基于數字孿生技術的車間三維可視化管理研究

劉百辰

摘? 要? 現如今，我國已經步入了信息化時代，工廠生產車間也必須緊跟時代發展的步伐，建設自動化的生產流水線，從而在保證生產質量的前提下提升生產效率，幫助企業擴大生產規模，提升企業的經濟效益。基于數字孿生技術的車間三維可視化管理研究，對于提升管理效率與管理質量、幫助車間實現數字化生產方面具有十分重要的現實意義。

關鍵詞? 數字孿生技術；工業物聯網；三維可視化管理；生產車間；自動化生產線

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）13-0041-03

0? 引言

在自動化生產流水線發展過程中，部分工業企業由于信息技術水平較低，無法針對自動化生產流水線實現有效的管理，管理系統之間、管理系統與模塊之間缺乏有效的信息交互手段，無法實現對生產車間運行的全流程監控，生產過程透明化程度不高，致使生產車間自動化生產線監控與管理無法得到有效的落實。而孿生網絡技術的研發與推廣給我國工業領域帶來了廣闊的發展前景，將其應用于生產車間的管理當中，建立三維可視化管理系統，可有效提升管理效率與管理質量，幫助車間實現數字化生產。

1? 基于數字孿生技術的車間三維可視化管理理論

1.1? 三維可視化管理系統需求分析

若想實現三維可視化管理，必須明確管理目標。車間三維可視化管理目標主要包括五個方面的內容。

第一個為生產車間的人員，是指整個生產流程中涉及的全部工作人員，指標包括人員的工作狀況、作業狀況及操作狀況，確保工作人員能夠完全按照規定的要求進行工作，加強人機交互安全監控，確保生產流程有序進行。

第二個為機械設備的管理。機械設備是生產車間的重要工具，其運行狀況直接決定生產效率與生產質量，進而影響企業的經濟效益，因此，在三維可視化管理系統中，必須重視對機械設備的管理，不僅需要加強對生產制造產品所用設備的監管，還需要對輔助型設備進行管控，為生產設備提供良好的運行環境。而在三維可視化管理系統中要實現對設備的可視化管理，就必須對設備的運行狀況進行實時監控，包括開機總時長、加工件數及設備異常數據等。

第三個為生產物料的管理。生產物料是實現生產加工的基礎，對物料的管理主要體現在對物料存儲的管理和對物料使用情況的監督。

第四個為對生產工藝方法的管理。生產工藝及生產方法直接決定著產品的質量，在車間三維可視化管理系統當中，必須加強對生產工藝及生產方法的管理，確保自動化生產線能夠完全按照規定的流程及要求進行生產，從而才能夠保質、保量地完成生產。

第五個為對生產環境的管理。部分產品對生產環境的要求較高，需要合適的溫度、濕度及壓強等，因此，在車間三維可視化管理系統中需要重視對生產環境的管理[1]。

1.2? 基于數字孿生技術的車間三維可視化管理理論模型

近年來，伴隨著我國計算機技術的發展，數字孿生技術也得到了快速的發展，現階段，在醫療、電力、城市建設等諸多領域中均會使用數字孿生技術。數字孿生技術會構建兩個完全相同的實體，其中一個實體放置于檢測目標區域，稱之為物理實體，而另一個實體放置于研究區域，稱之為孿生體，研究人員觀察并控制孿生體而檢測物理實體的運行狀態。而基于數字孿生技術的三維可視化管理模型主要應用的是經典數字孿生概念模型，經典數字孿生概念模型主要由三部分構成，分別為虛擬空間的虛擬產品、虛實空間之間的信息交互結構和物理空間的物理實體，通過研究仿真的過程探究物體實體的實際運行狀態。也就是說，基于數字孿生技術的車間三維可視化管理模型中，物理實體為車間自動化生產線上的設備、物料等，而孿生體便是虛擬的仿真過程，通過分析相關數據設備的實際運行參數，可以利用虛擬空間映射實體實際的運行狀況。通過對虛擬空間的監控及相關數據的分析，相關工作人員能夠及時發現自動化生產線存在的問題，從而制定相應的預防方案和解決措施，確保自動化生產線能夠正常、穩定地生產和加工，從而進一步提升車間的管理水平，實現自動化生產全流程的可視化管理[2]。

2? 基于工業物聯網平臺的車間數據采集技術

若想實現對車間的三維可視化管理，就必須對車間運行的相關數據進行分析，并以運行參數為主要依據探究車間自動化生產線的運行狀態，從而實現對車間的可視化管理。而實際上，車間自動化生產線運行過程中會產生大量的數據，而如何在龐大、復雜的數據中提取有效的孿生數據則是車間三維可視化系統構建首先要考慮的問題。

2.1? 車間數據分析

2.1.1? 對車間數據的特點進行分析

總體而言，車間數據具有四個特點，即數據體量大、數據類型多樣、數據更新快、數據價值密度低。當前，機械化生產基本取代了傳統的人工生產，各類新型機械設備，如數控機床、工業機器人被應用于車間生產加工中，自動化流水線生產被廣泛應用，車間生產效率大幅度提高、生產量大幅提升。而與此同時，車間生產過程中產生的數據越來越多且越來越復雜，數據體量迅速增加，數據更新的速度越來越快。且在自動化生產線中涉及的機械類型較多，不同加工手段、工序會使用不同的設備，而不同設備所產生的運行數據不同，這就使得車間產生的數據具有多樣性的特點。為了能夠滿足數據收集的需求，就必須提高數據信息材料的收集效率，通常情況下，工業企業均會較高頻率地采集數據，以契合信息速度更新快的特點。此外，由于設備在運行過程中產生的數據本身維度較多，且各類數據存在的關聯性較低，數據價值密度較低，這就使得無用信息較多，若采用單一的方式進行數據信息的收集，則難以實現信息數據的有效利用。而數字孿生技術這種基于孿生網絡的數據收集方式能夠減少數據維度，在復雜且龐大的數據網中尋找關聯性數據，在保證數據信息真實性與準確性的同時也能夠提高數據信息的采集效率[3]。

2.1.2? 從數據類型的角度來分析

車間生產過程中產生的數據主要包括三類，分別為靜態數據、動態數據和中間數據，如圖1所示。靜態數據是指產品生產加工過程中的附屬信息，通常情況下，靜態信息是固定的，如設備的型號、種類等，通常由工業企業上游供應商提供的，雖然這些數據信息對產品的生產加工效率與質量并不會產生直接的影響，但其仍然是車間三維可視化管理系統中的重要參數，加強對其的監控能夠促進生產工藝的順利完成，同時也能夠為動態數據信息提供一定的參考。動態數據是車間生產運行過程中產生的最重要的數據信息，能夠直接反映產品的生產加工質量及效率，若想實現對車間三維的可視化管理，就必須注重對動態數據的使用。動態數據是指自動化生產線在生產加工過程中產生的隨零件的變化而變化的數據信息，如在生產過程中添加的物料、生產的時長、零件的尺寸等信息，隨著自動化生產線的運行而實時改變。在進行車間三維可視化系統的構建時，需要重視動態數據的實時性，為生產線的實時仿真提供數據支持，并能夠直接掌握車間運行的狀況。通過動態數據的監督，能夠發現并預測機械設備存在的運行故障或生產工藝及流程中存在的問題，以便于相關工作人員及時進行維修或制定相應的解決方案，從而保證設備運行的安全性與穩定性，確保產品生產加工的質量。中間數據是指第三方管理平臺對動態數據、靜態數據分析出的結果，是車間運行狀態的重要表征，同時也是與車間三維可視化管理系統進行對接的重要數據。

2.2? 基于工業物聯網平臺的車間三維可視化系統數據流

工業物聯網是現階段我國工業領域發展過程中必須使用的平臺，能夠實現設備的接入、數據的管理和系統的集成，是幫助車間利用數字孿生技術構建三維可視化管理系統的重要平臺，同時也是促使工業企業面向數字化、智能化的現代工業技術。首先，工業物聯網具備設備接入能力強的優勢。通過平臺集成的工業網關、中間件、嵌入式操作系統等成熟產品和解決方案，可快速實現平臺與資源的連接，從而實現對設備、軟件、人員、環境等各類生產要素數據的全面采集。其次，工業物聯網具備完善的數據信息服務功能。在車間三維可視化管理系統中數據應用情景主要包括兩部分，基于實時數據為虛擬車間提供數據驅動和基于歷史數據為監控系統提供決策支持。最后，工業物聯網具備系統開發效率高的優勢。工業物聯網平臺通過將技術、知識、經驗等資源固化為可移植、可復用的工業微服務組件庫，為開發者屏蔽了設備連接、軟件集成與部署、計算資源調度的復雜過程，只需專注于系統功能的設計，顯著提高了系統的開發效率[4]。

3? 基于數字孿生技術的車間三維可視化管理系統的設計與實現

3.1? 生產車間概述

為了更好地研究基于數字孿生技術的車間三維可視化管理系統的構建，選擇以某生產車間為例，該生產車間主要生產的產品為印章。該車間主要利用移動機器人進行材料及產品的搬運，先將選擇好的印章款式錄入自動化生產系統，并在系統中生成加工任務，隨后根據加工任務在倉庫出料，經過數控技術的塑形和精雕機的雕刻后由移動機器人搬運并裝配入庫，入庫后需要根據廠家對產品數量的要求進行出庫。該工廠的自動化生產線主要運用的是PLC控制系統及CNC控制系統。

3.2? 系統開發平臺

該工廠先采用Creo三維軟件作為模型創建的平臺，利用該系統構建一個印章生產加工全流程的三維可視化模型。隨后，利用3D Max軟件進行模型的渲染，提升模型的真實感，同時該系統還支持模型的導出，以便于相關工作人員進行分析。該工程利用ThingWorx作為工業物聯網平臺，利用Unity 3D建立虛擬場景，將該場景作為孿生生產加工流程，從而實現對車間的可視化管理。

3.3? 系統硬件組成與開發流程

首先，對車間自動化生產線的相關生產及運行的數據進行分析，構建三維結構參數，并將參數導入Creo三維軟件當中，建立一個3D模型，并利用3D Max軟件對模型進行渲染處理，從而完成對模型的預處理。同時，在自動化生產線上安裝傳感器，獲取生產設備的運行參數，實現生產動態數據的采集，隨后將動態數據、靜態數據及中間數據傳入自動化生產線的數據庫當中，并對數據進行分析。隨后，數據分析結果與完成預處理的模型一同傳輸至三維可視化管理系統當中，實現對三維場景的管理、射線的檢測、碰撞的檢測、視點漫游、虛擬場景UI設計及數據的綁定，從而完成虛擬生產流水線的制作，實現對自動化流水線的仿真，并將生產流水線集成三維可視化的人機界面，相關工作人員便可利用人機界面對生產流程進行監控。

3.4? 系統總框架

基于數字孿生技術的車間三維可視化管理系統的總體框架主要包括四個部分，分別為物理層、孿生層、平臺層、應用層。物理層主要是生產過程中所涉及的所有關鍵設備，包括車間的工作人員、物料、設備、流程及環境等，這些物理實體是客觀存在的，是實際生產過程中的主要因素。孿生層是構建的三維可視化模型，該模型利用人機交互界面展示給相關工作人員，實現生產車間的真實映射，虛擬模型將會還原物理實體的尺寸、形狀等三維結構與運動方式等邏輯功能，使得相關工作人員能夠掌握車間的生產狀況。平臺層是指實現數據處理的平臺，包括數據的收集、處理、轉化與傳輸，能夠將物理實體在生產過程中產生的信息映射至虛擬仿真環境中，實現生產狀態與生產過程的監控與管理[5]。應用層是指前端展示維，能實現數字孿生和三維虛擬監控。

4? 結束語

綜上所述，數字孿生技術在車間三維可視化管理中具有十分重要的應用價值。伴隨著近年來我國工業領域的發展，自動化生產線在工業車間內被廣泛應用，而這也就說明車間生產對信息技術的要求越來越高。數字孿生技術能夠滿足自動化生產線對信息技術的需求，通過構建三維可視化管理系統，實現對物理車間的生產進行監控，從而幫助管理人員直接掌握自動化生產線的運行狀況。

5? 參考文獻

[1] 晨曦，王寧.工業AR：讓專家通過遠程指導與現場“零距離”互動：對話阿依瓦（北京）技術有限公司CEO楊衛國[J].中國設備工程，2021（17）：3-6.

[2] 田申，甘芳吉.數字孿生技術在實驗室建設中的運用研究：以物聯網專業為例[J].實驗技術與管理，2021（7）：30-35.

[3] 胡子豪，王萬軍，徐勇.銅冶煉行業電解車間智能信息化綜合管理平臺設計[J].安徽科技，2021（8）：46-49.

[4] 杜小峰.在化工行業中安全可視化管理措施的有效應用[J].粘接，2019（7）：149-152.

[5] 高昀稷.生產線數字孿生仿真技術研究[D].南京：南京理工大學，2021：10-11.