周 成，孫愷庭，李 江，于存貴，居里鍇

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.南京理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，制造業(yè)自動(dòng)化、信息化水平不斷提高，越來(lái)越多的制造企業(yè)采用自動(dòng)化生產(chǎn)線的方式從事生產(chǎn)制造活動(dòng)。自動(dòng)化生產(chǎn)線大量的投入使用能夠滿足大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，顯著提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；但是，一方面由于信息化管理水平不高，企業(yè)缺乏快速有效的手段管理、監(jiān)控車間的運(yùn)行狀態(tài)，另一方面由于目前市面上的管理系統(tǒng)種類多，管理系統(tǒng)之間、管理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間缺乏有效的信息交互手段，生產(chǎn)過(guò)程的透明化很難實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的車間監(jiān)控方式以人工記錄、二維報(bào)表、組態(tài)監(jiān)控等方式為主，實(shí)時(shí)性和可視化效果較差。

近年來(lái)，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的車間三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)備受關(guān)注，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究和實(shí)踐，取得了一定成果，但是普遍存在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)門檻高、開(kāi)發(fā)效率低、系統(tǒng)可移植性差、監(jiān)控方式單一等問(wèn)題，不能很好地反映車間制造狀態(tài)。如KIMURA等[1]面向中小企業(yè)開(kāi)發(fā)了可用于夜間值守的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)使用3D分層信息可視化環(huán)境作為監(jiān)控系統(tǒng)交互界面。NG等[2]開(kāi)發(fā)了壓力機(jī)生產(chǎn)線監(jiān)控與診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)和診斷功能以及媒體播放的功能。周光源等[3]針對(duì)制造業(yè)生產(chǎn)車間管理落后、信息滯后、可視性低等問(wèn)題，分析了生產(chǎn)車間可視化監(jiān)控面臨的問(wèn)題，研究了生產(chǎn)車間可視化監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)，定義了可視化對(duì)象模型技術(shù)的對(duì)象數(shù)據(jù)模型、可視化表征模型和用戶交互模型。尹超等[4]研究了基于Flexsim的車間生產(chǎn)執(zhí)行情況可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)技術(shù)。李智等[5]在分析目前車間監(jiān)控現(xiàn)狀及離散企業(yè)車間數(shù)據(jù)類型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了制造車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。曹偉等[6]提出一種基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的離散制造車間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和可視化監(jiān)控方法。張濤等[7]研究了面向數(shù)字化車間的介入式3D實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，并建立了該監(jiān)控系統(tǒng)的需求框架、體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式。姜康等[8]基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與信息集成技術(shù)，建立車間狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)車間內(nèi)人員、物料、設(shè)備等位置及狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。孫志楠等[9]針對(duì)汽車裝配線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多層次、設(shè)備種類多樣化、工況環(huán)境復(fù)雜多變、大量多源異構(gòu)信息并存的特點(diǎn)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)相結(jié)合，以友好的3D人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)汽車裝配生產(chǎn)的可視化管理。梁興明等[10]基于Unity3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)過(guò)程的三維可視化，并完成了基于虛實(shí)融合的車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。趙浩然等[11]分析了數(shù)字孿生車間與三維可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控之間的關(guān)系，提出一種多層次的三維可視化監(jiān)控模式和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬車間運(yùn)行模式。

綜上所述，目前圍繞車間三維可視化監(jiān)控難題，已取得一定研究成果，如已實(shí)現(xiàn)車間數(shù)據(jù)采集及車間事件建模；車間可視化監(jiān)控由二維向三維轉(zhuǎn)變，能夠提供更多的車間信息，提高監(jiān)控透明度等。但是同樣存在一些問(wèn)題，如可視化監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)門檻高、開(kāi)發(fā)效率低、系統(tǒng)可移植性差、監(jiān)控方式單一，不能很好地反映車間制造狀態(tài)；缺乏監(jiān)控系統(tǒng)理論模型；主要監(jiān)控當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)和追溯歷史狀態(tài)等?；跀?shù)字孿生的虛擬監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車間制造資源的管控一體化，實(shí)現(xiàn)“以虛控實(shí)”；同時(shí)可以結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間制造流程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。針對(duì)當(dāng)前制造車間監(jiān)控透明度低、方式單一、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，本文面向車間制造過(guò)程，提出一種基于數(shù)字孿生(Digital Twin),以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)總線,能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示生產(chǎn)過(guò)程的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型，并通過(guò)印章生產(chǎn)車間進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)模型

1.1 基于數(shù)字孿生的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)模型

數(shù)字孿生也稱為數(shù)字鏡像、數(shù)字映射或者數(shù)字雙胞胎。數(shù)字孿生最早的應(yīng)用可追溯至NASA的阿波羅探月項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中，NASA通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)完全相同的空間飛行器，一個(gè)用于空間飛行，稱為物理實(shí)體，另一個(gè)被留在地球上，稱為孿生體。通過(guò)執(zhí)行任務(wù)前對(duì)物理實(shí)體與孿生體的充分訓(xùn)練，使孿生體具有能夠較為準(zhǔn)確地反映物理實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的有效監(jiān)控[12]。近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)在電力、汽車、醫(yī)療、船舶、城市建設(shè)、交通規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域中展現(xiàn)出越來(lái)越大的應(yīng)用潛能[13]，數(shù)字孿生技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems, CPS)的關(guān)鍵技術(shù)，但是由于缺乏通用的數(shù)字孿生理論模型和構(gòu)建方法，阻礙了數(shù)字孿生在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，數(shù)字孿生理論模型包括經(jīng)典數(shù)字孿生概念模型[14]、數(shù)字孿生五維模型[13]、CPS 5C模型[15]、C2PS模型[16]等，這些理論模型可概括為數(shù)據(jù)、模型、服務(wù)三大核心要素，車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)需求與其一致。本文參考數(shù)字孿生五維模型[13]架構(gòu)和C2PS模型[16]“云”部署方式，結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)整合和系統(tǒng)集成能力，提出以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)，基于數(shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型MVM，包括物理車間(Physical Shop，PS)、虛擬車間(Virtual Shop，VS)、服務(wù)(Services，Ss)、孿生數(shù)據(jù)(Digital Data，DD)、前端展示(Front-end Display，F(xiàn)D)、連接(Connection，CN)，各維間的關(guān)系如圖1所示。

MVM=(PS，VS，Ss，DD，F(xiàn)D，CN)。

(1)

(1)物理車間(PS)。PS是六維模型的構(gòu)成基礎(chǔ)，具有典型的層次化特點(diǎn)，按照功能及結(jié)構(gòu)一般可分為設(shè)備級(jí)、單元級(jí)、產(chǎn)線級(jí)和車間級(jí)4個(gè)層次。以自動(dòng)化生產(chǎn)車間為例，車間內(nèi)各設(shè)備可視為設(shè)備級(jí)，是車間的最小組成單元；根據(jù)產(chǎn)品的工藝流程及工藝，參與同一工藝或工序的設(shè)備視為單元級(jí)，如自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)單元、物流單元、機(jī)加工單元、裝配單元、檢測(cè)單元、包裝單元等；生產(chǎn)同一產(chǎn)品或部件的各單元級(jí)設(shè)備組合構(gòu)成的生產(chǎn)線可視為產(chǎn)線級(jí)；加工同類型產(chǎn)品或部件的各生產(chǎn)線構(gòu)成的生產(chǎn)車間可視為車間級(jí)，如沖壓車間、鍛造車間、焊接車間等。

(2)虛擬車間(VS)。VS通過(guò)三維建模技術(shù)描述PS幾何參數(shù)(形狀、尺寸、位置等)與關(guān)系(裝配關(guān)系)，使其與PS具有良好的時(shí)空一致性。采用模型渲染技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言等對(duì)幾何建模進(jìn)一步完善，通過(guò)添加必要的燈光、材質(zhì)、特效使VS具有真實(shí)的質(zhì)感；同時(shí)，通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、外部輸入事件響應(yīng)等，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游。

(3)服務(wù)(Ss)。Ss是指MVM實(shí)現(xiàn)過(guò)程所需服務(wù)的集合，主要由工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、三維建模軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件等提供。根據(jù)應(yīng)用需求的不同可將Ss分為功能性服務(wù)(Function Service，F(xiàn)S)和業(yè)務(wù)性服務(wù)(BusinessService，BS)，F(xiàn)S為BS的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行提供支撐。

Ss=(FS，BS)。

(2)

式中：FS主要包括：①面向VS提供的模型服務(wù)，如模型構(gòu)建、模型渲染、虛擬場(chǎng)景搭建等；②面向DD提供的數(shù)據(jù)管理服務(wù)，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)封裝、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析等；③面向CN提供連接支持，如接口服務(wù)、協(xié)議服務(wù)等。BS主要指面向FD的一系列服務(wù)，主要包括：①面向車間管理人員提供多種形式的監(jiān)控手段，如監(jiān)控大屏、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)眼鏡、移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等)；②為FD提供實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，并依據(jù)相關(guān)決策規(guī)則對(duì)人機(jī)交互進(jìn)行反饋。

(4)孿生數(shù)據(jù)(DD)。DD是MVM運(yùn)行的基礎(chǔ)，DD主要包括PS數(shù)據(jù)(Dp)、VS數(shù)據(jù)(Dv)、Ss數(shù)據(jù)(Ds)和知識(shí)數(shù)據(jù)(Dk)。

DD=(Dp，Dv，Ds，Dk)。

(3)

式中：Dp主要用于描述構(gòu)成PS的設(shè)備、廠房、燈光等物理要素屬性數(shù)據(jù)，以及能夠反映PS運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)，物理要素屬性數(shù)據(jù)主要由設(shè)備廠方提供或?qū)嵉販y(cè)量，動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)則通過(guò)傳感器、設(shè)備接口、嵌入式采集卡、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等進(jìn)行采集；Dv主要包括與VS相關(guān)的數(shù)據(jù)，如能夠表示PS模型相關(guān)數(shù)據(jù)(包括幾何模型、物理模型、行為模型以及規(guī)則模型等)；Ds主要包括FS相關(guān)數(shù)據(jù)(模型、算法、決策規(guī)則、數(shù)據(jù)庫(kù)操作等)與BS相關(guān)數(shù)據(jù)(模型動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)，人機(jī)交互數(shù)據(jù)等)；Dk包括專家知識(shí)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、常用算法、常用數(shù)據(jù)庫(kù)、常用API接口、常用模型構(gòu)建方法等。

(5)前端展示(FD)。FD是MVM的展示維，所有的監(jiān)控內(nèi)容都將在這一維度上進(jìn)行展示。由于車間生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性和不可預(yù)見(jiàn)性，傳統(tǒng)利用數(shù)據(jù)報(bào)表、二維圖表和組態(tài)軟件的監(jiān)控方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前制造方式下的監(jiān)控需求，從而導(dǎo)致車間管理人員無(wú)法在第一時(shí)間獲取生產(chǎn)過(guò)程的準(zhǔn)確信息，無(wú)法對(duì)生產(chǎn)異常狀況做出快速響應(yīng)、調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和指導(dǎo)車間生產(chǎn)。本文提出以三維虛擬場(chǎng)景和狀態(tài)看板為主、以實(shí)時(shí)視頻和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為輔的車間多層次可視化方式，如圖2所示。

1)三維虛擬場(chǎng)景，以三維虛擬場(chǎng)景模塊作為主要監(jiān)控方式，從物流、設(shè)備、產(chǎn)品3個(gè)方面對(duì)車間制造過(guò)程實(shí)現(xiàn)可視化管控;

2)狀態(tài)看板，狀態(tài)看板雖然在可視化效果上不如三維模型直觀，但是在統(tǒng)計(jì)信息屬性(時(shí)間、文字、數(shù)量等)方面具有不可替代的作用，可詳細(xì)展示各生產(chǎn)資源的實(shí)時(shí)和統(tǒng)計(jì)信息；

3)實(shí)時(shí)視頻，通過(guò)布置在現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)工業(yè)攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)、直觀的監(jiān)控；

4)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，AR通過(guò)綜合運(yùn)用三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤注冊(cè)、智能交互、傳感器等多種技術(shù)手段，將虛擬信息疊加于真實(shí)世界，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”?；贏R技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的直觀展示。

(6)連接(CN)。CN是實(shí)現(xiàn)MVM各部分互聯(lián)互通的重要紐帶，主要包括PS與VS之間的連接CN_PV，PS與Ss之間的連接CN_PS，PS與DD之間的連接CN_PD，VS與Ss之間的連接CN_VS，VS與FD之間的連接CN_VF，DD與Ss之間的連接CN_DS，DD與FD之間的連接CN_DF，F(xiàn)D與Ss之間的連接CN_FS。

CN=(CNPV，CNPS，CNPD，CNVS，CN_VF，

CN_DS，CN_DF，CN_FS)。

(4)

式中：CN_PV通過(guò)數(shù)據(jù)采集方式實(shí)時(shí)采集PS數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至VS對(duì)應(yīng)模型；CN_PS通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟件接口實(shí)現(xiàn)PS與Ss的雙向通信，數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)等；CN_PD可利用多種傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議實(shí)時(shí)采集PS數(shù)據(jù)，并傳輸至DD；CN_VS通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟件接口實(shí)現(xiàn)VS與Ss的雙向通信，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的模型驅(qū)動(dòng)；CN_VF通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)VS與FD的實(shí)時(shí)同步和動(dòng)態(tài)交互；CN_DS通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)接口將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DD中，同時(shí)Ss通過(guò)對(duì)DD中歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和常用算法、數(shù)學(xué)模型的調(diào)用支持Ss的運(yùn)行；CN_DF通過(guò)TCP/IP、UDP等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在Ss的支持下實(shí)現(xiàn)FD與DD之間的數(shù)據(jù)交互；CN_FS通過(guò)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、前端開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)FD與Ss間的數(shù)據(jù)交互，Ss為FD提供界面集成服務(wù)、數(shù)據(jù)交互服務(wù)，并定義FD人機(jī)交互響應(yīng)響應(yīng)決策規(guī)則。

1.2 三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

基于數(shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。物理車間(PS)到虛擬車間(VS)的映射是實(shí)現(xiàn)間三維可視化監(jiān)控的核心，為建立真實(shí)的映射過(guò)程，需要建立車間生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)模型，從而準(zhǔn)確地描述車間動(dòng)態(tài)行為。本文采用運(yùn)行邏輯建模方法描述生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)邏輯，通過(guò)將車間制造過(guò)程孿生數(shù)據(jù)(DD)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的車間事件，驅(qū)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)的改變以及工件在不同工位間的流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物流的實(shí)時(shí)映射。采用虛擬模型構(gòu)建方法建立虛擬車間(VS)。采用事件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物流的實(shí)時(shí)映射、采用模型驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)映射；由物流實(shí)時(shí)映射、設(shè)備實(shí)時(shí)映射結(jié)合工藝流程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)映射，最終通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控的前端展示(FD)。三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)可總結(jié)為孿生數(shù)據(jù)的采集、車間虛擬場(chǎng)景構(gòu)建以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)映射。

如何從車間海量、異構(gòu)、多源的數(shù)據(jù)流中采集能夠表征物理車間(PS)真實(shí)完整運(yùn)行狀態(tài)的孿生數(shù)據(jù)(DD)，并實(shí)現(xiàn)三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)模型各維的互聯(lián)互通是連接(CN)維需要解決的問(wèn)題。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)主要蘊(yùn)含在設(shè)備中，設(shè)備數(shù)據(jù)可分為協(xié)議數(shù)據(jù)(包括總線型、API型數(shù)據(jù))和傳感數(shù)據(jù)，協(xié)議數(shù)據(jù)采集的方式主要有軟件直接采集、采集盒子采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊等；傳感數(shù)據(jù)的采集方式主要有多功能全面型數(shù)據(jù)采集器、集成式數(shù)據(jù)采集器等。雖然有以上方法可以采集數(shù)據(jù)，但是由于車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、傳感器以及通信規(guī)范的多樣性，如果單獨(dú)為各種規(guī)范指定解析規(guī)則不但工作量大而且通用性差。雖然也存在一些標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議，如OPC、MTconnect等，但是仍需要開(kāi)發(fā)者自行編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)車間數(shù)據(jù)的采集，而且并不是所有的設(shè)備都支持以標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

本文以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)總線，借助工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)強(qiáng)大的設(shè)備接入、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)集成能力，降低車間數(shù)據(jù)采集與管理的難度，以便于三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)和部署。典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有COSMOPlat、OceanConnect Iot、ThingWorx等。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)總線的優(yōu)勢(shì)在于：

(1)設(shè)備接入能力強(qiáng)。通過(guò)平臺(tái)集成的工業(yè)網(wǎng)關(guān)、中間件、嵌入式操作系統(tǒng)等成熟產(chǎn)品和解決方案，可快速構(gòu)建平臺(tái)與資源的連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、設(shè)備、軟件、物料、環(huán)境等各類生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)的全面采集。

(2)完善的數(shù)據(jù)服務(wù)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基于開(kāi)源開(kāi)發(fā)工具以及微服務(wù)架構(gòu)等方式，可靈活地為開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)基于情景驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)服務(wù)。在車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)應(yīng)用情景主要包括基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為三維虛擬場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和基于歷史數(shù)據(jù)為監(jiān)控系統(tǒng)提供決策支持兩部分。

(3)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率高。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)將技術(shù)、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等資源固化為可移植、可復(fù)用的工業(yè)微服務(wù)組件庫(kù)，為開(kāi)發(fā)者屏蔽了設(shè)備連接、軟件集成與部署、計(jì)算資源調(diào)度的復(fù)雜過(guò)程，只需專注于系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)，顯著提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示，以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)總線，以高頻無(wú)源射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification, RFID)采集物料信息，以O(shè)PC協(xié)議和設(shè)備軟件開(kāi)發(fā)工具包結(jié)合遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用協(xié)議(Remote Procedure Call protocol，RPC)實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集；以JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸滿足不同編譯環(huán)境下的數(shù)據(jù)交換；基于REST FUL架構(gòu)為虛擬車間(VS)和前端顯示(FD)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。首先通過(guò)多種數(shù)據(jù)采集方式實(shí)現(xiàn)車間數(shù)據(jù)的采集；然后基于分布式文件系統(tǒng)、NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)等不同的數(shù)據(jù)管理引擎實(shí)現(xiàn)車間數(shù)據(jù)的分區(qū)選擇、存儲(chǔ)、編目與索引；最后，基于REST FUL架構(gòu)的GET方法，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換。

2 虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

車間虛擬場(chǎng)景構(gòu)建流程如圖5所示，主要由幾何建模、場(chǎng)景構(gòu)建、人機(jī)交互和場(chǎng)景優(yōu)化等構(gòu)成。幾何建模是虛擬場(chǎng)景構(gòu)建的基礎(chǔ)；場(chǎng)景構(gòu)建是對(duì)幾何建模的進(jìn)一步完善，通過(guò)添加必要的燈光、材質(zhì)、特效使虛擬場(chǎng)景具有真實(shí)的質(zhì)感；人機(jī)交互包括人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、外部輸入事件響應(yīng)等，目的在于實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景中的場(chǎng)景漫游；為了平衡虛擬場(chǎng)景繪制復(fù)雜度和繪制實(shí)時(shí)性之間的矛盾，保證大型場(chǎng)景下系統(tǒng)的流暢性，需優(yōu)化虛擬場(chǎng)景，最終獲得虛擬車間場(chǎng)景模型。

2.1 幾何建模

車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)孿生數(shù)據(jù)(DD)驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)車間運(yùn)行狀態(tài)三維可視化，為實(shí)現(xiàn)基于孿生數(shù)據(jù)(DD)的實(shí)時(shí)映射不僅需要對(duì)孿生數(shù)據(jù)(DD)進(jìn)行有效管理，還需要對(duì)虛擬場(chǎng)景幾何模型進(jìn)行有效管理。本文采用“根—莖—葉”三層組織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車間幾何模型的管理，車間幾何模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

車間幾何模型以車間為根層次，以車間環(huán)境、人員、立體倉(cāng)庫(kù)、物流、機(jī)加工、裝配檢測(cè)單元為莖層次，以構(gòu)成各莖層次的設(shè)備作為葉層次，從而以三層結(jié)構(gòu)組織車間資源，在幾何維度上準(zhǔn)確描述數(shù)字化制造車間可能涉及到的人員、設(shè)備、廠房、物料等對(duì)象。針對(duì)設(shè)備層次的幾何模型，則采用父子節(jié)點(diǎn)嵌套的組織形式實(shí)現(xiàn)模型的高效驅(qū)動(dòng)。以六自由度串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人為例：首先將六自由度機(jī)器人中共同運(yùn)動(dòng)的部件組合成一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體，可得到6個(gè)運(yùn)動(dòng)體，分別代表機(jī)器人的6個(gè)機(jī)械臂；其次，為便于定義各運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)，采用子—父節(jié)點(diǎn)的組織方式從連接基座的運(yùn)動(dòng)體開(kāi)始，定義前一個(gè)運(yùn)動(dòng)體都是下一個(gè)運(yùn)動(dòng)體的“父物體”，“父物體”只需考慮自身運(yùn)動(dòng)，而不用考慮“子物體”運(yùn)動(dòng)的影響。幾何模型結(jié)構(gòu)確定后可通過(guò)三維建模軟件(如Solidworks、Creo等)建立車間幾何模型。

2.2 場(chǎng)景構(gòu)建

可視化監(jiān)控系統(tǒng)要求創(chuàng)建的虛擬場(chǎng)景不僅具有良好的真實(shí)感和沉浸感，還具有良好的人機(jī)交互性能，以滿足三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型服務(wù)(Ss)維的需求，因此在選擇開(kāi)發(fā)方式時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的模型構(gòu)建和處理能力，支持常見(jiàn)格式的導(dǎo)入導(dǎo)出；②系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的圖形處理能力，能夠滿足復(fù)雜場(chǎng)景、大場(chǎng)景下圖形的優(yōu)化渲染輸出；③系統(tǒng)應(yīng)具有開(kāi)源的接口，使用常見(jiàn)的面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)語(yǔ)言(例如C++，C#，JAVA，Delphi，PHP等)進(jìn)行編程，便于系統(tǒng)程序的開(kāi)發(fā)。

虛擬場(chǎng)景構(gòu)建涉及到幾何模型的優(yōu)化、渲染，虛擬場(chǎng)景的管理、視點(diǎn)漫游、碰撞體檢測(cè)、粒子特效、UI界面設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)集成等。目前，實(shí)現(xiàn)的方法主要包括：①三維動(dòng)畫(huà)制作；②基于OpenGL/Direct X等底層圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口(Application Programming Interface，API)編程；③Web 3D技術(shù)；④多專業(yè)軟件協(xié)同開(kāi)發(fā)。前3種方法存在開(kāi)發(fā)效率低的問(wèn)題，目前普遍采用虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)引擎(如Unity 3D、IdeaVR)結(jié)合模型渲染軟件(如Maya、3d Max)的多專業(yè)協(xié)同開(kāi)發(fā)方法，可以充分發(fā)揮各專業(yè)軟件的性能優(yōu)勢(shì)，減少系統(tǒng)底層開(kāi)發(fā)的工作量，降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)門檻，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。

2.3 人機(jī)交互

三維虛擬場(chǎng)景與實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控方式相比，其顯著優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)θ藱C(jī)交互事件進(jìn)行響應(yīng)，從而改變虛擬場(chǎng)景展示的內(nèi)容?；谌藱C(jī)交互的場(chǎng)景漫游主要包括幾何變換的實(shí)現(xiàn)和外部輸入事件的響應(yīng)，可通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件、鍵盤(pán)操作事件等方式實(shí)現(xiàn)。幾何變換是場(chǎng)景漫游的基礎(chǔ)，虛擬場(chǎng)景中所有模型的運(yùn)動(dòng)、場(chǎng)景漫游都是基于幾何變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。幾何變換是各種圖形處理方法的基礎(chǔ)，通過(guò)變換像素的空間位置，在新的空間位置上顯示原坐標(biāo)點(diǎn)的新位置，幾何變換包括平移、旋轉(zhuǎn)和縮放3種[18]。在三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)中，鼠標(biāo)和鍵盤(pán)是最基本的輸入方式之一。場(chǎng)景中如攝像機(jī)視角方向的改變、視距的遠(yuǎn)近、多場(chǎng)景的切換等可通過(guò)鼠標(biāo)操作完成;場(chǎng)景中如攝像機(jī)視角方向的改變、前進(jìn)、后退、左移、右移、上升、下降等可通過(guò)鍵盤(pán)操作完成。

2.4 場(chǎng)景優(yōu)化

實(shí)時(shí)性作為三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個(gè)重要尺度，貫穿于三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。盡管隨著計(jì)算機(jī)圖形軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，許多圖元的繪制可通過(guò)硬件升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)加速，但是如果只依靠硬件性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了大型復(fù)雜場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制需求[18]。為了保證大型場(chǎng)景下虛擬場(chǎng)景的高質(zhì)量流暢顯示，解決虛擬場(chǎng)景繪制復(fù)雜度和繪制實(shí)時(shí)性之間的矛盾，須對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。可通過(guò)軟件從圖形繪制算法入手，減少圖形的復(fù)雜度并提高圖形的實(shí)時(shí)生成能力。目前常用的方法有可見(jiàn)性剔除、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多細(xì)節(jié)層次模型等[19]。

3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)映射

3.1 多層次映射

物理車間(PS)到虛擬車間(VS)的實(shí)時(shí)映射是實(shí)現(xiàn)車間三維可視化監(jiān)控的核心。在車間運(yùn)行期間，生產(chǎn)資源發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，為了形成能夠覆蓋車間制造全生命周期的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控，本文從物流、設(shè)備、產(chǎn)品三方面建立基于孿生數(shù)據(jù)(DD)驅(qū)動(dòng)的虛擬車間三層映射體系，準(zhǔn)確地描述車間動(dòng)態(tài)行為，如圖7所示。

(1)物流層次 將車間制造過(guò)程實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)車間事件，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在不同工位間的流轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物流映射。

(2)設(shè)備層次 設(shè)備的映射是虛擬車間(VS)三層映射體系的最小映射單位，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)等實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備動(dòng)作的實(shí)時(shí)感知，并基于孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備在虛擬環(huán)境下的虛實(shí)同步。

(3)產(chǎn)品層次 產(chǎn)品的映射是在實(shí)現(xiàn)設(shè)備層次和物流層次映射的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品的工藝流程、實(shí)時(shí)位置以及設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為車間事件，基于事件驅(qū)動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型的動(dòng)態(tài)改變，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品狀態(tài)的實(shí)時(shí)映射。

3.2 運(yùn)行邏輯建模

虛擬車間三層映射體系中的物流映射是基于車間運(yùn)行邏輯模型動(dòng)態(tài)映射框架實(shí)現(xiàn)的[11]。常見(jiàn)的車間運(yùn)行邏輯建模方法有實(shí)體流程圖、活動(dòng)循環(huán)圖、Petri網(wǎng)、排隊(duì)論、極大代數(shù)法等[20]。混流自動(dòng)化生產(chǎn)線是典型的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，任務(wù)執(zhí)行過(guò)程可表示為事件和狀態(tài)，適合采用Petri網(wǎng)建模。Petri網(wǎng)是一種用來(lái)描述離散事件系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模語(yǔ)言，自20世紀(jì)60年代提出后，由于其形象直觀、易于理解，在離散型制造業(yè)建模領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展與關(guān)注，并形成了面向不同領(lǐng)域的改進(jìn)型Petri網(wǎng)[21]：①判斷網(wǎng)(EP-N)；②變遷網(wǎng)(TP-N)；③著色網(wǎng)(CP-N)；④高級(jí)網(wǎng)(HLP-N)；⑤擴(kuò)展隨機(jī)高級(jí)判定Petri網(wǎng)(Extended Stochastic High-level Evaluation Petri Nets，ESHLP-N)。其中ESHLP-N方法定義了雙重令牌(令牌：判斷條件)和雙重標(biāo)識(shí)，不僅效果直觀，還有利于分析系統(tǒng)性能；此外，通過(guò)調(diào)度規(guī)則的引入，提高了ESHLP-N方法的推理和決策能力，使其在柔性制造系統(tǒng)的建模、調(diào)度、仿真優(yōu)化方面具有良好的效果。本文采用ESHLP-N方法描述生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)邏輯，通過(guò)車間事件驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而動(dòng)態(tài)映射物理車間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)運(yùn)行。下面以機(jī)加工單元為例，說(shuō)明ESHLEP-N模型的建立過(guò)程。

物料出庫(kù)，是自動(dòng)化生產(chǎn)線的第一道工藝。即按照工藝需求，控制堆垛機(jī)從立體倉(cāng)庫(kù)中取出相應(yīng)的物料，在經(jīng)過(guò)視覺(jué)檢測(cè)或RFID檢驗(yàn)核對(duì)物料信息后，由物流系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)至下道工藝的暫存區(qū)。自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)單元的工藝流程圖如圖8所示。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程包括出庫(kù)、校驗(yàn)和轉(zhuǎn)運(yùn)。d1表示物料出庫(kù)庫(kù)所；t11變遷表示堆垛機(jī)根據(jù)訂單信息對(duì)物料進(jìn)行出庫(kù)操作。d2表示自動(dòng)化設(shè)備通過(guò)RFID或者視覺(jué)檢測(cè)的方式對(duì)出庫(kù)物料進(jìn)行檢驗(yàn)的庫(kù)所；t21變遷表示自動(dòng)化設(shè)備準(zhǔn)備檢驗(yàn)出庫(kù)的物料。d3表示物流系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的庫(kù)所；t31變遷表示物流系統(tǒng)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)運(yùn)檢驗(yàn)合格的物料。狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程觸發(fā)條件與觸發(fā)結(jié)果可參考文獻(xiàn)[11]。決策點(diǎn)s1，s4，s7規(guī)定了ti1變遷的規(guī)則，決定了物料的工序流程以及排隊(duì)規(guī)則；s2，s5，s8決策點(diǎn)規(guī)定了ti2變遷的規(guī)則，復(fù)合令牌在di庫(kù)所中停留一段時(shí)間，表示出庫(kù)、檢驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程；s3，s6，s9決策點(diǎn)規(guī)定了ti2變遷發(fā)生后令牌的輸出規(guī)則，根據(jù)產(chǎn)品的工藝決定本工序加工完畢后的訂單令牌Ii的去向。

3.3 孿生數(shù)據(jù)映射

基于孿生數(shù)據(jù)(DD)的實(shí)時(shí)映射是實(shí)現(xiàn)車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。虛擬車間(VS)構(gòu)建方法不同，模型驅(qū)動(dòng)方法也各不相同，表1介紹了兩種模型驅(qū)動(dòng)方法。

表1 模型驅(qū)動(dòng)方法

4 系統(tǒng)實(shí)例

某印章自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)主要由自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)單元、物流單元、加工制造單元、裝配單元以及控制單元組成。自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)單元由巷道式立體化自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)、堆垛機(jī)、出入庫(kù)平臺(tái)以及RFID識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成，主要用于物料和成品的存儲(chǔ)；物流單元由AGV、抓取機(jī)械手、圖像識(shí)別系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)平臺(tái)以及成品區(qū)構(gòu)成，主要用于物流、成品、半成品在各工位間的流轉(zhuǎn)；加工制造單元由精雕機(jī)、數(shù)控車床以及上下料機(jī)器人構(gòu)成，通過(guò)對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化上下料，主要用于產(chǎn)品的加工；裝配單元由裝配機(jī)器人和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)構(gòu)成，主要用于印章的裝配；控制單元由現(xiàn)場(chǎng)總控PLC、CNC系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、AGV控制系統(tǒng)、人機(jī)交互界面以及上位機(jī)構(gòu)成。加工的產(chǎn)品有公章和私章兩種，是典型的多品種、小批量生產(chǎn)方式。

為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的透明管控，根據(jù)前文提出的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型，以ThingWorx物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)應(yīng)用總線，以Creo、3d Max、Unity 3D多軟件協(xié)同建模的方式，基于.NET平臺(tái)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了印章生產(chǎn)車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)，總體架構(gòu)如圖10所示，由物理層、孿生層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層5部分組成：①物理層對(duì)應(yīng)六維模型的物理車間(PS)，是構(gòu)成印章生產(chǎn)車間全要素的合集，包括人員、設(shè)備、物料、工藝流程、廠房等；②孿生層對(duì)應(yīng)六維模型的虛擬車間(VS)，通過(guò)多軟件協(xié)同的方式構(gòu)建兩種應(yīng)用環(huán)境下的虛擬車間(VS)，實(shí)現(xiàn)物理車間(PS)的真實(shí)映射；③平臺(tái)層對(duì)應(yīng)于六維模型的服務(wù)(Ss)和孿生數(shù)據(jù)(DD)，基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)強(qiáng)大的泛在連接、靈活的數(shù)據(jù)管理以及快速的應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)以及Web前端系統(tǒng)集成；④應(yīng)用層對(duì)應(yīng)六維模型的前端展示(FD)，通過(guò)構(gòu)建三維虛擬場(chǎng)景、狀態(tài)看板、實(shí)時(shí)視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)多層次監(jiān)控；⑤網(wǎng)絡(luò)層對(duì)應(yīng)六維模型的連接(CN)，通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、有線/無(wú)線組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分的互聯(lián)互通。系統(tǒng)整體運(yùn)行效果如圖11所示。

現(xiàn)場(chǎng)大屏監(jiān)控顯示三維虛擬場(chǎng)景、實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻以及狀態(tài)看板內(nèi)容，如圖12所示。其中三維虛擬場(chǎng)景可通過(guò)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)不同視角的切換，以直觀沉浸的方式查看車間實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻用于展示固定視角的車間現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)；生產(chǎn)報(bào)表主要展示印章生產(chǎn)車間每日產(chǎn)量及每月產(chǎn)量。除以上展示信息外，在三維虛擬場(chǎng)景中的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)、AGV單元、數(shù)控車床、上下料機(jī)器人、精雕機(jī)、裝配機(jī)器人模型上增加了信息彈窗，以文本的方式直觀地展示設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，豐富了監(jiān)控形式。AGV運(yùn)行信息彈窗如圖13所示，該彈窗將AGV的位置坐標(biāo)、溫度、電量以及機(jī)械臂各軸的角度以一種直觀的方式展示出來(lái)。AR場(chǎng)景主要以數(shù)控車床的主軸、刀具庫(kù)和精雕機(jī)的三軸運(yùn)動(dòng)為監(jiān)控對(duì)象，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行信息彈窗，將部分運(yùn)行數(shù)據(jù)直接以文字的形式進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)可視化，如圖14所示。通過(guò)對(duì)虛擬場(chǎng)景、數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)管理策略、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型方法以及前后端數(shù)據(jù)交互方式的研究與優(yōu)化，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。上線后的系統(tǒng)運(yùn)行流暢、實(shí)時(shí)性好，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，虛擬車間(VS)與物理車間(PS)的延時(shí)大約為0.5s，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的監(jiān)控需求，驗(yàn)證了三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)的可行性和有效性。文獻(xiàn)[3-8]構(gòu)建的可視化監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控方式較為單一，本系統(tǒng)增加了實(shí)時(shí)視頻與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，監(jiān)控方式更為豐富，文獻(xiàn)[11]構(gòu)建的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)延時(shí)在3 s以內(nèi)，相較于該系統(tǒng)，本文系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更優(yōu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于數(shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型，并以印章生產(chǎn)三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了模型的有效性。通過(guò)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的孿生數(shù)據(jù)采集方法、構(gòu)建車間多層次可視化方式等，解決了車間監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控透明度低、方式單一、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題?；跀?shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)最終目的是實(shí)現(xiàn)車間制造資源的管控一體化，本文只是實(shí)現(xiàn)了車間制造過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并沒(méi)有與車間設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，不能實(shí)現(xiàn)“以虛控實(shí)”。下一步研究將結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間制造流程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。