服務的調用，其中客戶端支持多種形式多種系統，包含PC端和移動端。服務提供者可通過API網關進行服務注冊、服務發現、認證授權、熔斷處理、限流等操作，從而使客戶能夠通過客戶端調用服務。針對應用需求，本系統設計開發了孿生機床微服務、孿生熱壓罐微服務、維修維保微服務和庫存微服務。

圖4 微服務架構

「 4. 系統功能組成設計 」

設備管控系統主要包括數據采集管理、報表管理、維修維保管理、設備運行分析、備品備件管理、設備檔案管理、系統管理、故障管理、孿生設備和文檔中心等十大功能模塊，其組成如圖5所示。

圖5 系統功能組成

數字孿生設備管控系統最核心的模塊為設備管理、設備健康評估和能耗管理，其主要功能如下：

（1）設備管理

設備臺賬：提供設備的基本信息維護功能，包含數據的增刪改查；

孿生模型：提供設備幾何模型、物理模型、行為模型和規則模型展示功能；

設備運行記錄：提供設備每天運行狀況的記錄功能，包含自動記錄和人工補充兩種模式；

故障上報：提供人工、自動監測及智能預測三種方式：即人工增、刪、改、查設備故障情況；通過后臺數據采集實現設備健康狀態自動監測；通過后臺數據采集實現設備健康狀態智能預測；

維修工單管理：跟蹤維修工單執行進度，修改未執行的維修工單信息，支持用戶增、刪、改、查維修工單；

維修工單執行：維修工單派發后，維修人員按工單要求執行維修維護工作，同時將維修維護過程信息反饋到系統中。

（2）設備健康評估

故障分析：根據故障上報信息進行故障分析，判斷故障影響及處理措施；

設備運行統計：對設備的每日運行記錄進行綜合統計，分析設備的完好率狀況；

設備報警統計：對設備生命周期中的報警情況進行綜合統計，考察設備的監測虛警率和預測虛警率狀況；

設備健康預測：對設備生命周期中的健康情況進行綜合評估，預測設備的剩余壽命和下次故障發生時間，如果預測到故障提前預警；

數據處理分析：對采集的數據進行數據處理，并從不同維度進行分析展示。

（3）能耗管理

能耗參數監控：支持設備能耗參數實時監控，可查詢并導出數據；

能耗結構分析：支持工廠水、電、氣能耗占比分析，可查詢并導出數據；

能耗統計分析：支持能耗分層分階段統計，可查詢并導出數據；

能耗趨勢分析：支持工廠或設備能耗趨勢預測，可查詢并導出數據；

能耗行為分析：支持設備能耗行為分析，可查詢并導出數據；

能耗優化分析：支持設備能耗優化分析，可查詢并導出數據。