基于數(shù)字孿生的智能車間建設(shè)方案

隨著新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合發(fā)展，制造業(yè)的生產(chǎn)方式正在發(fā)生深刻變革，為實(shí)現(xiàn)制造業(yè)中的設(shè)備信息能及時(shí)匯總處理，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)制造業(yè)更加智能化的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)對(duì)車間／產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)信息，加工工藝參數(shù)信息，車間物料周轉(zhuǎn)過程、工件工藝質(zhì)量信息、加工過程中的能源損耗信息等的在線監(jiān)測(cè)、分析與故障預(yù)警，有必要建設(shè)一個(gè)生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備和生產(chǎn)執(zhí)行情況的集中監(jiān)測(cè)、預(yù)警管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明可控。1、研究?jī)?nèi)容本文的主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)產(chǎn)線的三維實(shí)時(shí)監(jiān)控的研究，其中最重要的就是對(duì)數(shù)字孿生的研究，生產(chǎn)線數(shù)字孿生主要是對(duì)物理機(jī)床的傳感器、狀態(tài)、加工等數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集、處理與融合，構(gòu)建生產(chǎn)線實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)模型，以實(shí)現(xiàn)物理機(jī)床電氣系統(tǒng)的數(shù)字化映射。

數(shù)字孿生體虛擬模型可以直觀地體現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的物理實(shí)體實(shí)際外觀狀態(tài)，一個(gè)精確、逼真的數(shù)字孿生體虛擬模型可以為工人提供強(qiáng)烈的沉浸感。三維實(shí)時(shí)監(jiān)控可以對(duì)生產(chǎn)線物理實(shí)體的加工過程和全生命周期進(jìn)行全面了解與掌控，為生產(chǎn)線的調(diào)試、報(bào)警預(yù)警、遠(yuǎn)程操控提供平臺(tái)。2、關(guān)鍵技術(shù)研究2.1數(shù)據(jù)建模技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模是數(shù)字孿生技術(shù)的重要基礎(chǔ)，通過使用數(shù)字孿生技術(shù)與數(shù)據(jù)建模結(jié)合在一起，能夠在數(shù)字空間中對(duì)產(chǎn)線的運(yùn)行過程進(jìn)行同步映照。利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合物理實(shí)體產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)線數(shù)字孿生體進(jìn)行模型構(gòu)建、運(yùn)動(dòng)鏈接、環(huán)境搭建，利用產(chǎn)線的數(shù)字孿生體對(duì)物理機(jī)床的整個(gè)生命周期進(jìn)行仿真、監(jiān)控、調(diào)試以及控制等操作，完成虛實(shí)相融、以虛概實(shí)的數(shù)字化。2.2制造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控技術(shù)制造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控以產(chǎn)線的數(shù)字孿生技術(shù)作為基礎(chǔ)，囊括了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的物理生產(chǎn)層面和生產(chǎn)工藝層面的映射。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的物理層面，主要研究加工中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的可視化映射，實(shí)現(xiàn)車間的可視化監(jiān)控；在生產(chǎn)工藝層面，研究了基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線上的制造數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算方法，完成機(jī)床實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)工藝相融合，從而實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生層面的數(shù)據(jù)監(jiān)控展示。2.3大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)預(yù)警技術(shù)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，但仍存在大量無(wú)法量化甚至決策者無(wú)法知曉的不確定性因素，這些不確定性因素導(dǎo)致了決策和生產(chǎn)管控的困難。目前比較成熟的大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)預(yù)警技術(shù)就是要提供一種透明化的工具和解決方案，具有對(duì)不確定性進(jìn)行拆解和量化的能力，進(jìn)而能客觀地估算出在生產(chǎn)過程中機(jī)床設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和利用率，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)過程中的可視化、透明化管理，使管理者實(shí)現(xiàn)“知情”決策。3、智能化車間建設(shè)方案設(shè)計(jì)基于“數(shù)字雙胞胎”的概念，實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備真實(shí)運(yùn)行情況和產(chǎn)品生產(chǎn)過程的虛擬實(shí)時(shí)同步映射，將生產(chǎn)計(jì)劃與執(zhí)行狀況、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀況、車間生產(chǎn)、消耗、質(zhì)量、設(shè)備、能耗等主要管理業(yè)務(wù)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)警分析。3.1系統(tǒng)功能架構(gòu)本方案成功使用現(xiàn)行的各種先進(jìn)技術(shù)，在各個(gè)層面對(duì)工廠制造的信息進(jìn)行表達(dá)和闡述。通過數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)系統(tǒng)獲得生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)（產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)、工件工藝參數(shù)、車間生產(chǎn)進(jìn)度信息）、車間設(shè)備的數(shù)據(jù)（加工狀態(tài)、故障參數(shù)）、生產(chǎn)相關(guān)業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)（排產(chǎn)計(jì)劃、工藝參數(shù)、物料運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)）借助數(shù)據(jù)中臺(tái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物理運(yùn)行狀態(tài)與生產(chǎn)線虛擬孿生模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，把真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M系統(tǒng)。在車間生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行仿真分析處理、故障預(yù)警等，幫助優(yōu)化提升產(chǎn)線，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.2技術(shù)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)本項(xiàng)目采用B／S架構(gòu)，利用3D繪圖協(xié)議技術(shù)可實(shí)現(xiàn)客戶端用戶隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程在線訪問，數(shù)字孿生服務(wù)支持Windows／linux系統(tǒng)部署運(yùn)行，可適配工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，同時(shí)也支持服務(wù)私有化部署。

數(shù)字孿生底層開發(fā)依托Unity3D引擎，通過集成物理仿真、網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)、圖形界面引擎、粒子系統(tǒng)、音頻管理、腳本等各種模塊插件，自主研發(fā)基于離散事件的仿真引擎，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)仿真模型場(chǎng)景搭建、生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入、虛擬物理實(shí)時(shí)在線映射、生產(chǎn)仿真模擬分析等核心功能，功能設(shè)計(jì)部分主要通過如下幾點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.2.1生產(chǎn)線設(shè)備虛實(shí)映射在仿真建模和數(shù)據(jù)接入的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)體產(chǎn)線與虛擬產(chǎn)線的真實(shí)映射與實(shí)時(shí)交互，完成實(shí)體產(chǎn)線、虛擬產(chǎn)線的全過程、全要素、所有數(shù)據(jù)的采集和融合。在已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)模型的驅(qū)動(dòng)下，完成車間生產(chǎn)線上各個(gè)生產(chǎn)要素的管理、生產(chǎn)計(jì)劃制定、產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的控制等在實(shí)體產(chǎn)線、虛擬產(chǎn)線的鏡像化運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)在指定目標(biāo)和有約束的條件下完成車間生產(chǎn)全過程的智能化管控。用戶通過交互設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行自然的、實(shí)時(shí)的交互。實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬仿真技術(shù)在數(shù)字化工廠中的應(yīng)用，包括產(chǎn)線、機(jī)臺(tái)的三維仿真展示和導(dǎo)航，可以根據(jù)三維模型進(jìn)行組態(tài)和配置后實(shí)現(xiàn)三維展示效果，包括旋轉(zhuǎn)、縮放、自動(dòng)路徑漫游和手動(dòng)漫游等；實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行仿真功能，在設(shè)備的仿真動(dòng)態(tài)展示中能夠讀取預(yù)設(shè)文件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的動(dòng)態(tài)仿真。通過數(shù)據(jù)感知、邊緣計(jì)算設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)歸集與傳輸，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)虛擬仿真，通過實(shí)體工廠與虛擬工廠的相互映射、實(shí)時(shí)交互、高效協(xié)同，實(shí)現(xiàn)車間級(jí)別的生產(chǎn)要素管理，車間級(jí)的虛實(shí)映射如圖2所示。圖2虛實(shí)映射示意圖3.2.2生產(chǎn)監(jiān)控、預(yù)警及數(shù)據(jù)可視化以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為支撐，以數(shù)字孿生為核心，充分利用企業(yè)現(xiàn)有信息化、自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施，打造數(shù)字工廠／車間，助力企業(yè)數(shù)字化升級(jí)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、產(chǎn)線虛實(shí)融合優(yōu)化技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)線（人、機(jī)、物、法、環(huán)）全要素進(jìn)行抽象行為規(guī)則建模，搭建生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)對(duì)接產(chǎn)線、管控系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)，完成實(shí)際的生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)虛擬的孿生管控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)映射。并通過設(shè)定好的模型系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集分析并能及時(shí)發(fā)出預(yù)警，完成車間產(chǎn)線的可視化、透明化管理，為管理人員的決策提供參考。3.2.3智能化車間實(shí)現(xiàn)流程（1）以產(chǎn)線設(shè)備中的數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)源，搭建數(shù)字孿生數(shù)據(jù)管理分析架構(gòu)，完成產(chǎn)線的數(shù)據(jù)的采集、驅(qū)動(dòng)、輸入、更新、展示等交互管理工作。（2）搭建車間生產(chǎn)線的三維模型，并按照車間實(shí)際設(shè)備的布局進(jìn)行三維場(chǎng)景的搭建，搭建后的模型與實(shí)際中的產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)三維映射，在虛擬平臺(tái)上建立數(shù)字孿生體系。（3）構(gòu)建車間實(shí)際產(chǎn)線與數(shù)字孿生模型之間的數(shù)據(jù)聯(lián)通體系，用實(shí)際實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)轉(zhuǎn)，并在孿生模型上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行裝填、工件的加工情況和物料周轉(zhuǎn)等信息通過可視化面板的形式完成顯示。實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)和虛擬模型之間的信息動(dòng)態(tài)映射。（4）建立系統(tǒng)預(yù)警模型，循環(huán)采集生產(chǎn)線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)警。車間建設(shè)內(nèi)容如圖3所示，正常運(yùn)行依賴于機(jī)床、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車、機(jī)器人、數(shù)字化立庫(kù)、柔性管控系統(tǒng)等提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。公司已完成生產(chǎn)線、數(shù)字化立庫(kù)等硬件部署，后續(xù)將開展基于孿生的可視化、過程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及預(yù)警等工作。圖3車間建設(shè)內(nèi)容框架3.3關(guān)鍵技術(shù)解決途徑在車間設(shè)備信息預(yù)警等方面，傳統(tǒng)的分析方式是采集過往的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析搭建模型，再通過離線的方式進(jìn)行仿真分析，此方法不能對(duì)車間的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。本文所用的基于數(shù)字孿生的預(yù)測(cè)系統(tǒng)可分為基于仿真預(yù)測(cè)和大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)兩種形式。此模型主要對(duì)基于數(shù)字孿生的車間場(chǎng)景數(shù)據(jù)建模技術(shù)、制造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控技術(shù)、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)預(yù)警技術(shù)三方面進(jìn)行研究。3.3.1數(shù)據(jù)建模技術(shù)（1）設(shè)備建模：外部模型接入是數(shù)字孿生構(gòu)建的核心數(shù)據(jù)來(lái)源，外部模型主要包括幾何模型、數(shù)據(jù)模型、機(jī)理模型和知識(shí)模型等。其中幾何模型又包括幾何外形、幾何外形特征邏輯關(guān)系以及工程屬性等，數(shù)據(jù)模型包括了各種各樣的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)源，另外還包括了與幾何模型相關(guān)的網(wǎng)格模型等，可用于數(shù)字孿生的仿真構(gòu)建過程。模型接口主要通過模型文件進(jìn)行互操作，平臺(tái)模型接口具備下述模型的接入與解析能力。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computeraideddesign，CAD）模型：可讀取常見CAD模型，如step等，可以解析模型文件中的幾何外形。模型制作完畢對(duì)三維模型進(jìn)行貼圖。模型材質(zhì)使用漫反射貼、法線貼圖、金屬平滑度貼圖、環(huán)境光遮蔽貼圖，以提升真實(shí)度，不同材質(zhì)質(zhì)感要符合實(shí)際設(shè)備情況，要保留實(shí)際貼花細(xì)節(jié)，如警告、注意等圖片；（2）場(chǎng)景優(yōu)化：根利用場(chǎng)景分塊動(dòng)態(tài)加載、場(chǎng)景緩存機(jī)制、層級(jí)細(xì)節(jié)技術(shù)、遮擋剔除技術(shù)、貼圖合并技術(shù)、批處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景優(yōu)化，提升數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行性能。場(chǎng)景優(yōu)化能夠很好地提升系統(tǒng)的性能，采用了場(chǎng)景中分塊異步加載，按照創(chuàng)房設(shè)施，六條銑床線和三條車床線，預(yù)調(diào)間分別進(jìn)行異步加載，使用的Unity3D的Addressable技術(shù)，進(jìn)行Addressables.LoadAssetAsync模型加載；未來(lái)車間場(chǎng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景緩存機(jī)制，使用Unity3d的SceneManager.LoadSceneAsync方法異步加載場(chǎng)景；實(shí)現(xiàn)設(shè)備貼圖的合并處理，對(duì)于相同型號(hào)的設(shè)備使用同一個(gè)貼圖，減少內(nèi)存占用；對(duì)于場(chǎng)景設(shè)備模型使用靜態(tài)批處理技術(shù)，設(shè)置Static值，靜態(tài)批處理會(huì)為每一個(gè)物體創(chuàng)建一個(gè)合并后的CombinedMesh，降低DrawCall，提高渲染能力。從而實(shí)現(xiàn)車間孿生系統(tǒng)性能。3.3.2大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)預(yù)警技術(shù)（1）指定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集接口服務(wù)規(guī)范，對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行簡(jiǎn)化，能匹配不同來(lái)源的數(shù)據(jù)信息，降低數(shù)據(jù)接入成本。提供統(tǒng)一的基于簡(jiǎn)單規(guī)則的字段可自定義的前端網(wǎng)頁(yè)表格獲取相應(yīng)參數(shù)，由數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)接多種設(shè)備通信協(xié)議的數(shù)據(jù)來(lái)源，提供統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信接口，通過http協(xié)議或者Websocket協(xié)議發(fā)送給UI層顯示。（2）建立科學(xué)的預(yù)警、報(bào)警指標(biāo)體系。通過對(duì)傳感器歷史數(shù)據(jù)的提取，使用相關(guān)聯(lián)的模型、采用主成分特征模型等方法建立各系統(tǒng)的特征模型，進(jìn)而建立一系列的基于數(shù)據(jù)特征的監(jiān)測(cè)知識(shí)庫(kù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)特征及事件時(shí)繼續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和更新特征模型，基于歷史大數(shù)據(jù)建立對(duì)象的特征模型。把設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在自學(xué)的