張 南，張 順，劉利勛，高 明

(1.遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院大數(shù)據(jù)研究院，大連 116000；2.大連邁思信息技術(shù)有限公司，大連 116023)

0 引言

數(shù)字孿生技術(shù)作為物理信息世界融合的有效手段，在車間智能管控的過程中占有重要地位。而車間信息實(shí)時(shí)采集、集成、管理是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間的前提和重要的基礎(chǔ)，大量研究對(duì)裝配過程數(shù)據(jù)采集與管理、裝配過程可視化等問題，進(jìn)行了探討和總結(jié)，并成功應(yīng)用，提升了企業(yè)車間管理及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理水平。周光源等[1]通過研究生產(chǎn)車間可視化監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)一種能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)過程的生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)。鄒旺等[2]開發(fā)制造過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)架構(gòu)，提出車間制造過程異構(gòu)數(shù)據(jù)采集方法。方磊等[3]提出一種數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架，開發(fā)數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間生產(chǎn)過程監(jiān)控及可視化，陶飛等[4-5]提出數(shù)字孿生車間的運(yùn)行機(jī)制及其實(shí)現(xiàn)所需的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)提出數(shù)字孿生車間的五維模型，在此基礎(chǔ)上，關(guān)于數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)方法及建模技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。關(guān)輝[6]提出數(shù)字化模擬車間中生產(chǎn)線、AGV物流、立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行及交互過程方法，并應(yīng)用于緊固件生產(chǎn)車間。鄭守國(guó)等[7]以生產(chǎn)線關(guān)鍵要素建模與實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，提出基于數(shù)字孿生的飛機(jī)總裝生產(chǎn)線車間建?？蚣?。柳林燕等[8]闡述基于OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OLE for process control unified architecture,OPC-UA)的車間生產(chǎn)過程物理實(shí)體數(shù)據(jù)獲取以及車間生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)時(shí)映射等關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用于某生產(chǎn)車間。胡興等[9]構(gòu)建了面向復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程管控的數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生車間同步運(yùn)行方法，并應(yīng)用于某衛(wèi)星裝配車間。肖慶陽(yáng)等[10]實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)線規(guī)劃到生產(chǎn)監(jiān)控的全生命周期管理。完成了從孿生體搭建、多步仿真調(diào)試、信息交互，現(xiàn)場(chǎng)展示到指導(dǎo)生產(chǎn)的全周期智慧車間系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。并應(yīng)用于減速器殼體生產(chǎn)車間。

綜上所述，上述研究為數(shù)字孿生車間的實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，但生產(chǎn)車間孿生模型構(gòu)建及數(shù)據(jù)融合等問題仍需解決。因此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)(多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合及采集、數(shù)字孿生模型三維可視化交互等)進(jìn)行詳細(xì)闡述。同時(shí)，構(gòu)建了數(shù)字孿生車間的體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)，并應(yīng)用于某生產(chǎn)車間。

1 數(shù)字孿生的監(jiān)控方法體系架構(gòu)及系統(tǒng)功能

1.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

基于數(shù)字孿生車間的特點(diǎn)及功能需求，以及數(shù)字孿生的五維模型的概念[5]，即：物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)、各組成部分間的連接，將數(shù)字孿生的車間監(jiān)控系統(tǒng)劃分為物理層、數(shù)據(jù)處理層、孿生模型層、應(yīng)用層。其中，物理層是物理車間中實(shí)體的集合；孿生模型層是物理車間在虛擬空間中的重構(gòu)和數(shù)字映射；數(shù)據(jù)處理層是物理層與孿生模型層交換數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)的載體，用以構(gòu)建孿生體在虛擬空間動(dòng)態(tài)、真實(shí)、準(zhǔn)確地映射；應(yīng)用層負(fù)責(zé)可視化物理空間生產(chǎn)的工位、產(chǎn)品和制造資源的工作進(jìn)度和工作狀態(tài)，對(duì)物理車間的各種車間生產(chǎn)活動(dòng)和生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬、評(píng)估和驗(yàn)證。系統(tǒng)的方法體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字孿生的監(jiān)控方法體系架構(gòu)

(1)物理層與五維模型中的物理實(shí)體車間相對(duì)應(yīng)，是物理車間的主體，主要包括：數(shù)控設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備及其他設(shè)備實(shí)體，以及用于數(shù)據(jù)采集與通訊的傳感設(shè)備、RFID、PLC等設(shè)備。物理設(shè)備之間的有機(jī)配合，完成數(shù)字化生產(chǎn)任務(wù)。

(2)數(shù)據(jù)處理層與五維模型中孿生數(shù)據(jù)及連接層相對(duì)應(yīng)，借助物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成及系統(tǒng)控制。并通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、清洗、建模、存儲(chǔ)等服務(wù)滿足物理空間與孿生模型的一致性及同步性的需求，提供全過程的數(shù)據(jù)支持。連接實(shí)現(xiàn)物理層、孿生模型層、及應(yīng)用層之間的互相聯(lián)通，從而支持虛實(shí)實(shí)時(shí)互聯(lián)與融合。

(3)孿生模型層與五維模型中的虛擬車間層相對(duì)應(yīng)，是物理車間的三維數(shù)字化模型，是數(shù)字孿生虛擬生產(chǎn)線平臺(tái)載體，是對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化重建，實(shí)現(xiàn)物理車間的幾何、物理、行為、規(guī)則等特征的真實(shí)映射。從多維度、多空間尺度、及多時(shí)間尺度對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行刻畫和描述。實(shí)現(xiàn)物理世界向虛擬空間的映射，即生產(chǎn)作業(yè)過程的同步映射。

(4)應(yīng)用層與五維模型中服務(wù)層相對(duì)應(yīng)，通過構(gòu)建數(shù)字孿生三維虛擬監(jiān)控方式，結(jié)合二維表單，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理車間生產(chǎn)活動(dòng)(制造資源、物料、生產(chǎn)進(jìn)度)的有效監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)的功能組成

根據(jù)系統(tǒng)的體系架構(gòu)及生產(chǎn)過程作業(yè)監(jiān)控的實(shí)際需求，將數(shù)字孿生的監(jiān)控及可視化系統(tǒng)功能劃分為：

(1)生產(chǎn)線孿生模型構(gòu)建：在虛擬空間中設(shè)計(jì)與物理空間一致的模型。

(2)設(shè)備數(shù)據(jù)采集及處理：處理及存儲(chǔ)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。

(3)設(shè)備監(jiān)控：對(duì)生產(chǎn)過程中涉及的設(shè)備的信息進(jìn)行采集，信息包括設(shè)備狀態(tài)、當(dāng)前加工零件、生產(chǎn)節(jié)拍等。實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、監(jiān)控和分析動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，有利于對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。

(4)車間生產(chǎn)監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)進(jìn)度等。

(5)生產(chǎn)過程可視化：對(duì)采集的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)孿生模型的雙向映射。實(shí)現(xiàn)虛擬空間的生產(chǎn)可視化，同時(shí)輔以二維報(bào)表(設(shè)備利用率、報(bào)警等)。實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的整體管控。

2 數(shù)字孿生的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

物理車間與虛擬車間的虛實(shí)雙向映射是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間的核心。為準(zhǔn)確地描述車間動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過程，首先建立虛擬車間模型，在此基礎(chǔ)上，將車間制造過程數(shù)據(jù)以事件的形式驅(qū)動(dòng)孿生模型設(shè)備狀態(tài)的改變以及工件在不同工位間的流轉(zhuǎn)，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合工藝流程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)映射，最終通過三維模型渲染實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控的可視化展示，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

2.1 產(chǎn)線孿生模型構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程在虛擬空間的完整描述，需建立多維度和多尺度模型。多維度：包括孿生設(shè)備模型及數(shù)據(jù)模型。多尺度：包括產(chǎn)品、工藝、設(shè)備等不同層次。為使產(chǎn)線的孿生模型更加直觀，采用三維模型可視化車間的布局規(guī)劃及設(shè)備的動(dòng)作。孿生模型的構(gòu)建包括建立三維模型(每一個(gè)三維模型賦予一個(gè)ID)，導(dǎo)入平臺(tái)輕量化處理，設(shè)置可運(yùn)動(dòng)組件，編輯組件動(dòng)作，關(guān)聯(lián)組件動(dòng)作，導(dǎo)出基于時(shí)間的設(shè)備工藝仿真等步驟。孿生模型的構(gòu)建及定義采用自主研發(fā)的數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)軟件(MesWorkDataFactory)，如圖3所示。

圖3 孿生模型構(gòu)建

(1)模型導(dǎo)入及輕量化：通過CATIA、NX、SolidWorks、3DsMax等三維建模軟件設(shè)置設(shè)備的幾何尺寸。為提高模型的渲染速度，對(duì)模型進(jìn)行輕量級(jí)處理，然后根據(jù)物理位置精確定位模型的在虛擬空間的位置，從而完成虛擬車間的布局規(guī)劃。

(2)模型運(yùn)行規(guī)劃：根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，編輯模型的動(dòng)作、工藝(機(jī)器人抓取動(dòng)作、設(shè)備姿態(tài)改變等)、節(jié)拍及時(shí)序循環(huán)等，例如使虛擬模型的動(dòng)作與實(shí)際模型的動(dòng)作相符。

(3)孿生邏輯定義：根據(jù)驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)作的信號(hào)來源(設(shè)備的控制系統(tǒng)或者PLC控制器等)驅(qū)動(dòng)模型。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)雙向互動(dòng)，即：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與虛擬模型動(dòng)作協(xié)同一致。

(4)仿真輸出：輸出基于時(shí)間的設(shè)備工藝路線仿真。

2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集及處理

(1)機(jī)械手、輸送線數(shù)據(jù)。利用PLC等控制器對(duì)接設(shè)備預(yù)留的接口來獲取數(shù)據(jù)，PLC(西門子S7-1200、歐姆龍CP1H等型號(hào))均配有以太網(wǎng)通訊模塊，通過OPC-UA與PLC通訊，將驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生模型需要的信號(hào)數(shù)據(jù)從PLC中讀取，主要包括設(shè)備運(yùn)行信號(hào)、工件到位信號(hào)、位置信號(hào)、設(shè)備報(bào)警、主軸旋轉(zhuǎn)和停止旋轉(zhuǎn)、安全門的開啟和關(guān)閉等各個(gè)數(shù)字孿生運(yùn)動(dòng)所需要的相關(guān)信號(hào)。

(2)機(jī)器人設(shè)備數(shù)據(jù)。孿生模型中已經(jīng)根據(jù)機(jī)器人手冊(cè)中的參數(shù)進(jìn)行建模，直接讀取機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心的角度、動(dòng)作信號(hào)、位置及姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的加工行為的同步。并根據(jù)機(jī)器人的地軌位置坐標(biāo)確保定位精度。根據(jù)機(jī)器人正逆解、速度規(guī)劃、直線插補(bǔ)、曲線插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)學(xué)控制算法，直連現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人，同時(shí)根據(jù)真實(shí)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同步模擬機(jī)器人軌跡、角度、運(yùn)動(dòng)速度、加速度等，兼容機(jī)器人品牌包括：ABB、Fanuc、KUKA、安川等。

(3)機(jī)床上下料中轉(zhuǎn)臺(tái)位置工件信息。通過設(shè)備PLC獲取機(jī)床上料信號(hào)、下料信號(hào)、中轉(zhuǎn)位置信號(hào)、托盤工件線體的各個(gè)工位的到位、離開信號(hào)，通知數(shù)字孿生系統(tǒng)工件托盤位置狀態(tài)。數(shù)字孿生系統(tǒng)根據(jù)上述信號(hào)，讀取PLC的托盤和工件數(shù)據(jù)，獲得工件位置信號(hào)，工件類型信息。

2.3 虛實(shí)同步映射

車間生產(chǎn)線三維數(shù)字孿生系統(tǒng)虛實(shí)同步技術(shù)流程如圖4所示，生產(chǎn)過程中的設(shè)備分為機(jī)械手、輸送線及機(jī)器人等類型設(shè)備，通過定義設(shè)備通訊接口，進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)載入孿生模型文件，通過WEB服務(wù)，進(jìn)行三維可視化模型渲染。在WebGL、ThreeJS、HTML5、CSS等技術(shù)的支撐下，實(shí)時(shí)渲染裝配線裝配過程三維場(chǎng)景。

圖4 虛實(shí)同步映射技術(shù)流程

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 數(shù)字孿生實(shí)時(shí)監(jiān)控及可視化顯示

將生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、計(jì)劃執(zhí)行情況、生產(chǎn)異常信息等數(shù)據(jù)與三維孿生模型相融合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的三維可視化及動(dòng)態(tài)映射。包括產(chǎn)線布局、產(chǎn)線計(jì)劃、各工序在制品、各工序設(shè)備報(bào)警信息等，而且產(chǎn)線和設(shè)備由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)同步映射生產(chǎn)實(shí)況。通過對(duì)各個(gè)生產(chǎn)工藝的工藝流程、設(shè)備關(guān)鍵動(dòng)作進(jìn)行模擬，快速展示各個(gè)生產(chǎn)工序的流程，同時(shí)針對(duì)不同的工序進(jìn)行深度開發(fā)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)與三維模型設(shè)備進(jìn)行融合，可實(shí)現(xiàn)三維模型設(shè)備與現(xiàn)實(shí)物理生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)和控制，真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 孿生的虛擬產(chǎn)線整體畫面

當(dāng)單擊某臺(tái)設(shè)備時(shí)，進(jìn)入單機(jī)查看界面，動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備當(dāng)前加工動(dòng)作。當(dāng)光標(biāo)放在某設(shè)備上時(shí)，顯示該設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)信息及設(shè)備的圖表分析。

3.2 設(shè)備屬性查詢

單擊某設(shè)備，能夠查看該設(shè)備虛擬動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過程。支持折線圖、柱狀圖、餅圖、雷達(dá)圖、散點(diǎn)圖、熱力圖、儀表盤、環(huán)形圖、極坐標(biāo)、水位圖、K線圖等常見圖表。能夠定期彈出設(shè)備屬性框，無需人工操作。

3.3 設(shè)備信息三維可視化

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字孿生工廠的監(jiān)控方式模式，能夠?qū)Ξa(chǎn)線上所有獨(dú)立設(shè)備與附屬設(shè)備的三維建模，快速搜索、定位目標(biāo)設(shè)備，便捷的查詢?cè)O(shè)備信息、設(shè)備安裝應(yīng)用信息、設(shè)備歸屬信息、設(shè)備運(yùn)維信息以及相關(guān)運(yùn)行手冊(cè)，使得生產(chǎn)的實(shí)際情況一目了然。

3.4 數(shù)據(jù)圖表顯示

數(shù)據(jù)可視化分析兼容多種平臺(tái)，支持PC、平板電腦等多終端進(jìn)行同步展示。報(bào)表包括計(jì)劃執(zhí)行情況、訂單生產(chǎn)進(jìn)度、在制品統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)信息、設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息、生產(chǎn)異常信息等，并應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及管理需要進(jìn)行及時(shí)優(yōu)化和更新。

4 結(jié)論

數(shù)字孿生車間通過創(chuàng)建物理車間的虛擬模型并映射物理車間中的行為來建立物理車間與虛擬車間交融的紐帶。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間，從實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，詳細(xì)的闡述了孿生三維模型的創(chuàng)建及其運(yùn)行規(guī)劃及運(yùn)行邏輯定義方法、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集和處理方法以及數(shù)字孿生模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的虛實(shí)映射方法。實(shí)現(xiàn)了物理車間與虛擬車間真實(shí)場(chǎng)景及真實(shí)數(shù)據(jù)的同步，再現(xiàn)了真實(shí)的設(shè)備動(dòng)作及生產(chǎn)邏輯?；跀?shù)字孿生的車間生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)的成功應(yīng)用使生產(chǎn)更透明、管理更智能，大幅度降低生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、協(xié)調(diào)、監(jiān)管等成本。