本發(fā)明涉及速凍包點(diǎn)生產(chǎn)，具體為一種基于數(shù)字孿生的速凍包點(diǎn)生產(chǎn)車間智能管控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、速凍包點(diǎn)是我國(guó)傳統(tǒng)食品產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)成功典范，具有較大的市場(chǎng)空間和發(fā)展?jié)摿?。面?duì)更加激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和快速變化的個(gè)性化需求，速凍包點(diǎn)呈現(xiàn)出典型的多品種、小批量生產(chǎn)特點(diǎn)。然而，速凍包點(diǎn)的生產(chǎn)工藝多變，設(shè)備類型多樣，生產(chǎn)過程不僅要保證產(chǎn)品質(zhì)量和食品安全，也要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決生產(chǎn)異常、推動(dòng)生產(chǎn)計(jì)劃的順利實(shí)施，對(duì)車間的動(dòng)態(tài)管控提出了新的要求。

2、隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)車間的各種制造要素實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)采集，但仍然存在脫離實(shí)際生產(chǎn)業(yè)務(wù)、管控指標(biāo)不準(zhǔn)確等問題，缺少有效的細(xì)粒度、多層次車間管控方法。同時(shí)，傳統(tǒng)的mes系統(tǒng)缺少對(duì)食品工藝、質(zhì)量安全的關(guān)注，無(wú)法解決各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)孤島問題，不能滿足多品種小批量速凍包點(diǎn)動(dòng)態(tài)生產(chǎn)的管控需求。數(shù)字孿生技術(shù)通過采集生產(chǎn)車間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在虛擬空間中構(gòu)建反映生產(chǎn)車間中各制造實(shí)體的狀態(tài)、行為模型，借助物理空間和虛擬空間的實(shí)時(shí)映射與動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)車間遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控、分析和優(yōu)化的智能管控。

3、首先根據(jù)專利號(hào)202310738524.x的對(duì)比，對(duì)比專利有以下缺點(diǎn)：

4、1、對(duì)比專利的管控系統(tǒng)僅僅面向堅(jiān)果加工車間，不適用速凍包點(diǎn)生產(chǎn)的車間管控需求。

5、2、對(duì)比專利的管控系統(tǒng)中，主要集中在數(shù)據(jù)采集和傳輸方面，缺少面向生產(chǎn)過程全流程各制造要素關(guān)聯(lián)互動(dòng)的管控方法。

6、且根據(jù)專利號(hào)202210283404.0的對(duì)比，對(duì)比專利有以下缺點(diǎn)：

7、1、所提出管控系統(tǒng)，不適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)過程中人、機(jī)、料、法、環(huán)等多種制造要素關(guān)聯(lián)互動(dòng)的動(dòng)態(tài)管控需求。

8、2、所提出的柔性制造系統(tǒng)全流程信息化管理過程中，缺少對(duì)生產(chǎn)異常的處理方式。

9、綜上所述因此本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字孿生的速凍包點(diǎn)生產(chǎn)車間智能管控系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題

2、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字孿生的速凍包點(diǎn)生產(chǎn)車間智能管控系統(tǒng)，解決了上述背景技術(shù)中提出的問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于數(shù)字孿生的速凍包點(diǎn)生產(chǎn)車間智能管控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、建模仿真系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)管控系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于獲取速凍包點(diǎn)生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于管理人、機(jī)、料、法、環(huán)等關(guān)鍵制造要素的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，建模仿真系統(tǒng)用于構(gòu)建貼近實(shí)際生產(chǎn)業(yè)務(wù)的多層次、可執(zhí)行仿真模型，動(dòng)態(tài)管控系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)智能排產(chǎn)、生產(chǎn)監(jiān)控、品質(zhì)管理、異常處理等功能。

5、優(yōu)選的，所述在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，包含包點(diǎn)工藝數(shù)據(jù)采集模塊、包點(diǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊、包點(diǎn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集模塊，分別從食品工藝、品質(zhì)、生產(chǎn)維度構(gòu)建三重?cái)?shù)據(jù)采集體系。具體地，在配料和搓制環(huán)節(jié)，由工人通過工業(yè)pad將水溫、添加劑、搓制時(shí)間、面團(tuán)溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在成型環(huán)節(jié)，采集成型機(jī)的位置、型號(hào)、產(chǎn)能等靜態(tài)數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)蒸車加裝適應(yīng)高溫、高壓、潮濕環(huán)境下的rfid標(biāo)簽，保存當(dāng)前蒸車的編號(hào)、裝載包點(diǎn)的類型及數(shù)量。在醒發(fā)、蒸煮、預(yù)冷等環(huán)節(jié)，部署溫度、濕度傳感器采集醒發(fā)房和預(yù)冷間的溫濕度數(shù)據(jù)，讀取蒸煮設(shè)備的蒸汽壓力數(shù)據(jù)，并在每個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)出通道上部署rfid讀寫器，實(shí)時(shí)獲取蒸車的位置數(shù)據(jù)。在速凍、內(nèi)包裝環(huán)節(jié)，獲取速凍機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、溫度變化曲線等數(shù)據(jù)，并在傳送帶上加裝計(jì)數(shù)傳感器獲取物流數(shù)據(jù)。在金檢、外包裝、入庫(kù)環(huán)節(jié)，獲取金檢機(jī)、裝箱機(jī)器人、碼垛機(jī)器人等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)置傳感器統(tǒng)計(jì)入庫(kù)成品數(shù)量以及實(shí)時(shí)庫(kù)溫?cái)?shù)據(jù)。

6、優(yōu)選的，所述在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，包含產(chǎn)品配方、加工工藝、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)訂單、生產(chǎn)計(jì)劃、工人班組等多種制造要素的數(shù)據(jù)模型，用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)車間智能管控的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口與erp、mes等外部系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)也為建模仿真系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)管控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。具體地，產(chǎn)品配方數(shù)據(jù)模型包括面粉品牌、水溫、添加劑、配比、工序等字段。加工工藝數(shù)據(jù)模型包括皮料種類、餡料種類、皮餡比、成型設(shè)備、醒發(fā)時(shí)間、蒸煮時(shí)間、預(yù)冷時(shí)間、速凍時(shí)間等字段。生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)模型包括生產(chǎn)廠家、設(shè)備名稱、設(shè)備編號(hào)、設(shè)備功能、設(shè)備位置、生產(chǎn)能力、維修記錄、當(dāng)前狀態(tài)等字段。生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)模型包括產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品編號(hào)、生產(chǎn)數(shù)量、餡料數(shù)量、標(biāo)簽數(shù)量、開始時(shí)間、生產(chǎn)設(shè)備、結(jié)束時(shí)間、配備班組等字段。工人班組數(shù)據(jù)模型包括班組編號(hào)、工人編號(hào)、工人姓名、所屬部門、技能等級(jí)、人均勞效、生產(chǎn)績(jī)效、人員考勤、任務(wù)分配等字段。

7、優(yōu)選的，所述在建模仿真系統(tǒng)中，包含三維模型、行為模型、規(guī)則模型、邏輯模型等多層次模型，用于刻畫生產(chǎn)業(yè)務(wù)、沉淀行業(yè)知識(shí)，結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)管控系統(tǒng)提供決策支撐。具體地，三維模型用于展示生產(chǎn)車間的整體布局和運(yùn)行現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測(cè)。行為模型用于描述生產(chǎn)車間多種設(shè)備處于不同運(yùn)行狀態(tài)間的動(dòng)態(tài)切換機(jī)制，通過搜集設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)開發(fā)的監(jiān)測(cè)算法，以事件驅(qū)動(dòng)的方式更新設(shè)備行為模型中的狀態(tài)信息。規(guī)則模型用于從生產(chǎn)、工藝、品質(zhì)方面構(gòu)建管控規(guī)則，例如排產(chǎn)約束條件、工藝操作順序、包點(diǎn)缺陷類型等。邏輯模型用于結(jié)合速凍包點(diǎn)的生產(chǎn)工序，描述各主要生產(chǎn)要素關(guān)聯(lián)互動(dòng)的業(yè)務(wù)流程和車間運(yùn)行方式，通過仿真引擎執(zhí)行生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)仿真。

8、優(yōu)選的，所述在動(dòng)態(tài)管控系統(tǒng)中，包含自動(dòng)排產(chǎn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)追蹤、異常處理等模塊，由車間管理人員和班組人員以手持pad、車間大屏、網(wǎng)頁(yè)端等多種交互方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間智能管控。具體地，自動(dòng)排產(chǎn)模塊用于將生產(chǎn)訂單轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)任務(wù)，并下達(dá)到具體設(shè)備和班組人員。遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊用于從各個(gè)生產(chǎn)工段層面和整個(gè)車間層面，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)并更新關(guān)鍵管控指標(biāo)，包括當(dāng)前產(chǎn)能、設(shè)備狀態(tài)、人員出勤、能源消耗、產(chǎn)品合格率等。生產(chǎn)追蹤模塊用于展示當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)的完成情況，包括已完成、未完成、進(jìn)行中、出現(xiàn)異常等多種狀態(tài)。異常處理模塊用于協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程中的各個(gè)制造要素并傳遞執(zhí)行指令，有效處理插單、缺料、機(jī)器故障、取消訂單等多種異常事件，確保生產(chǎn)計(jì)劃的有序完成。

9、優(yōu)選的，所述該動(dòng)態(tài)管控系統(tǒng)的運(yùn)行步驟為：

10、s1、車間計(jì)劃人員在生產(chǎn)前一天使用自動(dòng)排產(chǎn)模塊生成車間生產(chǎn)計(jì)劃，以甘特圖、任務(wù)列表等形式進(jìn)行呈現(xiàn)，確認(rèn)合理之后即可將生產(chǎn)任務(wù)通知到相關(guān)部門、相關(guān)人員手機(jī)端；

11、s2、倉(cāng)儲(chǔ)部確認(rèn)包材供應(yīng)信息，餡料車間確認(rèn)餡料供應(yīng)信息，速凍包點(diǎn)車間確認(rèn)生產(chǎn)人員、設(shè)備信息；

12、s3、對(duì)各部門各人員反饋的生產(chǎn)任務(wù)信息進(jìn)行匯總，車間計(jì)劃人員通過網(wǎng)頁(yè)端交互方式操作自動(dòng)排產(chǎn)模塊，對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行調(diào)整；

13、s4、調(diào)整后的生產(chǎn)任務(wù)列表重新下放到相關(guān)人員手機(jī)端，并在第二天按照生產(chǎn)任務(wù)組織生產(chǎn)；

14、s5、在生產(chǎn)過程中，各個(gè)工段的負(fù)責(zé)人員通過手持pad更新生產(chǎn)任務(wù)的已完成、進(jìn)行中、出現(xiàn)異常等狀態(tài)。針對(duì)不同類型的生產(chǎn)任務(wù)異常狀態(tài)，自動(dòng)生成相應(yīng)的通知發(fā)送給相關(guān)部門人員；

15、s6、車間計(jì)劃人員通過生產(chǎn)追蹤模塊處理生產(chǎn)任務(wù)列表中的異常任務(wù)，對(duì)設(shè)備故障、原料短缺、插單、取消訂單等不同類型異常執(zhí)行相應(yīng)的處理方法，并通知到相應(yīng)人員；

16、s7、生產(chǎn)過程中各個(gè)工段的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊傳輸?shù)杰囬g大屏，整個(gè)車間層面的管控指標(biāo)傳輸?shù)杰囬g辦公室大屏進(jìn)行可視化展示，也可通過手機(jī)端和網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行訪問。

17、優(yōu)選的，上述自動(dòng)排產(chǎn)模塊的步驟為：

18、s1、接收生產(chǎn)訂單，確認(rèn)是否可以安排生產(chǎn)；

19、s2、明確排產(chǎn)算法相關(guān)參數(shù)，包括優(yōu)化目標(biāo)、初始參數(shù)、約束條件等；

20、s3、與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)交互，獲取相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，更新建模仿真系統(tǒng)；

21、s4、運(yùn)行建模仿真系統(tǒng)，通過排產(chǎn)算法，獲取生產(chǎn)任務(wù)列表；

22、s5、更新生產(chǎn)任務(wù)列表，根據(jù)異常任務(wù)的處理結(jié)果，以手動(dòng)或者自動(dòng)方式對(duì)剩余生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行重新排產(chǎn)。

23、優(yōu)選的，上述的自動(dòng)排產(chǎn)算法用于對(duì)速凍車間多品種、小批量訂單的拆分和重組，生成生產(chǎn)任務(wù)分配給生產(chǎn)設(shè)備和工人班組，滿足交貨期、保質(zhì)期等約束條件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備利用率最優(yōu)、生產(chǎn)周期最小等生產(chǎn)目標(biāo)。具體地，假設(shè)現(xiàn)有生產(chǎn)訂單集合為o，速凍產(chǎn)品集合為p。其中，第i個(gè)生產(chǎn)訂單oi中編號(hào)為j的速凍產(chǎn)品生產(chǎn)子訂單為oij，生產(chǎn)數(shù)量為nij,交貨期為dti，保質(zhì)期為ftj，則速凍產(chǎn)品生產(chǎn)子訂單表示為：

24、oij＝{pj，nij，dti，ftj}

25、速凍生產(chǎn)車間中的包點(diǎn)機(jī)、饅頭機(jī)等設(shè)備形成集合為m，第k種設(shè)備mk的數(shù)量為lk，可生產(chǎn)的速凍產(chǎn)品類型集合為{pk}，每日產(chǎn)能為ck，不良率為wk，則速凍車間的設(shè)備mk表示為：

26、mk＝{lk，{pk}，ck，wk}。

27、優(yōu)選的，所述自動(dòng)排產(chǎn)算法的步驟為：

28、s1、所有的生產(chǎn)子訂單匯總形成集合s＝{oij}；

29、s2、根據(jù)每個(gè)設(shè)備可以生產(chǎn)的速凍產(chǎn)品類型，對(duì)集合s劃分為k個(gè)子集，s＝{s1，s2，...，sk}，其中sk表示第k種設(shè)備可以完成的生產(chǎn)子訂單集合；

30、s3、使用整數(shù)編碼方式對(duì)s中的每個(gè)子集sk進(jìn)行染色體編碼，k段染色體拼接形成一條染色體；

31、s4、更改隨機(jī)數(shù)種子，生成n條染色體形成初始種群；

32、s5、將初始種群中的每條染色體輸入建模仿真系統(tǒng)中，計(jì)算每個(gè)訂單oi的完成時(shí)間，將設(shè)備利用率以及交貨期滿足率作為種群中個(gè)體適應(yīng)值；

33、s6、對(duì)染色體種群執(zhí)行選擇、交叉、變異操作，更新染色體種群；

34、s7、經(jīng)過若干輪迭代之后，停止染色體種群進(jìn)化，將最優(yōu)個(gè)體的染色體進(jìn)行解碼，生成第k種設(shè)備上每個(gè)子集sk的最優(yōu)子訂單執(zhí)行順序；

35、s8、按照每個(gè)子集sk的最優(yōu)子訂單執(zhí)行順序，將這些子訂單分配到每日生產(chǎn)，整合工人班組信息，形成每日生產(chǎn)任務(wù)；

36、其中建模仿真系統(tǒng)計(jì)算每條染色體設(shè)備利用率及交貨期滿足率，所述算法步驟為：

37、s1、考慮車間不同類型設(shè)備的數(shù)量以及生產(chǎn)不良率，計(jì)算第k種設(shè)備的實(shí)際產(chǎn)能rc為

38、s2、第k種設(shè)備根據(jù)染色體編碼對(duì)子集sk中每個(gè)子訂單依次進(jìn)行執(zhí)行生產(chǎn)，不同速凍產(chǎn)品的生產(chǎn)切換需要0.5小時(shí)，更新第k種設(shè)備上每個(gè)子集sk中生產(chǎn)子訂單oij的完成時(shí)間stij；

39、s3、計(jì)算訂單oi的完成時(shí)間sti，sti＝maxj{stij}，即生產(chǎn)子訂單oij的最大值；

40、s4、根據(jù)生產(chǎn)子訂單的分配，依次計(jì)算每種設(shè)備的利用率，并取平均值作為車間設(shè)備的整體利用率；

41、s5、比較每個(gè)訂單oi的完成時(shí)間sti和交期時(shí)間dti，計(jì)算所有訂單的交貨期滿足率。

42、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以車間無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)為媒介，通過集線器、交換機(jī)、工業(yè)路由器、光纖網(wǎng)線等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接設(shè)備控制器、上位機(jī)、傳感器、工控機(jī)、手持pad、車間大屏、服務(wù)器的軟硬件接口。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、建模仿真系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)管控系統(tǒng)運(yùn)行于車間服務(wù)器，允許通過電腦、手機(jī)、車間大屏等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。

43、(三)有益效果

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字孿生的速凍包點(diǎn)生產(chǎn)車間智能管控系統(tǒng)，具備以下有益效果：

45、該基于數(shù)字孿生的速凍包點(diǎn)生產(chǎn)車間智能管控系統(tǒng)，

46、1、增加車間透明度，減輕車間相關(guān)管控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

47、2、通過全局優(yōu)化提高了設(shè)備利用率、減少了物料浪費(fèi)，減輕了工人工作強(qiáng)度。

48、3、有助于積累數(shù)據(jù)資產(chǎn)，形成生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，促進(jìn)生產(chǎn)過程的持續(xù)改善。

49、4、提高了速凍包點(diǎn)生產(chǎn)車間的管控水平，有助于提高食品生產(chǎn)效率和保障食品安全。

50、5、通過數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)速凍包點(diǎn)車間生產(chǎn)過程的智能管控，包括自動(dòng)排產(chǎn)、生產(chǎn)追蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)控、異常處理等主要業(yè)務(wù)流程。