【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及典型零部件加工，具体涉及一种基于数字孪生的生产车间设备物理布局的优化方法。
技术介绍
1、随着智能制造业的发展，生产车间的布局规划在提高生产效率、优化资源配置和减少成本浪费方面发挥着越来越重要的作用。目前，传统的车间布局方法通常依赖于人工经验和静态模型，难以应对复杂多变的生产需求，且无法充分利用车间空间。这种静态布局方式往往忽略了设备的实际物理尺寸和相互间的动态关系，导致空间利用率低下、物料流转不畅以及生产效率的下降。
2、随着数字孪生技术的快速发展，能够将设备的三维模型导入虚拟环境中进行仿真验证已经逐步成为现实。通过这一技术，可以在虚拟空间中精确再现工厂车间内的实际生产环境，模拟设备的物理特性和布局效果。这使得在规划和调整车间布局时，不仅可以直观地看到设备的摆放位置，还能通过仿真验证不同布局方案的可行性。
3、因此，有必要通过将数字孪生技术与智能优化算法的结合，提供一种有效的设备物理布局优化方法，解决现有技术中布局调整不够灵活和空间利用率不高的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：针对目前工业生产中设备布局不合理、调整复杂等问题，从影响设备物理布局效率和空间利用率的关键因素出发，提供了一种基于数字孪生的生产车间设备物理布局的优化方法。该方法利用仿真技术和智能优化算法，实现生产车间内设备布局的动态调整与优化，旨在提高空间利用率和生产效率，适用于工业生产中的布局规划与优化设计。通过在虚拟仿真环境中进行建模、检测验证和布局优化，实现对设备
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种基于数字孪生的生产车间设备物理布局的优化方法，包括以下步骤：
4、s1仿真建模
5、基于设备的加工工艺流程，采用仿真软件对整个生产过程进行建模；
6、通过输入设备加工时间及物料运输方式，计算并输出设定生产过程的仿真结果，为后续布局优化提供数据支持；
7、s2工作空间构建
8、s2.1进行三维工作空间的物理建模，定义设备和车间的空间尺寸；
9、s2.2每个设备均具有唯一编号，并加上碰撞体，通过虚拟环境中设备模型的初始化，建立与真实设备相对应的经过优化处理的三维模型；
10、s2.3收集每次待优化物体的位置信息，并将这些数据作为输入传递给粒子群智能优化算法，将其用于后续的迭代优化过程；
11、s3布局优化
12、设置迭代终止条件t，采用粒子群智能优化算法pso对设备布局进行优化处理，并将优化后的设备位置信息反馈到数字孪生空间；
13、s4碰撞检测
14、在某个设备移动过程中与其他设备或边界发生碰撞时，根据布局重组算法进行布局优化调整；所述布局重组算法包括：
15、每次碰撞发生时，记录发生在两个碰撞物体之间的碰撞当前计数(记为当前计数)以及碰撞的总计数(记为总计数)；
16、当(当前计数÷总计数)的值小于设定重组概率值时，若速度向量指向的位移点有合适空位，则移动物体会直接移动到该位置；若移动物体在速度向量指向的目标空位没有合适空位，则以最短路径沿着被碰撞物体的边缘寻找能够放置的合适空位直至到达目标空位为止；若直至到达目标空位还未找到合适空位，则放弃此次移动；
17、当(当前计数÷总计数)的值大于等于设定重组概率值时，执行强制布局重组操作。当进入强制布局重组阶段时，如果目标空位是合适空位，物体直接放置到目标空位即可。如果目标空位不是合适空位，物体直接放置到目标空位，接下来进行布局调整操作；
18、进一步地，所述布局调整是通过确定碰撞物体的位置和重叠情况，并在各方向上进行相应调整，以消除重叠并优化整体布局；
19、布局重组的最后阶段为中心定位，包括：通过计算整个设备布局的几何中心，使其与车间布局的几何中心点重合；如果此次迭代满足预设的迭代终止条件t，则停止布局迭代优化，进入步骤s5进行布局评估；否则返回步骤s2.3。
20、s5布局评估
21、计算设备的总占用空间，并评估车间布局的空间利用率，判断布局优化结果是否满足预设的迭代终止条件t，如果不满足则返回步骤s2.3。
22、进一步地，所述粒子群智能优化算法中第t+1代第i个粒子的第j维坐标更新公式为：
23、xij(t+1)＝xij(t)+vij(t+1)
24、vij(t+1)＝wvij(t)+c1r1(t)[pij(t)-xij(t)]+c2r2(t)[pgj(t)-xij(t)]
25、其中：vij(t)代表当前代(第t代)第i个粒子的第j维的速度；vij(t+1)代表下一代(第t+1代)第i个粒子的第j维的速度；w代表惯性权重，控制粒子当前速度在下一代中的影响力，用于平衡算法的全局搜索能力和局部搜索能力；c1代表自我认知系数，用于调节粒子自身最佳位置pij(t)对其速度的影响；pij(t)代表第i个粒子在第t代的第j维的个体历史最佳位置；c2代表自我认知系数，用于调节粒子自身最佳位置pij(t)对其速度的影响；pgj(t)代表第j维的全局最佳位置，表示粒子群中所有粒子历史上达到的最佳位置；r1(t)和r2(t)代表介于0和1之间的随机数，确保粒子在搜索空间中的多样性。
26、进一步地，所述物料运输方式用于计算设备之间的物料运输时间；物料运输方式包括直线运输和两段折线运输两种类型；设备之间的物料运输时间基于二维世界坐标系进行计算；当设备之间的连线与坐标系平行时，则设备之间的物料运输方式仅为直线运输；当设备之间的连线与坐标系交叉时，物料运输方式可以为直线运输或两段折线运输；设备之间的物料运输时间则通过运输线段的总长度来确定；
27、所述两段折线运输方式指的是当设备之间的连线与坐标系交叉时，物料的运输路径由两个依次与坐标轴平行的直线段连接而成，用于避开障碍物或适应实际布局。
28、进一步地，所述全局搜索过程中的全局最佳位置是指当前设备的前序和后序所有设备中的最优位置。
29、进一步地，所有设备对应的物体不能超出车间布局的边界范围。若发生物体超出边界的情况，可以选择重新优化或者选择最近一次迭代过程中的合理数据作为最终优化结果；若多次重试都没有合理的迭代数据，可以选择不同的工艺规则进行重新仿真建模或者扩大车间布局尺寸。
30、进一步地，计算空间利用率值u，通过数字孪生空间中的ui面板显示仿真结果s的曲线图、空间利用率u的曲线图以及综合指标i的曲线图，便于分析和选取合适的布局优化结果；综合指标i的计算公式如下：
31、
32、其中，smin代表所有设备布局优化方案中仿真结果的最小值，s代表当前仿真结果，umax代表所有设备布局优化方案中空间利用率的最大值，u代表当前设备布局优化方案的空间利用率，γ本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数字孪生的生产车间设备物理布局的优化方法，其特征在，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中：
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4还包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5还包括：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4还包括：
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，在步骤S2中：
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，所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1-9任一项所述的一种基于数字孪生的生产车间设备物理布局的优化方法的步骤。
【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的生产车间设备物理布局的优化方法，其特征在，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s1中：
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4还包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s5还包括：...
【专利技术属性】
技术研发人员：熊开放，崔海，李森，杨少华，王雅婕，戍品臣，邹云堂，田彦荣，
申请(专利权)人：云南昆船设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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