李 杰，肖 成，張 浩，孫?？疲罴t雨，張明智

（1.青島工業(yè)軟件研究所，山東 青島 266109；2.北華航天工業(yè)學院，河北 廊坊 065000；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

1 引言

制造業(yè)在國家經(jīng)濟中占據(jù)主體地位，是國家實體經(jīng)濟的基礎和根本。從2010年開始我國制造業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)躍居世界第一，成為制造業(yè)大國。但是我國掌握的核心技術和創(chuàng)新能力相比發(fā)達國家偏弱，整個產(chǎn)線制造的完成需要依賴國外提供相關技術或者核心產(chǎn)品。我國提出的“中國制造2025”，德國提出“工業(yè)4.0”以及美國提出“先進制造戰(zhàn)略”，雖然不同國家之間背景不同，但是都在關注于制造過程的物理世界和信息世界的互聯(lián)互通，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化和信息化。

信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）作為制造業(yè)智能化的研發(fā)方向，廣泛應用于智能設計、生產(chǎn)、應用和服務中?；谝陨涎芯勘尘埃疚乃芯康闹悄芄S信息物理融合可視交互系統(tǒng)，實現(xiàn)了對工廠制造環(huán)境及生產(chǎn)加工設備設施的三維仿真；工廠制造環(huán)境和制造狀態(tài)的物聯(lián)感知，實現(xiàn)了對信息物理的融合；對接生產(chǎn)過程動態(tài)重構應用系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程智能動態(tài)的重構。該系統(tǒng)同時支持AR/VR可視交互，具有良好的交互性和可擴展性。

2 BIM及擴展MBD模型

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）可實現(xiàn)樓宇、場站等建筑空間及所屬各類設備設施的三維精細建模，除實現(xiàn)三維呈現(xiàn)，更可作為各類物聯(lián)傳感信息的數(shù)據(jù)載體以及數(shù)值模擬仿真的結構數(shù)據(jù)來源。

基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）是一種基于3D的產(chǎn)品數(shù)字化標注技術，它詳細規(guī)定了三位實體模型生產(chǎn)制造過程中的信息，如實體模型的尺寸、幾何形狀、公差和注釋的標注等。傳統(tǒng)的MBD技術往往僅限于產(chǎn)品模型幾何模型和非幾何模型之間的信息傳遞，缺乏與制造環(huán)境和制造過程之間的數(shù)據(jù)關聯(lián)。于是，在產(chǎn)品設計的全生命周期中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)工藝數(shù)據(jù)與制造環(huán)境、制造設備數(shù)據(jù)之間的信息分割將會極大的影響產(chǎn)品設計制造管理的版本管理、更改管理和有效性管理。因此，對MBD模型進行制造環(huán)境和制造過程相關數(shù)據(jù)的擴充，具有重大的意義。對MBD模型進行擴充的過程中，BIM提供了有效的技術支撐，最終促進了MBD制造模式向制造設備、環(huán)境、過程融合的智能制造轉型。

本項目構建了濰柴一號工廠加工二車間WTR機體線的BIM擴展MBD模型，整條生產(chǎn)線涵蓋加工、清洗、壓裝、物流等全流程要素，模型包括加工設備、輥道、桁架和機械臂等，可全面展示整條生產(chǎn)線加工流程。模型如圖1所示。

圖1 BIM 及擴展 MBD 模型

3 數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）實現(xiàn)了物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型映射，在實現(xiàn)過程中，它通過利用布置在各部分的傳感器，實現(xiàn)對物理實體建模和數(shù)據(jù)分析，將物理系統(tǒng)在不同真實場景中的全生命周期現(xiàn)狀顯示出來。同時，可以借助高性能的傳感器和通信，數(shù)字孿生可以集成多維物理實體的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析和模型仿真。數(shù)字孿生可以近乎真實的反應物理實體，并可以通過虛實交互的接口對物理實體進行控制。

數(shù)字孿生五維模型由物理實體、虛擬實體、連接、孿生數(shù)據(jù)和服務組成。針對項目特點，將數(shù)字孿生應用五要素定義為數(shù)據(jù)、模型、知識、規(guī)則和算法。擴展MBD在數(shù)字孿生應用中需要滿足模型構建、調整，數(shù)據(jù)存儲、交互，依據(jù)知識和規(guī)則，適時調用相關算法，調整算法參數(shù)等需求。不同的數(shù)字孿生之間差異性較大，需要建立普適性的與五要素的交互運行機制。不同數(shù)據(jù)孿生的應用會產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)結果，這些數(shù)據(jù)完全由擴展MBD承載是不現(xiàn)實的。但是數(shù)字孿生全周期的交互，又對不同應用間的結果數(shù)據(jù)有著較強的需求，這就需要建立數(shù)據(jù)合理的加載和傳輸機制，避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦速M。

本項目建立的數(shù)據(jù)孿生模型如圖2所示，主要建立了WTR 機體線的數(shù)字孿生模型，整條生產(chǎn)線機床設備三維模型可進行縮放、剖切、移動、量測以及VR展示等操作，并針對生產(chǎn)線內的加工、清洗、壓裝、物流四大關鍵工序添加工序動畫演示；同時在三維模型的基礎進行機床設備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)的展示并設置報警事件提示，對設備關鍵部位（主軸、絲杠、電機、潤滑站、液壓站等）進行設備健康狀態(tài)分析，以主軸為例，實時數(shù)據(jù)主要包括主軸拉應力、溫度、振動頻率等，每類中的數(shù)據(jù)主要以圖表的形式展示，實時更新，而報警數(shù)據(jù)以列表的形式展現(xiàn)。

圖2 數(shù)字孿生模型

4 基于Web的智能先進工廠三維可視交互

不管是德國“工業(yè)4.0”、美國“先進制造業(yè)”，還是“中國制造2025”均在強調信息物理技術、計算機網(wǎng)絡通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬仿真等先進技術。將以上的先進技術應用于自動化工廠中，建立一個能實現(xiàn)智能排產(chǎn)、生產(chǎn)協(xié)同、設備互聯(lián)、資源管控、質量智能控制以及智能決策等功能的產(chǎn)品和服務系統(tǒng)，該系統(tǒng)貫穿于產(chǎn)品從原材料采購、設計、生產(chǎn)、銷售和服務的全生命周期中，具有高度的個性化、數(shù)字化和智能化，此系統(tǒng)被稱為智能工廠。

智能工廠的關鍵技術主要分為三個階段，第一階段是大數(shù)據(jù)技術，主要指數(shù)據(jù)的采集，涉及到智能設備、傳感器和設備之間的互聯(lián)互通；第二階段是大數(shù)據(jù)的傳輸和分析；第三階段是云計算、云存儲、網(wǎng)絡架構和網(wǎng)絡安全等。智能工廠是一個由大數(shù)據(jù)技術、仿真技術和網(wǎng)絡通信技術等為基礎構建的智能有機體。

在智能工廠中仿真包含了產(chǎn)品設計、仿真實驗、生產(chǎn)運行、三維工藝仿真、三維可視化現(xiàn)場仿真和市場模擬等。構建的信息物理模型最重要的特點之一是需要包含完整、準確的三維幾何尺寸，無論是仿真還是重構，三維可視交互均至關重要?？梢暬夹g主要包括信息互聯(lián)和質量管控，信息管控在于利用數(shù)據(jù)結構和內容相結合，設計出建模語言，并將標準化的工程語言應用于智能工廠中實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的互相傳遞和處理；質量管控是指通過虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術，并結合 BIM 和 MBD 建立的模型，能夠模擬預測智能工廠現(xiàn)場中可能出現(xiàn)的安全風險以及安全事故，用以防范安全風險。虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）稱為3R技術，是一類以沉浸式體驗為特征的人機交互技術，被視作是一類實現(xiàn)數(shù)字孿生交互與協(xié)同的有效手段，得到了廣泛的研究。

基于Web的智能工廠三維可視交互的實現(xiàn)過程結構如圖3所示。

圖3 智能工廠三維可視交互結構圖

首先，研究支持BIM、GIS和草圖模型的云化平臺，確立平臺化、Web化、移動化以及高度擬真化。充分應用云計算、Web 3D、VR、AR等先進信息化技術實現(xiàn)智能工廠信息物理融合模型的可視交互，確保信息物理模型云平臺的高可擴展性。

其次，面向仿真和重構過程的VR以及裝備設施的AR交互，主要實現(xiàn)信息物理模型的高效存儲、組織和管理。同時，實現(xiàn)基于Web 3D的智能工廠信息物理模型的搭建，實現(xiàn)高效的仿真、重構。

最后，完成信息物理模型信息的VR/AR呈現(xiàn)及可視交互系統(tǒng)，支撐智能工廠全鏈仿真及動態(tài)重構。

5 智能工廠信息物理融合可視交互系統(tǒng)架構

智能工廠信息物理融合可視交互系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對信息物理模型的高效存儲、組織和管理?；赩R/AR技術，實現(xiàn)信息模型幾何信息、屬性信息和仿真過程信息的可視交互，對智能工廠全鏈路進行了仿真和生產(chǎn)過程進行了動態(tài)重構。智能工廠信息物理融合可視交互系統(tǒng)的總體技術架構如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體技術架構

智能工廠信息物理融合可視交互系統(tǒng)的總體功能架構 如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體功能架構

6 結束語

智能工廠信息物理融合系統(tǒng)滿足了智能工廠全鏈路信息物理融合與多模式交互，實現(xiàn)了虛實融合的生產(chǎn)過程仿真運行及交互可視化?；贐IM和擴展MBD模型制造環(huán)境三維仿真構建方法，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的關聯(lián)、交換、融合和共享應用?；赪eb的智能工廠三維可視交互方法，實現(xiàn)了面向虛實融合仿真的可視交互技術，滿足了VR/AR呈現(xiàn)及可視交互。