數字孿生仿真與調試實訓平臺的設計

路東興

摘要：隨著“中國制造2025”的推進，制造業正進行數字化轉型。柔性生產線應用廣泛，但實際操作常不達預期，影響效率和投資。因此，數字孿生仿真與調試實訓平臺的設計研究顯得尤為重要。數字孿生技術能夠構建實體產品的虛擬模型，在虛擬環境中模擬實際生產過程，從而實現對生產線的優化和調整。通過數字化樣機虛擬調試降低風險和工作量，推動數字孿生技術發展，促進制造業技術進步和社會經濟發展。關鍵詞：數字孿生仿真?調試實訓平臺??產業數字化??信息可視化

中圖分類號：TP277

Design?of?the?Digital?Twin?Simulation?and?Debugging?Training?Platform

LU?DongxingLanzhou?Petrochemical?University?of?Vocational?Technology，?Lanzhou，?Gansu?Province，?730060?China

Abstract：?With?the?advancement?of?"Made?in?China?2025"，?the?manufacturing?industry?is?undergoing?digital?transformation.?Flexible?production?lines?are?widely?used，?but?their?actual?operation?often?falls?short?of?expectations，?which?affects?efficiency?and?investment，?so?the?design?research?of?a?digital?twin?simulation?and?debugging?training?platform?is?particularly?important.?Digital?twin?technology?can?construct?a?virtual?model?of?a?physical?product，?and?simulate?the?actual?production?process?in?the?virtual?environment，?so?as?to?optimize?and?adjust?production?lines.?This?paper?reduces?risks?and?workloads?through?the?virtual?debugging?of?digital?prototypes，?so?as?to?promote?the?development?of?digital?twin?technology，?and?promote?the?technological?progress?of?the?manufacturing?industry?and?socioeconomic?development.

Key?Words：?Digital?twin?simulation;?Debugging?training?platform;?Industrial?digitalization;?Information?visualization

在現代工業生產中，數字孿生技術已經成為了不可或缺的一部分。不僅能夠提高產品質量和效率，還能夠降低成本并減少環境污染。因此，數字孿生技術的發展對于制造業來說具有重要的現實意義。

1?數字孿生仿真與調試實訓平臺的設計優勢

1.1實現信息可視化，設計并實現FML虛擬調試平臺

在數字孿生仿真的設計中，信息可視化的實現是至關重要的一環。信息可視化是指將數據轉換為圖形或圖像的形式進行展示和分析的過程。它可以幫助用戶更好地理解數據的結構和關系，從而提高決策制定的能力。因此，如何有效地實現信息可視化成為了數字孿生仿真的一個重要問題。目前，常用的信息可視化工具包括圖表、餅圖、散點圖等多種形式。其中，圖表是最常見的一種方式之一。通過對數據進行分類、統計和排序后，將其轉化為相應的圖表形式，如條形圖、折線圖、柱狀圖等。這些圖表不僅能夠直觀地展現數據之間的關系，還能夠讓讀者更加容易地理解數據的趨勢和變化規律。

此外，可以使用顏色增強信息可視化的效果，如用不同顏色表示不同的類別或者變量值的變化趨勢等。以FML設備為研究對象，結合典型模塊結構特點和動作特性，對?FML?功能、模塊、系統流程等進行分析設計；以數字孿生技術對?FML?進行機械三維建模和多維建模，利用虛擬調試等技術，對FML進行可視化的虛擬調試系統構架設計，對信號接口和機構運動學建模等系統核心問題進行分析研究，完成結構、功能、行為過程、運動動態模擬；有效結合虛擬調試與機電概念設計，實現虛擬調試系統的實驗驗證，模擬生產線的動作過程，進行程序調試、數據監控等[1]。

1.2?實現信息共享化，在環虛擬調試關鍵技術

隨著信息技術的不斷發展，越來越多的企業開始采用數字孿生技術進行數據采集和分析，以實現更好的業務決策和優化資源配置。因此，數字孿生仿真的出現和發展也就順理成章。數字孿生仿真實現了一個虛擬的世界，在這個世界中可以模擬出各種不同的場景和環境，并通過實時的數據傳輸和處理來獲取所需的信息。這種仿真技術不僅可以用于產品設計和開發，還可以用于培訓和教育領域，為學生提供更真實的學習體驗。同時，數字孿生仿真的應用范圍還包括工程設計、城市規劃、醫學研究等方面。環虛擬調試技術分為兩大部分，“虛—實”硬件在環虛擬調試和“虛—虛”軟件在環境虛擬調試。其中，硬件在環虛擬調試是用真實的PLC?設備來控制虛擬的機電設備，在“虛—實”結合的閉環反饋回路中進行程序編輯與驗證調試；而軟件在環虛擬調試是用虛擬?的PLC?來控制虛擬的機電設備，在“虛—虛”結合的閉環反饋回路中進行程序編輯與驗證調試。通過對比分析，研究了“硬件在環”和“軟件在環”虛擬調試在數字孿生FML平臺中的搭建方法[2]。

2?數字孿生仿真與調試實訓平臺的設計分析

2.1?需求分析

在數字孿生仿真的過程中，需要對系統的性能進行全面測試和驗證。為了實現這一目標，提出了一種基于虛擬現實技術的數字孿生仿真與調試實訓平臺。該平臺可以模擬真實系統中的各種情況，包括硬件設備故障、軟件錯誤等多種場景。通過這種方式，可以有效地發現并解決實際問題，提高產品質量和可靠性。在需求分析階段，首先考慮實際現場環境和教學實操要求，廣泛調研機電設備運行功能、硬件模塊組成及生產線流程，重點對系統結構特點和動作特性進行需求分析。同時，考慮到其他可能出現的問題，如網絡連接中斷、數據傳輸延遲等，以便更好地應對各種復雜的環境。除了用戶的需求外，還需要考慮一些其他因素，如成本效益、安全性等方面的要求。為了降低成本，技術方案采用開源軟件，并且采用云端存儲的方式減少服務器的維護費用。此外，安全問題要注意防范，確保平臺數據不被泄露或篡改。

2.2?總體結構設計

2.2.1總體框架

設計選取目前FML?實際現場具有典型代表意義的模塊和各個組成環節，體現如供料、搬運、分揀等柔性生產流程。虛擬調試平臺中各模塊的電氣和機械設備結構要最大程度上貼合實際現場的設備條件，如符合實際設備的單元結構、組成部件等要求。基于虛擬現實技術的數字孿生仿真與調試實訓平臺。該平臺旨在通過模擬真實設備的狀態和行為來實現對設備的功能測試和故障診斷。為了實現這一目標，需要對其進行整體設計規劃[3]。

首先，將數字孿生仿真的功能分為三個主要模塊：硬件仿真模塊、軟件仿真模塊以及數據采集模塊。其中，硬件仿真模塊主要用于模擬設備的物理狀態和行為；軟件仿真模塊則負責模擬設備的操作系統及其應用程序的行為；而數據采集模塊則是用于收集設備的各種數據并進行分析處理。這些模塊之間相互協作，共同完成整個系統的工作。其次，針對每個模塊進行了詳細的設計規劃。例如：對于硬件仿真模塊，采用了先進的計算機視覺技術和三維建模技術，實現了對設備內部各個部件的位置和運動情況的實時跟蹤和再現。同時，為硬件仿真模塊提供了多種可編程接口，以便于與其他系統進行集成和交互[4]。最后，在平臺上加入了一些實用的功能，如虛擬環境設置、用戶管理等。這些功能可以幫助使用者更好地控制和操作平臺，提高其使用效率。

2.2.2?硬件設計

該平臺旨在通過對實時數據進行采集和分析來實現對系統的精確模擬和測試。為實現到這一目標，需要對其硬件部分進行詳細設計。首先，采用了先進的嵌入式處理器作為核心部件，以保證系統性能和穩定性。同時，為系統配備了高速存儲器和高帶寬通信接口，以便于快速的數據傳輸和處理。此外，在系統中加入了多種傳感器模塊，如溫度、壓力、加速度等，以滿足不同領域的需求。其次，針對系統的可靠性進行了嚴格的故障診斷和預防措施。例如：在系統中設置了多個備份電源和備用器件，以確保即使發生故障也能夠及時恢復正常運行；同時還采用冗余控制策略，減少單點故障的影響范圍。最后，為系統提供了豐富的編程接口和開發工具支持，方便用戶進行定制化操作和應用擴展。這些功能不僅提高了系統的使用效率，也增強了其可維護性和可擴展性。因此，數字孿生仿真與調試實訓平臺具有高效率、穩定可靠、靈活易用等多種優點，能夠廣泛地用于各種領域中的仿真和調試任務。

2.2.3?軟件設計

數字孿生仿真是指通過虛擬仿真實現一個完整的物理系統來測試和驗證系統的可行性和性能。這種技術的應用可以大大縮短產品開發周期，降低研發成本，提高產品的質量和可靠性[5]。為了實現數字孿生仿真，需要構建一套完整的軟件體系架構。該體系結構包括數據采集模塊、模擬建模模塊、仿真運行模塊以及結果分析模塊等方面。其中，數據采集模塊主要負責獲取實時數據并將其存儲到數據庫中；模擬建模模塊則用于建立物理模型，并將其轉換為計算機可讀的形式；仿真運行模塊則是用來控制仿真過程，同時記錄仿真過程中的數據；結果分析模塊是用來處理和展示仿真結果的。在實際應用中，數字孿生仿真與調試實訓平臺還需要與其他相關工具配合使用，如CAD/CAE、PLM等。在整個項目生命周期內，這些工具能夠更好地管理工程文件、協同工作、優化流程等。因此，數字孿生仿真與調試實訓平臺的設計必須考慮其他工具的支持和集成性。數字孿生仿真與調試實訓平臺是一個復雜的系統，需要綜合考慮多個方面的因素才能夠得到完美的解決方案[6]。在這個過程中，目標就是打造一款高效、可靠、易于使用的數字孿生仿真與調試實訓平臺，以滿足客戶需求和市場需求。

2.3?功能模塊設計

該模型通過將虛擬仿真的數據和實際設備的數據進行匹配，實現對真實設備的實時監控和控制。同時，該模型還可以用于模擬各種復雜的實驗場景，為學生提供更加真實的學習體驗。為了實現這一目標，本研究采用了多種功能模塊的設計方案。其中，最核心的是數字孿生仿真模塊。該模塊主要負責對虛擬仿真的數據進行采集和處理，并將其與實際設備的數據進行匹配。此外，該模塊還包括了數據分析和可視化展示功能，以幫助教師更好地理解和掌握教學內容。另外，本研究還針對不同領域的教學需求進行了相應的功能模塊設計。例如：對于電子工程類課程，加入了數字電路仿真模塊；對于機械工程類課程，增加了機械結構仿真模塊等。這些功能模塊可以滿足不同的教學需要，提高教學效果和效率。總之，數字孿生仿真與調試實訓平臺是一種全新的教學方式，具有很高的實用性和創新性。

3?數字孿生仿真與調試實訓平臺的設計實現

3.1?平臺測試

首先，針對該平臺的功能進行全面的性能測試，包括硬件設備的兼容性、軟件程序的穩定性以及網絡連接的質量等方面。在此基礎上，對該平臺的用戶界面進行了優化和改進，以提高其易用性和操作效率。同時，為了更好地模擬真實生產環境，增加了一些特殊場景的設置，如惡劣天氣條件、突發事件等。其次，將該平臺應用于實際工程項目中，并與其他相關工具進行集成，以便更準確地反映系統的功能和效果。在這個過程中，發現該平臺具有很高的可擴展性和靈活性，可以很好地處理各種復雜的數據和模型，并且支持多種編程語言和開發框架，為工程師提供了更便捷和高效的工作方式。最后，對該平臺進行了安全性方面的測試，以保證用戶的數據安全和隱私保護。在此基礎上，進一步完善了該平臺的管理和維護機制，使其具備更好的長期使用價值和社會影響力。

3.2?平臺應用

通過將虛擬系統和實物系統之間的接口建立起來，可以實現對虛擬系統的實時控制，從而使虛擬系統和實物系統之間實現了同步操作。同時，由于虛擬系統可以在不影響硬件的情況下進行修改和優化，因此可以大大縮短開發周期并提高軟件質量。數字孿生仿真主要應用于電子產品研發過程中，如汽車、手機、電視機等。數字孿生仿真是一種非常有效的工具，它不僅可以簡化產品的開發流程，而且可以顯著提升產品的可靠性和穩定性。在未來的發展中，數字孿生仿真將會越來越多地被應用到各個行業的產品研發工作中。

4?結語

綜上所述，為進一步培養智能制造技術技能人才，服務區域產業轉型升級，本文研究的數字孿生仿真技術的發展方向，一是支持3D打印等前沿數字化制造技術的研究與開發；二是大力推進傳統裝備產業的改造升級，同時培育新興裝備產業、發展智能制造，并加快裝備制造業在研發與制造模式上的創新步伐。通過這兩個方向的協同作用共同促進數字孿生仿真技術的發展和推廣。

參考文獻：

[1]?孫學民.?數字孿生驅動的高精密產品裝調理論研究與應用[D].上海：東華大學，2022.

[2]?易揚.?基于數字孿生的復雜產品裝配精度預測關鍵技術研究[D].南京：東南大學，2023.

[3]?陶飛，張賀，戚慶林等.數字孿生模型構建理論及應用[J].計算機集成制造系統，2021，27（1）：1-15.

[4]?聶蓉梅，周瀟雅，肖進，等.數字孿生技術綜述分析與發展展望[J].宇航總體技術，2022，6（01）：1-6.

[5]?王建楹，郝登運.硒鼓自動化生產線設計[J].制造業自動化，2020.42（7）：102-105.

[6]?王建軍，向永清，何正文.基于數字孿生的航天器系統工程模型與實現[J].計算機集成制造系統，2019，25（6）：1348-1360.