數字孿生驅動的車間物流可視化監控方法

吳琦，張勝文，國明義，曹佑忍

(江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮江 212100)

0 前言

隨著智能制造浪潮的掀起，數字化車間物流管理方式逐漸智能，有效提高物流工作的效率及準確性，但是仍有很大的改進空間[1]，表現在各部門間的信息交流不夠充分，對配送物料的需求信息溝通不及時，導致車間生產所需的物料不能滿足車間裝配生產運行的需求，并且物料配送過程不夠透明，一定程度上造成了工位物料到達時間不準確影響后續裝配工作。另外，在對車間的實時監控方面，當前可使用的監控手段局限性較大[2]。車間主要利用攝像頭形式進行監控，視角固定，監控范圍有限，缺少全方位的監控管理。因此，提出一種數字孿生驅動的車間物流配送實時監控方法，全方位監控車間物流配送情況，提高車間物料配送的效率，通過構建數字孿生車間與物理車間交互映射，實現車間物流智能化。

近年來，基于數字孿生的實時監控技術備受國內外學者的關注，也取得了一定的成果。ZHAO等[3]提出一種基于物聯網和數字孿生的安全管理追蹤解決方案框架，并開發一種室內安全跟蹤機制，用于識別異常狀態并實時獲取精確的位置信息。PAN等[4]提出一種多層云計算數字孿生系統，用于同步生產物流系統的實時監控、決策和控制，在具有完整實時信息的物聯網驅動生產物流同步系統中，物理層發生的動態可以被準確、實時地捕捉，而數字層則可以有效地評估其對系統整體運行狀態的負面影響。吳錢昊[5]通過數字孿生技術并結合生產車間設備監控的實際需求，在現有生產設備管理技術的基礎上進行優化，以提高生產車間設備監管系統的智能程度。周成等人[2]提出一種基于數字孿生的車間三維可視化監控系統六維模型，以解決制造車間監控透明度低、方式單一、實時性差等問題。吳鵬興等[6]基于AutomationML和OPC UA的數據建模和傳輸方式、事件驅動的虛實映射方法，實現了車間實時監控。段明皞等[7]為了完成裝配過程的全方位數據監控，建立了發動機裝配實時監控系統，實現了裝配線數字化運行。趙浩然等[8]提出了實時數據驅動的虛擬車間同步運行模式，在Unity3D上開發了多層次協同展示的三維可視化監控模型。姜康等人[9]在Unity3D上進行了基于虛擬現實技術和信息集成技術的虛擬車間狀態監控系統的實例驗證。曹偉等人[10]用RFID的車間數據采集方法并以事件為驅動運行，建立離散制造車間多層次監控模型。

綜上，國內外的學者在數字孿生車間實時監控方向上取得了一些成果，但車間的監控界面交互性差，無法全方位多層次反映物理車間的真實細節情況等不足依舊存在。為此，本文作者對車間物流方面開展數字孿生驅動的車間物流實時監控技術研究，圍繞其系統框架，研究系統關鍵模塊，并開發了車間物流可視化實時監控系統。

1 系統框架

本文作者設計一種數字孿生驅動的車間物流要素實時監控系統，在滿足精準配送和節約配送資源的前提下，實現物理車間與虛擬車間迭代優化，集成車間物流配送要素、數據，實時監控車間物流配送情況，達到車間物流管控最優。具體如圖1所示。

圖1 數字孿生車間框架

物理實體層是實現系統的基礎。結合應用系統層需求，物理層包括傳感器 、射頻識別系統等采集資源，無線網絡、物聯網等網絡資源，AGV、起重機、叉車等運輸資源以及在制品、零部件等產品資源。物理層中運輸載體按照配送方案配送物料完成下達的運輸任務，其中采集模塊負責采集車間的配送需求信息、運輸載體信息，將配送過程中的實時信息通過網絡模塊上傳至數據層，對數據進行分析處理，通過數據驅動來控制運輸載體工作。

孿生模型層是物理層在虛擬空間的實時映射。從幾何模型、動作模型、行為模型3個方面對虛擬車間進行模型搭建，將孿生模型動態交互與融合實現對物理層的真實刻畫與描述。整個虛擬層能將物理車間運輸過程在虛擬層進行真實映射，包括運輸設備活動、物料運輸過程等。虛擬層在滿足精準配送情況下對配送過程進行仿真優化與監控，并不斷對模型進行修正來保證孿生層與虛擬層各種配送要素活動的一致與準確。

孿生數據層是監控體系的物理層與虛擬層的橋梁[11]，存儲車間運行過程中的數據并進行交互傳輸處理。孿生數據主要包括運輸設備的屬性(設備型號、設備狀態)、設備運行數據(傳感器數據、仿真數據以及優化和監測數據)以及物料數據(物料型號、狀態)等。在配送物料活動中，不斷地完善和修正數據，形成強大的數據模型，是虛擬層動態映射的基礎與支柱。

應用系統層是系統功能的集合，包括智能倉儲、精準配送、實時監控等功能。物理層各類運輸設備協調運輸，在與虛擬層交互的過程中產生大量的孿生數據傳輸給服務層，服務層通過孿生數據分析實現對車間配送情況的分析與監視。車間配送過程中，有大量的數據需存儲與處理，對車間模型修正，滿足對配送要素全過程的實時監控，進行全方位的仿真分析以提供合適的配送方案。

基于數字孿生車間框架與傳統可視化監控不同的是：數字孿生驅動的車間實時監控是在不斷積累物理車間運行過程中的實時數據，結合車間配送物料過程，不斷完善數字孿生中的物流信息模型和仿真分析模型并反饋于物理車間，體現車間配送要素運行邏輯與演化，實現孿生車間與物理車間的虛實交互。數字孿生驅動的車間物流實時監控實現過程總結為：虛擬車間搭建、數據交互、監控結果輸出3個方面。為了準確描述車間的物流配送過程，采集車間配送各要素信息數據，既包括配送過程所需的運輸載體、物料、操作人員等關鍵信息，又包括各類配送過程中生成的實時數據，該數據主要用于實現孿生車間與物理車間的虛實映射。具體表現為在虛擬層中通過幾何模型展示物理車間各要素，并通過為車間中的要素賦予動作指令表現配送物料的動態過程，以及通過各要素的運行邏輯對車間配送過程進行仿真及監控，并將運行情況及時反饋于物理車間，并及時調整，孿生車間與物理車間信息交互，并在系統輸出模塊中實現車間運行情況監控及對數據的統計及分析，使得車間配送效率達到最優。

2 系統模塊設計

2.1 虛擬系統模塊

虛擬系統從幾何、動作、規則模型方面進行虛擬場景的搭建，實現對物理車間配送過程的實時映射，提供良好的可視化體驗。虛擬系統模塊可以表示為

Msys={M，P，Tsys}

(1)

Tsys={Tgea，Tact，Trul}

(2)

式中：Msys為車間配送模型；M為車間工藝要素孿生模型；P為車間其他孿生模型；Tsys為物流要素孿生模型；Tgea為物流要素幾何模型；Tact為物流要素動作模型；Trul為物流要素規則模型。具體解釋如下所示：

(1)幾何模型Tgea。是建立虛擬車間的基礎，對車間虛擬模型中的各要素包括配送設備、燈光、傳感器、工位、物料等靜態要素進行建模，完成對車間整體模型要素的搭建。

(2)動作模型Tact。物理車間內不斷進行的物流配送工作，是由運輸載體進行配送物料的動態過程。比如車間AGV的前進、后退、卸貨，起重機的移動、抓取、放下等操作。

(3)規則模型Trul。在配送過程中設備的狀態發生改變，是由于車間配送任務是由不同的指令下達，通過事件驅動車間運輸設備工作[12]，以實現更深層次的虛擬車間的建模工作。

2.2 數據交互模塊

車間配送監控系統運行是通過數據的驅動，利用傳輸協議雙向通信方式建立數據采集層與數據展示層之間的聯系，確保數據傳輸的高效性和實時性[11-13]。數據實時交互架構如圖2所示。數據展示層向數據處理層發送數據請求，并將處理層返回的數據進行渲染以實現車間運輸狀態的更新。數據處理層響應上層請求，為相應的服務提供數據來源，并接收采集層傳輸的數據。數據采集層將物流數據等存儲到SQL Sever數據庫中，當服務器接收指令后，會執行相關操作并將結果返回給服務器，服務器返回數據至數據處理層進行數據格式處理等操作。上述操作形成閉環以確保數據實時交互的高效性，實現數據驅動車間物流運行[14]。

圖2 數據實時交互架構

其中，數據主要來源包括物料數據、設備數據以及生產狀態數據及其他數據。物料數據包括物料的數量、型號、位置等，及物料倉儲中的出入庫信息。倉儲數據將與其他車間物料數據互聯互通。運輸設備數據包括車間運輸設備的基本信息包括型號、設備參數等。運行狀態信息包括設備運行過程中的工作速度、載物情況等狀態。生產狀態數據包括生產任務信息及生產狀態信息。其他數據包括人員信息數據、維修數據及環境數據等。數據的具體內容見圖3。

圖3 配送數據類型

2.3 系統服務模塊

系統服務模塊具有較強的交互性和展示性，可以根據系統需求提供相應功能，文中的系統服務模塊包括車間監控、數據管理和分析、運輸情況顯示。對數據進行交互、處理、更新等操作，完成對車間場景、物流、工藝的映射并顯示。具體車間可視化監控內容如圖4所示。

圖4 車間可視化監控

實時監控功能可以實現車間配送過程全方位、多角度的監控，分別是：全局視角、局部視角和追蹤視角。全局視角實現自由視圖模式下的車間漫游，操作者可隨意選擇視角，使用鍵盤、鼠標操作視角方向，實現在車間中的自由漫游。局部視角實現在固定位置進行定點監視。追蹤視角用于配送過程的車輛，在車輛配送過程中進行視野跟隨，不需要用戶操作就可以對車間配送進行監視。

數據管控功能，包括對運輸設備狀態數據、物料追溯數據、設備維修故障數據等進行管理及分析。根據優化理念，分析配送最優方案、統計車間內配送設備在運行時間內的異常情況并分析，以便在配送過程中出現擾動情況時做出配送方案的調整。通過數據分析，管理者可以更直觀地了解車間配送情況，調整配送進度。

運輸情況顯示功能是將運輸載體的運輸情況進行展示分析，包括各AGV的運輸物料及裝載率，根據AGV配送至各工位的情況更新運輸物料及裝載率，結合車間監控實現對車間AGV配送的全方位監控。

系統服務模塊根據系統采集的數據對物流方面進行監控。根據采集系統收集的各種實時數據，分析車間中配送設備的運行狀態，并對車間物流、工位的裝配工藝及車間整體映射，實現了物流監控的要素管理透明化，提高車間的物流運行效率。

3 系統功能實現

以某船用柴油機混流裝配車間為例驗證系統的有效性。該車間共有11個工位，分為部裝、預裝及總裝工位，裝配車間的主要運輸車輛為AGV和起重機。利用SolidWorks對車間內要素進行三維建模，并將模型通過3DMax轉化為.FBX格式模型文件，最后將模型導入到Unity3D中。具體車間俯視圖及車間內部場景如圖5、圖6所示。并建立實時數據庫，存儲車間運行過程中的數據尤其配送過程中的數據，最后在Unity3D中結合C#編程建立實時監控系統[12]。系統的具體功能如圖7所示。

圖5 車間俯視圖

圖6 車間內部場景

物流配送顯示主要針對AGV運輸過程的監視，包括AGV所運輸的物料信息、所在工位及AGV的裝載率等，當AGV到達某一工位時，則顯示該AGV在該工位的配送信息。數據分析主要顯示車間的整體配送情況，主要包括年月日的運輸車輛配送情況、車間物料分布情況、車間年產值等。監視功能區中對于AGV的監控采用了追蹤視角，隨著AGV配送物料進行視線跟隨，對于車間中的特定位置進行監控，如工位、緩存區等采用局部視角進行監控，通過鍵盤H操作進行視角切換，方便監控物料到達各工位的配送情況及緩存區的物料情況；車間漫游監控通過使用鍵盤中的W、A、S、D進行場景的前后左右視角移動，另外鼠標的左鍵有加速移動功能，鼠標的右鍵為視角的旋轉。具體控制方法如表1所示。

Unity3D運行結果如圖8所示。點擊物流配送功能，當AGV到達某工位時，能在功能欄中顯示配送信息，并且視角都隨著AGV漫游。點擊數據分析功能，車間配送情況圖表分析具體情況見圖9，通過操作鍵盤及鼠標實現車間場景漫游及場景切換。通過該系統的初步驗證，目前基本可以實現車間物流運輸情況的數據采集、配送情況的動態映射、車間運行數據的分析等功能，有效解決傳統車間的物流管控困難、可視化程度不高、配送物料追蹤困難等問題，并且虛擬車間與物理車間高度映射，虛實交互效果較好。

圖8 系統某時刻運行情況

4 總結

本文作者面向生產車間物流智能發展需求，為解決車間物流監控透明度低、監控手段單一、實時性差等問題，提出一種數字孿生驅動的車間物流實時監控方法，設計數據驅動的虛擬車間運行模式。首先，根據實際配送需求，設計監控系統的功能需求。然后，研究監控系統的關鍵技術，針對車間中信息時變性，提出利用實時數據庫存儲車間配送信息方法。最后以某柴油機裝配車間為例，在監控系統中采用多種視角、圖表分析、事件觸發顯示等方式進行全方位、全要素的動態監控。采用該監控系統顯著提高了車間物流的透明度、實時性、交互性，從而為復雜產品裝配車間物流智能監控提出一種解決思路。