李頌華，周獻朋，肖 飛，候愛山，王 輝

(1.沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.廊坊凱博建設(shè)機械科技有限公司，河北 廊坊 065000；3.凱博信息科技有限公司，河北 廊坊 065000)

隨著我國新基建的熱潮，我國鐵路里程越來越長，建設(shè)鐵路所需的錨桿數(shù)量急劇提升。錨桿現(xiàn)場小批量加工的模式已經(jīng)不適用現(xiàn)在的工程需求，因此，錨桿成品集中加工配送中心應運而生。錨桿成品集中加工配送是指通過采用先進的專業(yè)化錨桿加工設(shè)備和信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大規(guī)模工廠化生產(chǎn)，并且可以有效地控制生產(chǎn)過程，從而將鋼筋或鋼管原材加工成符合工程要求的成品，最終將成品進行包裝或組配并運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的一種加工模式。

隨著集中加工模式的快速發(fā)展，設(shè)備智能化程度越來越高，數(shù)據(jù)信息越來越龐大，傳統(tǒng)的車間管理、生產(chǎn)線仿真等[1]技術(shù)方案僅僅局限于車間布局規(guī)劃和生產(chǎn)線優(yōu)化，由于系統(tǒng)與設(shè)備之間信息數(shù)據(jù)交互不夠便捷，使得車間生產(chǎn)過程無法實現(xiàn)完全透明化。

近年來，得益于數(shù)字孿生技術(shù)的普及與發(fā)展，采用實時數(shù)據(jù)驅(qū)動器的車間三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注，國內(nèi)專家學者也紛紛投入研究和實踐，獲得了不少研究成果。雖然國內(nèi)外企業(yè)工程師們在工業(yè)生產(chǎn)車間設(shè)備實時可視化監(jiān)測領(lǐng)域取得了明顯的進展，但是目前三維可視化監(jiān)控在制造業(yè)領(lǐng)域的應用仍面臨一系列挑戰(zhàn)，如監(jiān)控透明度低、監(jiān)控方式單一、數(shù)據(jù)即時性差等。為此，本文提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)新模式，它能夠?qū)崟r動態(tài)地展示工業(yè)生產(chǎn)過程，并且通過中空錨桿生產(chǎn)線實際應用進行了驗證。

1 車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 需求分析

數(shù)字孿生車間是物理車間、虛擬車間、服務、孿生數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)連接5 個方面的集成融合，通過模型間的數(shù)據(jù)互通可實現(xiàn)物理車間和虛擬車間實時交互和真實映射[12]。在此基礎(chǔ)上通過三維可視化監(jiān)控從幾何維度展現(xiàn)數(shù)字孿生車間，實現(xiàn)車間監(jiān)控的實時性與透明性。

本文建立的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多種功能：①真實展示車間基礎(chǔ)設(shè)備的工作狀態(tài)，并利用圖形真實顯示裝置功率、加工任務等信息；②真實記載車間機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)分析信息和故障數(shù)據(jù)信息，如果發(fā)生故障，系統(tǒng)可以立即提醒員工采取相應對策加以處理；③實現(xiàn)車間的動態(tài)調(diào)度，在正式生產(chǎn)前，可以根據(jù)以前的數(shù)據(jù)對生產(chǎn)計劃實施模擬仿真，以更好地掌握生產(chǎn)過程中的變化情況，提高生產(chǎn)效率，提升生產(chǎn)質(zhì)量，確保調(diào)度的有效性和合理性。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于數(shù)字孿生車間的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖（圖1），包括可視化展示與監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1.2.1 可視化展示

車間環(huán)境可視化是根據(jù)車間布局建立虛擬車間三維模型場景，包括車間中加熱設(shè)備、配電設(shè)備、上料設(shè)備、鋸切設(shè)備、控制柜等輔助設(shè)備的布局位置都會在系統(tǒng)中展示。

車間可視化系統(tǒng)可以將各種設(shè)備的基本信息和產(chǎn)品加工信息以三維形式展示出來，用戶可以通過點擊設(shè)備模型來查看相關(guān)的配置信息，從而更好地掌握生產(chǎn)過程中的狀態(tài)和信息。通過實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)和告警信息，可以展示加工任務的進度，以便更好地了解設(shè)備的運行情況。

1.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以實時收集上料設(shè)備、滾絲設(shè)備、傳送設(shè)備、切割等設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，并將其可視化展示在監(jiān)控服務平臺上，以便管理人員可以及時了解車間的運行狀況，從而更好地控制生產(chǎn)過程。

故障分析控制系統(tǒng)可以收集車間各設(shè)備的非正常信息，并與歷史記錄進行比對，從而確定故障原因，并將其定位到相應的設(shè)備上。一旦出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)將會發(fā)送高亮的警告，以便管理人員及時采取措施解決問題。

1.3 系統(tǒng)體系架構(gòu)及實現(xiàn)方式

1.3.1 體系架構(gòu)

車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)包括3 層體系架構(gòu)，即設(shè)備層、中間層、應用層，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

1）設(shè)備層 設(shè)備層是整個系統(tǒng)的硬件支撐層，包括錨桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)設(shè)備以及各種傳感器、PLC 等信息感知設(shè)備。設(shè)備層借助信息感知設(shè)備實時采集生產(chǎn)過程中的信息數(shù)據(jù)，并接收應用層的信息進行生產(chǎn)計劃的動態(tài)調(diào)度。

2）中間層 中間層是系統(tǒng)的核心部分，負責將設(shè)備層與應用層連接起來，實現(xiàn)信息的存儲、處理和傳輸，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)備層與應用層間的有效傳輸。數(shù)據(jù)的傳輸基于以太網(wǎng)以及MQTT技術(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、高效與穩(wěn)定。

3）應用層 應用層是系統(tǒng)的展示層。是用戶最直觀可看到的部分，用戶可通過瀏覽器／客戶端訪問此應用層，對整個生產(chǎn)過程進行監(jiān)控與管理。

1.3.2 實現(xiàn)方式

通過Unity 3D 虛擬現(xiàn)實引擎、Solidworks、CAXA 以及Pixyz Studio 4 種軟件的協(xié)同開發(fā)，可以充分利用各個軟件的優(yōu)勢，降低研發(fā)難度，縮減研發(fā)時間，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實控制系統(tǒng)的高效運行。以某車間的中空錨桿生產(chǎn)線為研究對象，通過CAXA 和Solidworks 三維實體建模、Pixyz Studio 模型渲染、Unity 3D 虛擬場景構(gòu)建以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)，并使用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）進行數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)對某車間中空錨桿生產(chǎn)線的實時監(jiān)控。

2 構(gòu)建模型

建立三維模型是虛擬現(xiàn)實監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的第一步，也是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實感知的基石，可以讓使用者獲得沉浸式的虛擬監(jiān)控體驗，進而提升客戶的使用感受。構(gòu)建三維模型的具體步驟如下。

1）模型數(shù)據(jù)的采集 本系統(tǒng)以中空錨桿生產(chǎn)線中的設(shè)備為原型，設(shè)備的外觀、幾何參數(shù)來自設(shè)備廠商，設(shè)備安裝環(huán)境、設(shè)備信息根據(jù)需求實地測量及重構(gòu)獲得。

2）創(chuàng)建模型 用CAXA 與Solidworks 軟件創(chuàng)建與真實設(shè)備1：1 的中空錨桿生產(chǎn)線的三維實體模型。在構(gòu)建模型時，可以刪除一些不必要的元素，例如設(shè)備內(nèi)部和控制柜內(nèi)部，這樣可以降低系統(tǒng)對電腦配置的要求。

3）模型重構(gòu)與渲染（圖3）Pixyz Studio 軟件可以有效地重構(gòu)三維實體模型，其優(yōu)點包括：①可以有效修復模型中出現(xiàn)的不連續(xù)的面和法線等問題；②可以有效刪除場景中不可見的部件、面片；③采用頂點融合算法，可以減少網(wǎng)格模型的數(shù)量，從而降低系統(tǒng)的負載；④利用投影算法生成UV 數(shù)據(jù)，使模型具有真實材質(zhì)紋理的視覺效果。

圖3 模型重構(gòu)與渲染

4）場景搭建 將Pixyz Studio 渲染出來的建模以.FBX 格式輸入Unity3D 中，并且根據(jù)實際場景調(diào)整各個運動單元的參數(shù)值，并添加燈光效果，使構(gòu)建更接近真實環(huán)境，從而達到最佳的渲染效果。

3 數(shù)據(jù)采集、傳輸與儲存

中空錨桿生產(chǎn)線的三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)是由真實設(shè)備生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)進行驅(qū)動，因此需要將設(shè)備的實時動作的狀態(tài)信息進行采集、傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)對PLC 中監(jiān)測點位的實時數(shù)據(jù)采集和傳輸，并將采集到的數(shù)據(jù)通過MQTT 協(xié)議上傳至MySQL 數(shù)據(jù)庫，以便進行更加有效的存儲和管理。

3.1 數(shù)據(jù)采集

該中空錨桿生產(chǎn)線的控制部分由西門子S200smart 可編程邏輯控制器來控制，此款PLC型號較經(jīng)濟實惠，但不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳互聯(lián)。為了更好地收集數(shù)據(jù)，采用了IoT 技術(shù)連接云平臺。利用Modbus 技術(shù)，邊緣智能網(wǎng)關(guān)可以實時監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)下載到PLC 控制器中，從而進行實時數(shù)據(jù)采集。利用邊緣網(wǎng)關(guān)，設(shè)備可以接收到來自MQTT 服務器的信息或請求，并將其轉(zhuǎn)換為可用于IoT 的格式，從而完成與MQTT 服務器的連接，如圖4 所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)傳輸與儲存

此監(jiān)控系統(tǒng)要求有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，為解決數(shù)據(jù)傳輸延遲問題，需要一種實時可靠傳輸協(xié)議。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）是一種構(gòu)建于 TCP／IP 協(xié)議上的“輕量級”通訊協(xié)議，并且滿足低延遲傳輸數(shù)據(jù)的要求。因此選擇通過MQTT 協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到MySQL 數(shù)據(jù)庫儲存。

4 數(shù)據(jù)驅(qū)動模型

實現(xiàn)虛擬化監(jiān)控管理系統(tǒng)的關(guān)鍵在于采用真實數(shù)據(jù)驅(qū)動模型動作，這一過程可以分成4 個步驟：構(gòu)建合理的設(shè)備層級關(guān)聯(lián)，從MySQL 數(shù)據(jù)庫獲得真實數(shù)據(jù)信息，解析這些數(shù)據(jù)信息，并將其與虛擬模型綁定起來。

1）合理的層次邏輯 為方便管理虛擬場景中的三維模型，采用樹結(jié)構(gòu)來展現(xiàn)模型之間的層級關(guān)系。其中所有節(jié)點都是父節(jié)點的子節(jié)點。

2）獲取實時數(shù)據(jù) 通過MQTT 協(xié)議，可以實現(xiàn)快速、高效的數(shù)據(jù)訪問，并且可以通過編寫c#腳本將MySQL 數(shù)據(jù)庫與Unity 3D 進行實時通訊，從而獲取實時數(shù)據(jù)。利用Unity 中的各種API 接口函數(shù)可以實現(xiàn)毫秒級的數(shù)據(jù)更新。根據(jù)現(xiàn)場需求和服務器處理能力選擇合適的數(shù)據(jù)更新頻率。

3）數(shù)據(jù)解析 由于數(shù)據(jù)庫中收集了車間所有設(shè)備的實時狀態(tài)信息。為了更好地分析和處理這些數(shù)據(jù)，我們需要采用一些特定的程序來剔除不需要的數(shù)據(jù)。

4）數(shù)據(jù)與模型綁定 在實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的過程中使用了DoTween 插件。DoTween 是一款強大的基于對象補間動畫引擎，能夠創(chuàng)建各種形式的動態(tài)圖像，包括數(shù)值和一些非數(shù)值元素，它提供了一系列常用的運動API 函數(shù)，使得用戶能夠輕松地創(chuàng)建出各種不同類型的動畫。

5 結(jié)語

針對國內(nèi)企業(yè)錨桿產(chǎn)品生產(chǎn)車間管理落后、信息封閉的現(xiàn)狀，分析研究了生產(chǎn)車間可視化實時監(jiān)控技術(shù)，并對可視化實時監(jiān)控技術(shù)進行了深入研究，同時結(jié)合CAXA、Pixyz Studio、Unity3D 和MySQL 軟件，提出了一種快速開發(fā)車間三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)的方法。通過采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)車間設(shè)備實時數(shù)據(jù)的上傳，大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；此外，本文還探討了可視化實時監(jiān)控平臺的建模和運行流程，以期達到更好的監(jiān)控效果。

由于本監(jiān)控管理系統(tǒng)僅是數(shù)字化車間設(shè)備三維虛擬現(xiàn)實監(jiān)控管理系統(tǒng)的一部分內(nèi)容，尚未完成整體開發(fā)。通過對車間設(shè)備的實時監(jiān)測，僅僅是確認系統(tǒng)的可行性，后續(xù)還將進一步探索場景性能的改善、人機交互的提升以及遠程下單的完全實現(xiàn)。