基于數字孿生的數控設備互聯互通及可視化*

黃祖廣 潘 輝 薛瑞娟 王金江 張 維 高知國

(①國家機床質量檢驗監督中心，北京100102；②中國石油大學(北京)機械與儲運學院，北京 102249)

隨著計算機和互聯網技術的高速發展，傳統制造業開始發生根本性改變，制造領域正面臨著從數字制造向智能制造的轉型升級[1]。但是數控設備之間存在通信接口不統一[2]、通信缺乏認證機制[3]、設備不對外開放[4]、無法對各種不同類型的數控設備進行統一管理，造成高投入低產出[5]的不利現狀。因此，實現設備之間數據的互聯互通是解決這一問題的關鍵，即將基于不同底層協議的不同類型的數控系統進行數據集成，實現各類型數控裝備的信息互聯[6]。本文提出了一種基于數字孿生的數控裝備互聯互通及可視化系統，利用OPC UA協議將服務器端采集的各數控系統不同類型實時數據信息進行讀取、轉化后存入基于標準制定的數據庫中，構建了數控機床數據字典及工業機器人數據字典并進行實時數據映射，驅動數控機床的數字孿生模型，實現了數控機床數字孿生模型與物理模型的同步運動，從而直觀地展示數控機床的互聯互通信息與運行狀態。

1 數字孿生技術及應用

數字孿生(digital twin)是充分利用物理模型、數據更新、運行歷史等方面在數字世界中完成對現實世界的實時映射，從而反映對應現實設備全生命周期過程的一種技術[7]。其概念自2003年由Grieves教授提出后，結合智能制造與深度信息融合的時代背景被廣泛地應用于工業生產的各個領域[8-9]。美國空軍研究實驗室(nation aeronautics)基于數字孿生技術，利用高保真飛行模型與影響飛行的結構偏差和溫度相結合，構建飛機飛行的疲勞壽命預測模型[10]；美國通用電氣公司基于數字孿生體，結合云服務平臺Predix，利用大數據、工業互聯網等先進技術構建發動機的實時監測系統，實現了發動機生產過程故障診斷與預測性維護[11-12]；達索公司利用數字孿生3D交互平臺，通過用戶在虛擬端的體驗信息不斷地優化與改進相應的實際物理模型[13-14]；中國空空導彈研究院基于數字孿生的思想，借助調制傳遞函數將機載廣電系統性能影響因素統一映射到能量域，解決了系統性能退化多場耦合建模難題[15-16]。綜上所述，數字孿生技術將現實世界與虛擬世界以數據的形式連接起來，架起了由現實通向虛擬的第一座橋。

本文基于數字孿生技術構建了生產車間數控設備的數字孿生體，以工業互聯網為平臺結合數控設備的實時運行參數建立了具有不同底層協議數控設備的互聯互通可視化系統。

2 數控設備數字孿生可視化系統的構建

車間數控設備數字孿生可視化系統的構建依據數字孿生五維模型理論[17-18]，以模型、數據、通信為基礎，以工業互聯網為平臺進行構建。數字孿生可視化系統利用工業互聯網強大的數據整合與系統集成能力，對來自不同廠家、具有不同底層協議的數控裝備進行系統層面的互聯互通；通過對底層數據源的實時狀態數據采集與數據驅動，結合車間生產設備的實時監控，實現車間數控設備在生產過程、運行維護、事件記錄等方面由操作人員手動記錄、二維圖表表示到三維立體化、全方位記錄與展示的轉變，實現了車間數控設備生產過程監測由二維到三維的飛躍。同時，在數控裝備三維可視化的基礎上，通過訓練、監測車間數控設備的數字模型，不斷的提高優化設備運行過程，將優化結果反饋至車間生產設備，從而提高實際設備運行、管理、監測等水平。

2.1 設備數字模型的構建

設備數字模型要求建立與實際設備在幾何、行為、約束等因素高度一致的三維模型。為了更好地還原數字空間中設備的工作條件以及多臺設備聯合工作的情形，所以不僅僅要構建數控設備三維數字模型，還需要構建車間廠房以及輔助設備的三維模型，使設備數字模型在數字車間中具有與實際生產車間高度一致的分布狀態。

根據車間生產過程關鍵要素建模理論[19-20]，車間設備模型(DTequip)主要包括功能模型(FunctionM)、虛實通訊接口(VRInterface)、虛擬服務(VService)：

DTequip={FunctionM,VRInterface,VService}

(1)

功能模型(FunctionM)要求根據實際生產設備建立對應功能的孿生模型，這就需要有高度精準的車間三維模型以及車間內設備實時的業務數據。一般車間數控設備結構復雜且缺乏相應圖紙，直接建模難度較大。而三維激光掃描系統可以大量獲取目標對象的數據點，因此可以較為精確地反映復雜形狀的空間分布。此外，針對物理車間的某臺數控機床，數字模型必須涵蓋了該機床的外觀、約束以及各個零件的裝配關系，使得數字模型與實際物理機床具有相同的運動能力。因此，在建立數字模型車間時還需要考慮設備在信息空間中與其他設備的協作以及如何確定信息空間中的工藝流程及誤差追溯與補償等因素。

針對上述兩方面的問題，本文首先使用三維激光掃描儀對物理車間內數控設備進行掃描，利用激光測距的原理通過記錄被測物體表面點的三維坐標和紋理等信息，獲取被掃描目標大量的密集數據點，得到高精度的設備點云三維模型，用以確定主要設備空間物理信息；其次，使用點云模型在3DS MAX建模軟件中，建立具有與實際物理車間一致多維數字模型庫，并封裝成為可以調用的包文件。

虛實通訊接口(VRInterface)是實現數字孿生模型與實際生產設備之間數據傳輸與實時驅動的基礎。通過傳感器對生產設備各個運動關節的運動參數進行提取，運用PLC將生產設備的運動參數傳遞至相對應的數字孿生模型，因此，在構建數字模型時，必須構建靈敏的數據通訊機制。而虛擬服務(VService)是對設備數字孿生模型運行中功能模型的實現、運動信號的處理等方面的有力支撐。行為的實現需要利用不同的虛擬服務去驅動模型完成不同信號的響應，其詳細過程在2.3小節敘述。

2.2 基于OPC UA的通訊構架

為解決不同設備間信息傳遞滯后與損失的問題，本文基于OPC UA框架來處理復雜數據內置和跨平臺操作，實現統一的標準化虛實通訊。OPC UA是OPC基金會推出的工業軟件應用接口規范，其獨立于制造商，可適用于不同操作系統，使用不同的編程語言對其開發。OPC UA統一構架以其靈活、普適的特點成為各個數控裝備進行信息互聯的不二選擇。

OPC UA服務器通過現場總線、工業以太網與數控機床、工業機器人等可編程設備連接，獲取其控制元件如PLC、傳感器等I/O端口數據，實現車間底層設備的數據采集。服務器通過對現場數據以及設備信息的匯總后，將其轉化為支持OPC UA協議的數據，存儲至數據庫，作為數據實時驅動車間模型的數據層。邏輯控制層對設備相應的數據進行讀寫、分析計算等，實現根據展示界面層的用戶要求驅動各類要素模型，更新要素實時的生產數據進行分析以及智能決策等。

2.3 數字設備實時映射與驅動

數字實時映射與驅動是在數字模型的基礎上對生產設備實時運行參數進行在數字世界中的實時映射，實現設備運行過程在虛擬空間中的投影。數字空間對物理空間的映射是數字孿生技術虛實交互應用的基礎。

數字設備實時映射與驅動內容包括設備動作信號、設備狀態數據、指令數據等三類，描述如表1所示。數據實時映射過程是指將數控設備上述參數通過數據采集系統、通訊系統采集、傳輸至實時數據庫，在數據庫中對設備源數據進行清洗、優化集成新的數據集后鏈接到車間生產設備的數字模型上作為數字設備數據指令。

表1 生產設備映射數據

孿生模型的實時驅動采用Unity虛擬現實驅動引擎完成。Unity引擎通過獲取存儲在數據庫中的生產設備實時運行數據集驅動數字模型，實現數字模型與生產設備的同步運動。數控設備數據驅動系統框架如圖1所示，以展示界面層、邏輯傳遞層以及數據層作為主要結構。展示界面層通過三維可視化的方式為用戶展示設備生產狀態，同時將用戶的指令通過邏輯層傳遞至服務器。服務器與數據采集系統以及數據庫屬于數據層，數據采集系統將生產設備實時狀態數據收集后存儲在數據庫中，當服務器收到來自邏輯層的用戶指令后獲取數據庫中的實時數據作為數據驅動引擎的源數據從而驅動數字模型與實際設備進行一致的生產過程，再通過邏輯層傳遞到展示界面層，實現對數字車間的實時驅動。

3 應用實例

某生產車間包括車間廠房、六自由度工業機器人以及兩臺工業數控機床，下面將以此車間為例，詳細描述整個車間數控設備互聯互通可視化的實現過程

3.1 孿生模型構建

使用三維激光掃描儀FARO S350對生產設備進行激光掃描以獲得三維點云數據。通過激光掃描以及車間現場考察，結合三維點云數據進行車間以及生產設備的數字模型構建和渲染。圖2展示了建模渲染完畢后車間實際生產設備與數字孿生設備的對比情況。當車間模型構建完畢后，還需要在車間中布置、渲染。通過現場拍攝的照片以及與車間負責人員交流等，選取合適的材質、貼圖進行渲染。為了更好地展示可視化效果，還需要對廠區布置添加光影效果。模型的光影效果可以在3DS MAX中進行調整，也可以在模型導入Unity3D中后再進行設置。

3.2 數據通訊以及實時數據驅動

在實際生產車間中布置OPC UA服務器后，首先通過地址空間找到設備的數據源，獲取生產設備組件信息，再通過服務器對上述數據匯總并轉換格式后統一存儲至數據庫。然后，利用Unity數據驅動引擎對數據進行邏輯處理，通過C#編寫的邏輯控制層從數據庫獲得每個設備的實時狀態參數，從而與控制層對應的生產設備數字模型進行交互，實現對數字設備模型的高度擬真化運行與設備運行狀況的實時監測。當數控機器人運動時，通過OPC UA服務器對數控設備的實時運動坐標讀取并轉化為統一格式后作為每一個運動單位的運動坐標存儲至數據庫中，后通過邏輯控制層獲取數據，在Unity引擎中對數字模型進行驅動，實現機器人與數字模型的同步運動。根據上述內容建立起的面向互聯的數控設備可視化系統如圖3所示。

面向互聯互通的數控設備可視化系統結合了FastAPI后端框架與Vue前端框架運行速度快、運維方便、封裝快捷的特點，在很大程度上方便了用戶后期的維護與學習。系統以動態曲線結合數字坐標的形式，無間斷地記錄生產設備每個運行周期的實時狀態參數，直觀地展示了設備運行數據的變化以及發展趨勢，為設備的運行優化奠定了基礎。同時以設備數字孿生模型結合生產現場實時監控對設備生產過程加以記錄，全方位、立體化地將被監測設備工作過程展現在用戶面前，實現了生產車間生產過程透明化，較之傳統的以數據記錄車間生產過程的方式，極大地提高了生產車間數控設備生產事故的可追溯性與發展趨勢的可預測性。

4 結語

數字孿生技術是實現物理世界與信息世界共融的關鍵，是全球制造業發展的必然趨勢，生產設備之間生產數據互聯互通更是數字孿生技術得以發展的必要條件。本文為基于數字孿生的數控設備互聯互通及可視化實現提供了技術解決方案并進行驗證。采用三維掃描技術對生產車間進行模型搭建，利用OPC UA通訊構架快速建立車間生產設備與數字空間的通道并建立實時數據庫，對各個生產設備不同格式的狀態參數進行存儲與調用；基于Unity數據驅動引擎對車間數字模型進行實時驅動；使用Vue與FastAPI作為網站前后端框架，結合工業互聯網作為車間數控設備數字孿生系統的展示平臺，克服了設備間數據交互困難、車間生產設備運行過程記錄繁瑣、數據記錄表達不直觀、現場設備生產過程監測成本較高等弊端，為生產車間數控設備過程監測與優化提供了新的方法。