面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法

1.本发明涉及铝合金铸件智能制造技术领域，特别涉及一种面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法。


背景技术：

2.中国是全球最大的铝合金铸件的生产和消费国，且中国对铝合金铸件的需求还将持续增长。然而中国铝合金铸件业面临铸造行业高耗能、高排放和铸造过程信息化、智能化程度不高的难点问题。当前中国铝合金铸造行业正在以建设未来工厂为抓手，开展关键技术攻关和制造过程智能低碳转型升级，旨在提升中国在铝合金铸件制造方面的国际竞争力。新一代信息技术赋能下的铝合金铸件制造产线的运行优化是智能低碳运行的关键内容，也是当前学术界和工业界亟需解决的问题。数字孪生产线是建设铝合金铸件制造智能工厂、未来工厂的一个关键内容，也是运行优化的关键应用环境。如何快速、低成本构成高精度、高性能、易使用的面向运行优化的铝合金铸件制造产线的数字孪生模型是当前面临的一个工程难点问题，亟需开展相应的关键技术攻关。
3.数字孪生是当前学术和工业界的热门话题，已有较多的专家学者对数字孪生模型构建的理论和具体产线数字孪生模型构建方法开展了研究和应用。在理论方面具有代表性的研究有，陶飞等人建立了一套数字孪生模型构建理论体系，以数字孪生车间为例，从车间要素实体建模、生产过程动态建模、生产系统仿真建模3个方面对数字孪生车间模型构建理论与技术开展了研究和实践(陶飞,张贺,戚庆林,等.数字孪生模型构建理论及应用[j].计算机集成制造系统,2021)。柳林燕等人建立了车间生产过程数字孪生系统体系架构,并对系统实现的3项关键技术——车间生产过程关键要素数字孪生建模与实现、基于opc统一架构的车间生产过程物理实体数据获取以及车间生产运行实时映射进行了详细阐述(柳林燕,杜宏祥,汪惠芬,等.车间生产过程数字孪生系统构建及应用[j].计算机集成制造系统,2019)。在具体产线数字孪生模型构建方法方面的应用案例有，孙福臻等人提出了一种热冲压成形生产线的数字孪生系统和构建方法(一种热冲压成形生产线的数字孪生系统和构建方法.cn115203842a.2022)。
[0004]
已有的车间数字孪生模型通用的构建方法、具体产线数字孪生模型的构建方法能为铝合金铸件制造产线的数字孪生模型构建提供重要的方法借鉴，但是还不能直接用于构建面向运行优化的铝合金铸件制造数字孪生模型，主要是由于：(1)方法不够具体，还需要结合具体对象开展进一步的研究；(2)方法的针对性不强，已有方法涉及的面大而全(如全要素传感、高精度建模)，构建模型的成本高和效率低，还需要一些针对一类具体应用(如运行优化)且小而精(刚好满足需求的最小化投入)的构建方法。当前还亟需开展针对运行优化的铝合金铸件制造产线数字孪生模型构建方法研究，解决行业面临的一类难点和痛点问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于，提供一种面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法。本发明具有方法具体明确、针对性强、可操作性好和成本低的优点。
[0006]
第一方面，本发明实施例提供了一种面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，包括以下步骤：
[0007]
搭建铝铸件制造产线数据采集、传输、存储软硬件网络，得到传感网络装置；
[0008]
基于包括传感网络装置在内的铝铸件制造产线各实体设备对应的数字化模型，根据各实体设备的布局信息构建铝铸件制造产线虚拟场景模型；
[0009]
根据铝铸件制造产线数据构建数据驱动的铝铸件制造数字化产线的状态更新规则，得到铝铸件制造产线数字孪生模型。
[0010]
进一步地，铝铸件制造产线数据包括：铝铸件制造产线实体设备控制系统内的数据、铝铸件制造产线中各传感器采集的数据、企业erp和mes系统中的数据；
[0011]
其中，铝铸件制造产线中各传感器包括：
[0012]
安装于铝合金熔化炉预热区的铝锭料位传感器；安装于熔化炉保温区的铝液高度或者重量传感器；安装于铝液转运炉和铝液转运车的定位传感器；安装于铝合金保温炉的铝液高度或者重量传感器；安装于质量检测工作位处的计数传感器；安装于产线的多个位置处的若干个高清摄像头；安装于产线的多个位置处的若干个声音传感器；安装于熔化炉、保温炉、铸造机周边的空气质量传感器；安装于铝铸件制造产线电能、天然气、水的总入口的电能表、天然气流量表、水流量表；安装于熔化炉的天然气供给入口的天然气流量表；安装于额定功率超过功率阈值的设备上的电能表。
[0013]
进一步地，搭建铝铸件制造产线数据采集、传输、存储软硬件网络，得到传感网络装置包括：
[0014]
配置一工控机，所述工控机与铝铸件制造产线中的各实体设备、各传感器进行连接和/或通信，用于控制铝铸件制造产线的各实体设备工作，并获取各设备控制系统的数据以及传感器采集的数据；
[0015]
配置一边缘服务器，所述边缘服务器的一端与工控机相连接，用于获取实时采集的铝铸件制造产线数据并存储，另一端与云服务器相连，实时将铝铸件制造产线生产状态反馈给云服务器；所述边缘服务器上部署有关系型数据库和实时数据库；
[0016]
配置一云服务器，所述云服务器上布置有erp和mes系统，用于发布生产任务和接收铝铸件制造产线生产状态数据。
[0017]
进一步地，铝铸件制造产线实体包括：铸造相关设备、资源供给设施、废气废液处理装置、传感网络装置；
[0018]
所述铸造相关设备包括：铝合金上料机、铝合金熔化炉、铝液除气机、铝液转运炉、铝液转运车、铝液保温炉、定量浇注机、铸造机、铸造模具、真空机、模温机、喷涂装置、取件装置、打标机、冷却装置、切边装置、清理装置、运输带和质量检测装置；
[0019]
所述资源供给设施包括：电能供给网络、天然气供给网络和自来水供给网络；
[0020]
所述废气废液处理装置包括：熔化炉与保温炉废气收集及处理装置、铸造机废气收集及处理装置和铸造脱模剂收集装置。
[0021]
进一步地，构建铝铸件制造产线虚拟场景模型包括：
[0022]
建立各铝铸件制造产线实体对应的三维数字化模型；
[0023]
根据铝铸件制造产线各实体设备的布局信息构建铝铸件制造产线虚拟场景模型；
[0024]
设置铝铸件制造产线实体的活动部件的实际运动规则和约束，设置物料状态变化规则，并将活动部件和物料状态设置为受实时铝铸件制造产线数据控制；其中，所述物料包括铝液、铝锭、铝合金铸件的在制品。
[0025]
进一步地，铝铸件制造数字化产线的状态更新规则包括产线实体的物理空间状态更新规则、产线实体设备运行参数更新规则和产线生产计划状态的更新规则；
[0026]
其中，所述产线实体的物理空间状态更新规则为对边缘服务器存储的实时数据库中涉及产线物理动作、物料状态变化的数据进行快速预处理，剔除不在正常范围内的数据，并不断将最新的数据与铝铸件制造产线虚拟场景模型的活动部件和物料状态关联；
[0027]
所述产线实体设备运行参数更新规则为：配置一可交互的虚拟显示界面，用于显示各实体产线设备的运行参数、各传感器采集的数据；配置若干个实时视频信号播放界面，将边缘服务器存储的实时数据库中的实时产线视频信号与实时视频信号播放界面相关联；按照声音传感器的安装位置在铝铸件制造产线虚拟场景模型中配置若干个声音播放源，并将边缘服务器存储的实时数据库中的声音信号与声音播放源相关联；
[0028]
所述产线生产计划状态的更新规则为：配置一生产计划状态展示模块，用于展示当前生产的任务信息、生产进度、不合格品数量、资源消耗指标、碳排放量指标和产线oee。
[0029]
进一步地，所述生产的任务信息包括订单号、产品名称、产品计划数量；
[0030]
所述生产进度信息等于已生产的产品数量除以产品计划数量；
[0031]
所述资源消耗指标包括订单、日、月分别对应的电能、天然气、水的消耗量；所述资源消耗指标是边缘服务器上部署的关系型数据库中关联查询出相应的电能、天然气、水的消耗量；
[0032]
所述碳排放量指标包括订单、日、月分别对应的碳排量，所述碳排放量指标是边缘服务器上部署的关系型数据库中关联查询出相应的碳排放清单数据与碳排放因子相乘所得；
[0033]
所述产线oee等于设备可用率
×
表现指数
×
质量指数，其中设备可用率＝操作时间/计划工作时间、表现指数＝(总产量/操作时间)/生产速率、质量指数＝良品/总产量，从边缘服务器上部署的关系型数据库中实时查询计算需要的数据进行oee的计算。
[0034]
进一步地，所述方法还包括：验证铝铸件制造产线数字孪生模型的准确性；
[0035]
验证数据采集、传输、存储软硬件网络是否完全采集设定的数据、且数据采集的延迟不大于采集延迟时间阈值；
[0036]
验证铝铸件制造产线数字孪生模型的动作是否与实际产线一致且动作延迟不大于动作延迟时间阈值；
[0037]
验证产线数字孪生模型的状态参数是否与实际产线一致且更新的延迟不大于更新延迟时间阈值。
[0038]
第二方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器与所述处理器耦接；其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现上述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法。
[0039]
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程
序，所述程序被处理器执行时实现上述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0041]
1.本发明面向智能低碳运行优化的实际需求，针对性地提出了一种铝合金铸件制造数字孪生产线模型构建方法。本发明方法具体明确、可操作性强，针对性强、成本低；本发明的模型的精度、数据采集的类型和频率等满足要求。采用本发明方法构建的数字孪生产线能有效地支持运行优化决策。
[0042]
2.本发明提出的方法考虑了铝合金铸件制造产线的诸多实际特点，提出的方法适合多种铝合金铸造工艺的产线，比如低压铸造、高压铸造，具有宽广的应用范围。此外，本发明提出的方法也能为其他金属铸件制造过程的数字孪生模型构建提供有力的参考。
附图说明
[0043]
图1是本发明的流程示意图。
[0044]
图2是本发明实施例提供的一种电子设备的示意图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0046]
一种面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0047]
步骤1、搭建铝铸件制造产线数据采集、传输、存储软硬件网络，得到传感网络装置；
[0048]
步骤2、基于包括传感网络装置在内的铝铸件制造产线各实体设备对应的数字化模型，根据各实体设备的布局信息构建铝铸件制造产线虚拟场景模型；
[0049]
步骤3、根据铝铸件制造产线数据构建数据驱动的铝铸件制造数字化产线的状态更新规则，得到铝铸件制造产线数字孪生模型。
[0050]
进一步地，步骤1中，铝铸件制造产线数据包括铝铸件制造产线实体设备控制系统内的数据、铝铸件制造产线中各传感器采集的数据、企业erp和mes系统中的数据。
[0051]
具体地，铝铸件制造产线中的各传感器包括：
[0052]
安装于铝合金熔化炉预热区的铝锭料位传感器；安装于熔化炉保温区的铝液高度或者重量传感器；安装于铝液转运炉和铝液转运车的定位传感器；安装于铝合金保温炉的铝液高度或者重量传感器；安装于质量检测工作位处的计数传感器，用于获取不合格品数量；安装于产线的多个位置处的若干个高清摄像头，使得摄像范围能覆盖整个产线的多个视角，用于获取若干个实时产线视频信号；安装于产线的多个位置处的若干个声音传感器，使得声音采集范围能覆盖整个产线，用于获取若干个声音信号；安装于熔化炉、保温炉、铸造机周边的多合一空气质量传感器，用于采集pm2.5、pm10、温度、湿度等空气质量指标；安装于铝铸件制造产线电能、天然气、水的总入口的电能表、天然气流量表、水流量表；安装于熔化炉的天然气供给入口的天然气流量表；安装于额定功率超过功率阈值(在本示例中，设置功率阈值为3kw)的设备上的电能表。
[0053]
进一步地，步骤1中搭建铝铸件制造产线数据采集、传输、存储软硬件网络，得到传感网络装置，还包括：
[0054]
在铝铸件制造产线周边安装一个工控机，所述工控机与铝铸件制造产线中的各实体设备、各传感器进行连接和/或通信，所述工控机用于控制铝铸件制造产线的各实体设备工作，并获取各实体设备控制系统的数据和各传感器采集的数据；其中，连接方式包括有线和无线，有线连接的方式包括双绞线、同轴电缆或光纤电缆，无线连接的方式包括wifi、zigbee、4g、5g或uwb。进一步地，根据各产线实体设备和各传感器的通信协议，分别开发相应的通讯模块实现数据采集和指令下达。
[0055]
在铝铸件制造产线所在车间的安全位置安装一个边缘服务器，一端采用光纤电缆与工控机相连接，用于获取实时采集的铝铸件制造产线数据并存储，另一端通过光纤电缆与云服务器相连。进一步地，设置数据发送和接收模块，并分别运行在工控机和边缘存储和计算服务器，实现采集的数据实时传输到边缘计算服务器。进一步地，所述边缘服务器上部署关系型数据库和实时数据库，实现将数据分别存到相应的数据库中。
[0056]
云服务器上设置有erp和mes系统，用于发布生产任务和实时接收铝铸件制造产线生产状态数据。
[0057]
进一步地，步骤2中，所述的铝铸件制造产线实体包括铸造相关设备、资源供给设施、废气废液处理装置、传感网络装置；
[0058]
其中，铸造相关设备包括：铝合金上料机、铝合金熔化炉、铝液除气机、铝液转运炉、铝液转运车、铝液保温炉、定量浇注机、铸造机、铸造模具、真空机、模温机、喷涂装置、取件装置、打标机、冷却装置、切边装置、清理装置、运输带、质量检测装置；
[0059]
其中，资源供给设施包括：电能供给网络、天然气供给网络、自来水供给网络；
[0060]
其中，废气废液处理装置包括：熔化炉与保温炉废气收集及处理装置、铸造机废气收集及处理装置、铸造脱模剂收集装置。
[0061]
其中，传感网络装置包括：铝铸件制造产线中各传感器、数据传输网络装置、工控机、边缘服务器、云服务器。
[0062]
进一步地，步骤2中，构建铝铸件制造产线虚拟场景模型的步骤如下：
[0063]
建立各铝铸件制造产线实体对应的三维数字化模型；在本实例中，可以从产线实体设备制造商处收集铝铸件制造产线设备的三维数字化模型；对于产线实体设备制造商没有提供三维数字化模型的，采用现场直接测量或非接触式的三维扫描仪收集铝铸件制造产线实体设备的形状和尺寸信息，再采用三维建模软件对各零部件进行建模并装配得到该实体设备的三维数字化模型。
[0064]
收集铝铸件制造产线各实体设备的布局信息，采用三维动画引擎软件建立与实体产线同样大小的铝铸件制造产线虚拟场景模型，并将各实体设备的三维数字化模型导入到场景模型，并将各实体对应的三维数字化模型按铝铸件制造产线实际的位置进行布置。进一步地，还对各实体设备的三维数字模型赋予实际的纹理和色彩，并添加和实际产线一样的光源。
[0065]
在三维动画引擎软件中，设置铝铸件制造产线实体的活动部件的实际运动规则和约束、设置物料状态变化规则，并将活动部件和物料状态设置为受实时铝铸件制造产线数据控制。其中，所述物料包括铝液、铝锭、铝合金铸件的在制品。
[0066]
进一步地，步骤3中，所述的铝铸件制造数字化产线的状态更新规则包括产线实体的物理空间状态更新规则、产线实体设备运行参数更新规则、产线生产计划状态的更新规则。
[0067]
进一步地，产线实体的物理空间状态更新规则为，对边缘服务器中存储的实时数据库中涉及产线物理动作、物料状态变化的数据进行快速预处理，剔除不在正常范围内的数据，并不断将最新的铝铸件制造产线数据与步骤2建立的铝铸件制造产线虚拟场景模型的活动部件和物料状态关联。
[0068]
进一步地，产线实体设备运行参数更新规则为：通过三维动画引擎软件，建立各实体产线设备运行参数、各传感器参数的可交互操作的虚拟显示界面，并将边缘服务器中存储的实时数据库中对应的数据进行快速预处理，剔除不在正常范围内的数据，并不断将最新的数据在虚拟显示界面中展示；在三维动画引擎软件中建立多个实时视频信号播放界面，并将边缘服务器存储的实时数据库中最新的多个视频信号与播放界面关联；在三维动画引擎软件中按照声音传感器的位置建立多个声音播放源，并与边缘服务器存储的实时数据库中最新的多个声音信号关联。
[0069]
进一步地，产线生产计划状态的更新规则为在三维动画引擎软件中建立一个生产计划状态展示模块，需要展示的指标有当前生产的任务信息、生产进度、不合格品数量、资源消耗指标、碳排放量指标、产线oee。
[0070]
所述生产的任务信息包括订单号、产品名称、产品计划数量。
[0071]
所述生产进度信息等于已生产的产品数除以产品计划数量。
[0072]
所述不合格品数据从边缘服务器上部署的关系型数据库中收集。
[0073]
所述资源消耗指标包括订单、日、月三个粒度的电能、天然气、水的消耗量；所述资源消耗指标是边缘服务器上部署的关系型数据库中关联查询出相应的电能、天然气、水的消耗量；
[0074]
所述碳排放量指标包括订单、日、月三个粒度的碳排量，所述碳排放量指标是边缘服务器上部署的关系型数据库中关联查询出相应的碳排放清单数据与碳排放因子相乘所得；
[0075]
所述产线oee等于设备可用率
×
表现指数
×
质量指数，其中设备可用率＝操作时间/计划工作时间、表现指数＝(总产量/操作时间)/生产速率、质量指数＝良品/总产量，从边缘服务器上部署的关系型数据库中实时查询计算需要的数据进行oee的计算。
[0076]
将当前生产的任务信息、生产进度、不合格品数量、资源消耗指标、碳排放量指标、产线oee与生产计划状态展示模块相关联。
[0077]
所述方法还包括：
[0078]
步骤4、验证铝铸件制造产线数字孪生模型的准确性。
[0079]
进一步地，步骤4中，所述的验证铝铸件制造产线数字孪生模型的准确性的步骤为：
[0080]
步骤4.1、在铝合金铸造生产时，运行构建的数字孪生产线模型；
[0081]
步骤4.2、验证数据采集、传输、存储软硬件网络是否完全采集设定的数据、且数据采集的延迟不大于1秒；
[0082]
步骤4.3、验证孪生产线模型的形状尺寸与实际产线的相似度是否大于90％、动作
是否与实际一致且动作延迟不大于2秒；
[0083]
步骤4.4、验证产线数字孪生模型的状态参数是否与实际一致且更新的延迟不大于2秒。
[0084]
进一步地，如果步骤4所述的准确性验证都通过，则该构建的产线数字孪生模型满足生产运行优化的要求。否则对步骤1到3进行完善和优化，直到满足要求。
[0085]
实施例
[0086]
下面以一个铝合金低压铸造产线为例，说明本发明的实施方式。该铝合金低压铸造产线包括铝合金上料机、铝合金熔化炉、铝液除气机、低压铸造用铝液保温炉、铝液转运车、低压铸造机、汽车轮毂铸造模具、喷涂装置、取件装置、打标机、冷却装置、切边装置、毛刺清理装置、运输带、人工质量检测系统等设备和系统。
[0087]
步骤(1)，在铝合金熔化炉的预热区安装激光料位传感器、在熔化炉的保温区安装激光式铝液高度传感器，在铝液转运炉和转运车上安装uwb定位传感器，在铝合金保温炉安装重量传感器，在人工质量检测处安装不合格品数量上报按钮，在产线的4个位置安装4个高清摄像头，在产线的3个位置安装3个声音传感器使得声音采集范围能覆盖整个产线，在熔化炉、铸造机周边安装多合一空气质量传感器(能采集pm2.5、pm10、温度、湿度)，在产线电能、天然气、水的总入口分别安装电能表、天然气流量表、水流量表，在熔化炉的天然气供给入口安装天然气流量表、给铸造机安装电能表。
[0088]
在产线周边安装一个工控机，并将产线实体设备和各传感器与工控机进行连接和通信，除uwb定位传感器采用无线外，其他设备和传感器采用双绞线和光纤电缆作为与工控机的连接介质。在产线所在车间的角落安装一个边缘服务器，并采用光纤电缆与工控机相连接。将边缘存储和计算服务器通过光纤电缆与企业云服务器相连。
[0089]
步骤(2)，从产线实体设备制造商处收集设备的三维数字化模型和采用非接触式的三维扫描仪收集产线实体设备的形状和尺寸信息、收集产线各实体设备的布局信息。采用三维建模软件creo对没有三维数字化模型的电能、天然气、水的供给网络和运输带等设备进行三维建模。
[0090]
采用三维动画引擎软件unity 3d建立与实体产线同样大小的铝铸件制造产线虚拟场景模型，并将各实体设备的三维数字化模型导入到场景模型和按照实际的位置关系进行组装。对各实体设备的三维数字模型赋予实际的纹理和色彩，并添加和实际产线一样的光源。在三维动画引擎软件unity 3d中，设置产线实体的活动部件的实际运动规则和约束、设置物料状态变化规则，并将活动部件和物料状态设置为受实时数据控制。
[0091]
步骤(3)，分别设置铝铸件制造数字化产线的状态更新规则包括产线实体的物理空间状态更新规则、产线实体设备运行参数更新规则、产线生产计划状态的更新规则。
[0092]
步骤(4)，在实际生产时验证铝铸件制造产线数字孪生模型的准确性，5天生产的平均结果为：数据采集、传输、存储软硬件网络能完全采集设定的数据且数据采集的延迟为0.86秒，孪生产线模型的形状尺寸与实际产线的相似度为92％、动作与实际一致且动作延迟为1.61秒，产线数字孪生模型的状态参数与实际一致且更新的延迟为1.69秒。构建的产线数字孪生模型满足要求。
[0093]
相应地，本技术还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或
多个处理器实现如上述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法。如图2所示，为本发明实施例提供的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图2所示的处理器、内存以及网络接口之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
[0094]
相应地，本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法。所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡、sd卡、闪存卡等。进一步的，所述计算机可读存储介还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0095]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

技术特征：
1.面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：搭建铝铸件制造产线数据采集、传输、存储软硬件网络，得到传感网络装置；基于包括传感网络装置在内的铝铸件制造产线各实体设备对应的数字化模型，根据各实体设备的布局信息构建铝铸件制造产线虚拟场景模型；根据铝铸件制造产线数据构建数据驱动的铝铸件制造数字化产线的状态更新规则，得到铝铸件制造产线数字孪生模型。2.根据权利要求1所述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，其特征在于：铝铸件制造产线数据包括：铝铸件制造产线实体设备控制系统内的数据、铝铸件制造产线中各传感器采集的数据、企业erp和mes系统中的数据；其中，铝铸件制造产线中各传感器包括：安装于铝合金熔化炉预热区的铝锭料位传感器；安装于熔化炉保温区的铝液高度或者重量传感器；安装于铝液转运炉和铝液转运车的定位传感器；安装于铝合金保温炉的铝液高度或者重量传感器；安装于质量检测工作位处的计数传感器；安装于产线的多个位置处的若干个高清摄像头；安装于产线的多个位置处的若干个声音传感器；安装于熔化炉、保温炉、铸造机周边的空气质量传感器；安装于铝铸件制造产线电能、天然气、水的总入口的电能表、天然气流量表、水流量表；安装于熔化炉的天然气供给入口的天然气流量表；安装于额定功率超过功率阈值的设备上的电能表。3.根据权利要求1所述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，其特征在于：搭建铝铸件制造产线数据采集、传输、存储软硬件网络，得到传感网络装置包括：配置一工控机，所述工控机与铝铸件制造产线中的各实体设备、各传感器进行连接和/或通信，用于控制铝铸件制造产线的各实体设备工作，并获取各设备控制系统的数据以及传感器采集的数据；配置一边缘服务器，所述边缘服务器的一端与工控机相连接，用于获取实时采集的铝铸件制造产线数据并存储，另一端与云服务器相连，实时将铝铸件制造产线生产状态反馈给云服务器；所述边缘服务器上部署有关系型数据库和实时数据库；配置一云服务器，所述云服务器上布置有erp和mes系统，用于发布生产任务和接收铝铸件制造产线生产状态数据。4.根据权利要求1所述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，其特征在于：铝铸件制造产线实体包括：铸造相关设备、资源供给设施、废气废液处理装置、传感网络装置；所述铸造相关设备包括：铝合金上料机、铝合金熔化炉、铝液除气机、铝液转运炉、铝液转运车、铝液保温炉、定量浇注机、铸造机、铸造模具、真空机、模温机、喷涂装置、取件装置、打标机、冷却装置、切边装置、清理装置、运输带和质量检测装置；所述资源供给设施包括：电能供给网络、天然气供给网络和自来水供给网络；所述废气废液处理装置包括：熔化炉与保温炉废气收集及处理装置、铸造机废气收集及处理装置和铸造脱模剂收集装置。5.根据权利要求1所述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，其特征在于：构建铝铸件制造产线虚拟场景模型包括：
建立各铝铸件制造产线实体对应的三维数字化模型；根据铝铸件制造产线各实体设备的布局信息构建铝铸件制造产线虚拟场景模型；设置铝铸件制造产线实体的活动部件的实际运动规则和约束，设置物料状态变化规则，并将活动部件和物料状态设置为受实时铝铸件制造产线数据控制；其中，所述物料包括铝液、铝锭、铝合金铸件的在制品。6.根据权利要求1所述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，其特征在于：铝铸件制造数字化产线的状态更新规则包括产线实体的物理空间状态更新规则、产线实体设备运行参数更新规则和产线生产计划状态的更新规则；其中，所述产线实体的物理空间状态更新规则为对边缘服务器存储的实时数据库中涉及产线物理动作、物料状态变化的数据进行快速预处理，剔除不在正常范围内的数据，并不断将最新的数据与铝铸件制造产线虚拟场景模型的活动部件和物料状态关联；所述产线实体设备运行参数更新规则为：配置一可交互的虚拟显示界面，用于显示各实体产线设备的运行参数、各传感器采集的数据；配置若干个实时视频信号播放界面，将边缘服务器存储的实时数据库中的实时产线视频信号与实时视频信号播放界面相关联；按照声音传感器的安装位置在铝铸件制造产线虚拟场景模型中配置若干个声音播放源，并将边缘服务器存储的实时数据库中的声音信号与声音播放源相关联；所述产线生产计划状态的更新规则为：配置一生产计划状态展示模块，用于展示当前生产的任务信息、生产进度、不合格品数量、资源消耗指标、碳排放量指标和产线oee。7.根据权利要求6所述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，其特征在于：所述生产的任务信息包括订单号、产品名称、产品计划数量；所述生产进度信息等于已生产的产品数量除以产品计划数量；所述资源消耗指标包括订单、日、月分别对应的电能、天然气、水的消耗量；所述资源消耗指标是边缘服务器上部署的关系型数据库中关联查询出相应的电能、天然气、水的消耗量；所述碳排放量指标包括订单、日、月分别对应的碳排量，所述碳排放量指标是边缘服务器上部署的关系型数据库中关联查询出相应的碳排放清单数据与碳排放因子相乘所得；所述产线oee等于设备可用率
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表现指数
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质量指数，其中设备可用率＝操作时间/计划工作时间、表现指数＝(总产量/操作时间)/生产速率、质量指数＝良品/总产量，从边缘服务器上部署的关系型数据库中实时查询计算需要的数据进行oee的计算。8.根据权利要求1所述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，其特征在于：所述方法还包括：验证铝铸件制造产线数字孪生模型的准确性；验证数据采集、传输、存储软硬件网络是否完全采集设定的数据、且数据采集的延迟不大于采集延迟时间阈值；验证铝铸件制造产线数字孪生模型的动作是否与实际产线一致且动作延迟不大于动作延迟时间阈值；验证产线数字孪生模型的状态参数是否与实际产线一致且更新的延迟不大于更新延迟时间阈值。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器与所述处理器耦接；
其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现上述权利要求1
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8任一项所述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1
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8中任一所述的面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法。

技术总结
本发明公开了一种面向运行优化的铝铸件制造产线数字孪生模型构建方法，包括以下步骤：(1)搭建铝铸件制造产线数据采集、传输、存储软硬件网络，得到传感网络装置；(2)基于包括传感网络装置在内的铝铸件制造产线各实体设备对应的数字化模型，根据各实体设备的布局信息构建铝铸件制造产线虚拟场景模型；(3)根据铝铸件制造产线数据构建数据驱动的铝铸件制造数字化产线的状态更新规则，得到铝铸件制造产线数字孪生模型；(4)验证铝铸件制造产线数字孪生模型的准确性。本发明具有方法具体明确、针对性强、可操作性好和成本低的优点。可操作性好和成本低的优点。可操作性好和成本低的优点。


技术研发人员：刘伟鹏 彭涛 吴军 章旭霞 万安平 陈挺 胡罗克
受保护的技术使用者：浙大城市学院
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/9/20