許章汛 張弛 李紅軍 張成俊 王軍

摘 要：針對(duì)磁懸浮針織設(shè)備織針運(yùn)行速度快、故障難檢測(cè)的特點(diǎn)，提出了一種基于數(shù)字孿生的磁懸浮織針監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磁懸浮針織設(shè)備，特別是織針的運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)架構(gòu)采樣數(shù)字孿生五維模型為基礎(chǔ)，對(duì)磁懸浮針織設(shè)備在該模型中的構(gòu)成要素進(jìn)行了深入分析。進(jìn)而，詳細(xì)闡述了在此監(jiān)控架構(gòu)中虛擬實(shí)體的開發(fā)、孿生數(shù)據(jù)的采集以及織針故障診斷等關(guān)鍵技術(shù)。最后，依托所提架構(gòu)，針對(duì)一種新型管式磁懸浮針織圓緯機(jī)設(shè)備開發(fā)一套在線監(jiān)控系統(tǒng)，并通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了所提架構(gòu)的有效性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；可視化；監(jiān)控；磁懸浮織針；針織圓緯機(jī)

中圖分類號(hào)：TP391?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：2097-2911-（2024）01-0080-10

Research and Application of Magnetic Levitation WeavingNeedle Monitoring Based on Digital Twin Technology

XU Zhangxun， ZHANG Chi， LI Hongjun， ZHANG Chengjun， WANG Jun

（School of Mechanical Engineering And Automation; Hubei Provincial Key Laboratory of Digital Textile Equipment，Wuhan Textile University， Wuhan 430073， China; Hubei Engineering Research Center of Industrial Detonator IntelligentAssembly， Wuhan 430200， China）

Abstract：In response to the high operational speeds and the difficulty of fault detection in magnetic levitation knitting machinery， a monitoring system architecture for magnetic levitation knitting needles based on digital twin technology is proposed. This system is designed for the real-time monitoring of magnetic levitation knit- ting equipment， with a particular focus on the operational status of the knitting needles. The architecture is grounded in the five-dimensional model of digital twins， with a comprehensive analysis of the components of magnetic levitation knitting equipment within this model. Additionally， the paper delves into the development of the virtual entities， the collection of twin data， and the key technologies for diagnosing needle faults within this monitoring framework. Finally， leveraging the proposed architecture， an online monitoring system was devel- oped for a novel tubular magnetic levitation circular weft knitting machine， and its effectiveness was substantiat- ed through practical application.

Keywords：digital twin; visualization; monitoring; magnetic levitation weaving needle; circular knitting ma- chine

針織圓緯機(jī)是紡織工業(yè)中的關(guān)鍵裝備，近年來已實(shí)現(xiàn)高速化與高效化的發(fā)展。目前市場(chǎng)普遍采用的是傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)針織圓緯機(jī)，但是由于織針在運(yùn)行過程中受到的剛性沖擊和機(jī)械摩擦等因素，織針的運(yùn)行速度很難進(jìn)一步提升。為了克服機(jī)械傳動(dòng)的固有問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合磁懸浮技術(shù)展開了以磁力驅(qū)動(dòng)織針的相關(guān)研究。其中，武漢紡織大學(xué)的吳曉光、張弛教授團(tuán)隊(duì)[1-4]提出了多種磁懸浮織針方案，在一定程度上解決了機(jī)械傳動(dòng)對(duì)高速織針發(fā)展的限制。作為一種新式的技術(shù)方案，磁懸浮織針具有高速傳動(dòng)、超細(xì)密等特點(diǎn)，織針的運(yùn)行狀態(tài)很難被監(jiān)控。隨著“中國(guó)智能制造2025”和《紡織行業(yè)“十四五”發(fā)展綱要》等國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的提出，智能制造已經(jīng)成為推動(dòng)中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心動(dòng)力。推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)從自動(dòng)化向智能化發(fā)展，保障設(shè)備的穩(wěn)定高效運(yùn)行，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，具有重要意義。因此，針對(duì)磁懸浮織針建立在線監(jiān)控系統(tǒng)的重要性日益凸顯。

數(shù)字孿生（Digital Twin， DT）技術(shù)的概念最早可追溯到2002年，由美國(guó)學(xué)者 GRIEVES在其產(chǎn)品全生命周期管理的相關(guān)研究[5]中提出， GRIEVES 教授提出了一種由真實(shí)空間、虛擬空間和用于連接二者的數(shù)據(jù)組成的“鏡像空間模型”。2006年，該模型被更名為“信息鏡像模型”，后者更強(qiáng)調(diào)真實(shí)空間和虛擬空間之間的雙向交互性[6]。2010年，NASA的技術(shù)路線圖中首次出現(xiàn)了“數(shù)字孿生”這一術(shù)語[7]。隨后，美國(guó)空軍開始利用數(shù)字孿生技術(shù)研究戰(zhàn)斗機(jī)，以預(yù)測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的疲勞和裂縫[8]。2014年，GRIEVES正式定義了由物理實(shí)體、虛擬實(shí)體和二者的數(shù)據(jù)交互組成的數(shù)字孿生三維模型。2019年，國(guó)內(nèi)學(xué)者陶飛等人[9]進(jìn)一步提出數(shù)字孿生五維模型以滿足更復(fù)雜的應(yīng)用需求，并針對(duì)不同領(lǐng)域的應(yīng)用提出了具體的實(shí)施策略。2021年，張辰源等人[10]針對(duì)數(shù)字孿生模型的質(zhì)量、性能等方面難以分析和量化的問題，提出了一套數(shù)字孿生模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。得益于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、5G 通訊等新一代信息技術(shù)迅速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)不僅在理論層面取得了進(jìn)展，也在諸如航空航天、醫(yī)療、船舶、城市管理、電力、汽車、采礦等領(lǐng)域[11-18] 得到了廣泛應(yīng)用。

通過深入分析數(shù)字孿生技術(shù)的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)踐，該技術(shù)利用數(shù)字化的方式將物理實(shí)體映射到虛擬模型中，構(gòu)建具有多維度、多時(shí)空特性的信息模型，用以描述和仿真物理實(shí)體的狀態(tài)、屬性和行為[9， 19]。數(shù)字孿生技術(shù)為缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控的針織設(shè)備提供了一種潛在的創(chuàng)新解決方案。本課題組結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)曾提出一種針對(duì)磁懸浮針織設(shè)備監(jiān)控方案[20]，但是該方案主要針對(duì)舊式設(shè)備展開的相關(guān)研究，隨著對(duì)磁懸浮針織技術(shù)研究的進(jìn)展加深，上述方案很難滿足現(xiàn)有需求。因此，本文將依托數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建了一種針對(duì)磁懸浮針織圓緯機(jī)的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控架構(gòu)，并通過實(shí)際應(yīng)用案例驗(yàn)證該架構(gòu)的有效性。

1 磁懸浮織針數(shù)字孿生框架

數(shù)字孿生通過在信息空間中建立物理實(shí)體的虛擬映射，利用虛擬模型、運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等建立反映物理實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字化模型，完成對(duì)物理實(shí)體全生命周期的監(jiān)控。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，數(shù)字孿生模型從三維模型被擴(kuò)充為五維模型[9]，具體包含：物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)以及各組成部分之間的連接。圖1為本研究基于數(shù)字孿生五維模型，建立磁懸浮織針數(shù)字孿生模型框架。

物理實(shí)體主要指磁懸浮針織圓緯機(jī)，其中的針筒、沉降片、織針等是本系統(tǒng)監(jiān)控的重點(diǎn)部位，也是整個(gè)研究的載體。虛擬實(shí)體是指在信息世界對(duì)物理實(shí)體的多維度映射，包括幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型。幾何模型描述磁懸浮織針及其附屬構(gòu)件的幾何位置、尺寸、形狀以及它們互相之間的裝配關(guān)系。物理模型反映通電線圈的磁場(chǎng)變化以及織針在磁場(chǎng)中的受力等。行為模型描述磁懸浮織針在不同時(shí)空尺度下，響應(yīng)內(nèi)外部變化的物理行為。規(guī)則模型則主要描述對(duì)磁懸浮織針實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷的規(guī)則。

孿生數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)（磁懸浮織針的質(zhì)量、運(yùn)行速度和位置等）、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)（算法、模型等）。連接則是實(shí)現(xiàn)磁懸浮織針監(jiān)控平臺(tái)各部分互聯(lián)互通的關(guān)鍵，包括物理實(shí)體與虛擬實(shí)體之間的雙向交互、孿生數(shù)據(jù)的采集與應(yīng)用等。服務(wù)則是磁懸浮織針監(jiān)控平臺(tái)各種功能模塊的封裝，在本研究中，主要體現(xiàn)在虛擬實(shí)體的三維展示、虛擬實(shí)體與物理實(shí)體的雙向交互、物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)展示、磁懸浮織針運(yùn)行數(shù)據(jù)展示等。

2 磁懸浮織針監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 虛擬實(shí)體構(gòu)建

2.1.1 選擇虛擬實(shí)體構(gòu)建平臺(tái)

為滿足磁懸浮織針監(jiān)控系統(tǒng)的具體需求，本研究旨在構(gòu)建一個(gè)高保真的虛擬模型。為此需要選擇一個(gè)合適的三維軟件平臺(tái)。

目前，用于開發(fā)數(shù)字孿生的三維軟件平臺(tái)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)選擇多樣化：一些開發(fā)者傾向于使用底層圖形接口（如 OpenGL[21]），另一些則選擇游戲引擎技術(shù)（如 Unity 3D[22]、Unreal Engine[23]），還有一部分使用集成解決方案（例如 Tecnomatix[24]、ANSYS-Twin Builder等[25]）。這些構(gòu)建方法各有千秋：直接利用底層圖形接口進(jìn)行開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)模型的深度優(yōu)化，開發(fā)的靈活性和自由的是幾種方式中最高的，但這通常要求開發(fā)者具備較高的圖形編程技能，并且也需要更長(zhǎng)的開發(fā)周期；采用集成解決方案則能夠大大簡(jiǎn)化開發(fā)流程，利用軟件封裝好的功能，在不編寫代碼的情況下，通常就能完成虛擬實(shí)體的構(gòu)建，但這也限制了開發(fā)的靈活性，難以滿足定制化的需求，且使用這種方式需要購(gòu)買專門的軟件，使用成本較高。

相較之下，游戲引擎為數(shù)字孿生虛擬實(shí)體構(gòu)建提供了更好的解決方案。當(dāng)前的主流游戲引擎，如Unity 3D 和Unreal Engine，已經(jīng)內(nèi)嵌了完備的物理系統(tǒng)，通過簡(jiǎn)單的定義，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的模擬。在圖像渲染方面，游戲引擎的擁有高保真的渲染能力。同時(shí)，通過利用引擎提供的腳本化開發(fā)方式，能夠?qū)μ摂M實(shí)體快速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃，可實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體的高度定制化。在上述兩大游戲引擎中，本文選擇Unity 3D作為虛擬實(shí)體的構(gòu)建平臺(tái)。該引擎有優(yōu)秀的跨平臺(tái)部署能力，廣泛支持從桌面操作系統(tǒng)到移動(dòng)平臺(tái)等各類系統(tǒng)環(huán)境；強(qiáng)大的實(shí)時(shí)預(yù)覽和交互式編輯功能，使開發(fā)者能夠快速、精細(xì)的調(diào)整場(chǎng)景的視覺效果。

2.1.2 虛擬實(shí)體構(gòu)建流程

首先，收集建模對(duì)象的圖紙信息，使用 Solid- Works 軟件進(jìn)行物理實(shí)體的三維建模工作。這一步主要目標(biāo)是創(chuàng)建包含詳細(xì)尺寸、幾何形狀和裝配關(guān)系的幾何模型，為構(gòu)建虛擬實(shí)體奠定基礎(chǔ)。SolidWorks構(gòu)建模型的復(fù)雜度高，意味著生成的模型往往包含大量的頂點(diǎn)和面片，這在后續(xù)的虛擬實(shí)體實(shí)時(shí)渲染過程中，對(duì)計(jì)算資源提出了較高的要求。

為了優(yōu)化模型并降低對(duì)計(jì)算資源的需求，可通過將 SolidWorks 構(gòu)建的復(fù)雜模型導(dǎo)入到3ds Max 進(jìn)行輕量化處理。這一步將在保持外觀和結(jié)構(gòu)的精確性的同時(shí)，減少模型的頂點(diǎn)和面片數(shù)量，保證模型的高效渲染。

輕量化處理之后，需要在3ds Max中將模型導(dǎo)出成 Unity 3D 兼容的 FBX 格式，并將其導(dǎo)入 Unity 3D中進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在Unity 3D中，可以給不同的對(duì)象添加組件以實(shí)現(xiàn)豐富的功能。例如，為磁懸浮織針添加Rigidbody組件，利用該組件，可以定義織針的質(zhì)量，也可以使織針參與復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理行為的模擬。也可為不同組件添加 Collider組件，這是一個(gè)碰撞器組件，能夠檢測(cè)碰撞事件，在織針運(yùn)動(dòng)過程中異常碰撞的其他對(duì)象時(shí)，及時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的警告機(jī)制。

2.2 孿生數(shù)據(jù)

孿生數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)字孿生五維模型的核心要素，同時(shí)也是磁懸浮織針監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。孿生數(shù)據(jù)涵蓋了從設(shè)備狀態(tài)到環(huán)境條件，以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等多維度的客觀要素?？紤]到設(shè)備組成的復(fù)雜性，若采用逐一采集的方式，將涉及到包括 Modbus、RS-485、PROFINET 和TCP等多種通訊協(xié)議，將大大增加數(shù)據(jù)采集難度，并且也很難保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和同步性。因此，本研究采用 OPC UA（Open Platform Commu- nications Unified Architecture）協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮織針監(jiān)控系統(tǒng)中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建模，確保數(shù)據(jù)采集、傳遞、訪問的一致性。

根據(jù)系統(tǒng)需求，孿生數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)架構(gòu)被分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個(gè)層次。在感知層，通過PLC和各種傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采集設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，獲取精確的設(shè)備狀態(tài)信息。傳輸層中，利用OPC UA的信息模型對(duì)采集的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，建立統(tǒng)一的信息模型。應(yīng)用層中，通過 OPC UA客戶端和服務(wù)器的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的孿生數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問，并基于感知層和傳輸層的支持，保證虛擬實(shí)體與物理實(shí)體的一致性。

圖2為磁懸浮織針監(jiān)控系統(tǒng)信息模型，將其劃分為凸輪裝置、織針系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)包含靜態(tài)屬性集、過程屬性集和方法集。其中靜態(tài)屬性集是設(shè)備固有的靜態(tài)數(shù)據(jù)，如編號(hào)、名稱等信息。過程屬性集是設(shè)備運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)，如織針的速度、位置等信息。方法集則是子系統(tǒng)能夠執(zhí)行的功能。

以織針系統(tǒng)信息模型為例，其用靜態(tài)屬性集、動(dòng)態(tài)屬性集和方法集組成，靜態(tài)屬性集中，包含了織針的固有屬性，如織針的編號(hào)、線圈的纏繞數(shù)量、織針的重量等在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定、不會(huì)隨設(shè)備運(yùn)行而改變的數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)屬性集則負(fù)責(zé)收集隨設(shè)備運(yùn)行而改變的數(shù)據(jù)，如織針的當(dāng)前位置、速度和電磁線圈中的電流大小，這些數(shù)據(jù)也是后續(xù)故障診斷的依據(jù)。方法集中包含了織針的動(dòng)作，如成圈、浮線和集圈等操作信息。

2.3 磁懸浮織針故障診斷

磁懸浮織針運(yùn)行速度快，隨著使用次數(shù)和運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的增加，故障和性能退化是不可避免發(fā)生的。而現(xiàn)有維護(hù)策略一般采用定期檢修的方式，這種方式并不一定能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停止設(shè)備運(yùn)行，對(duì)安全生產(chǎn)有重要意義。

磁懸浮針織設(shè)備在完成針織過程中，與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)針織設(shè)備一致，依賴于退圈、勾紗、閉口、成圈、牽拉以及再退圈等一系列循環(huán)動(dòng)作。然而，與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)針織設(shè)備不同的是，磁懸浮針織設(shè)備完成針織過程主要靠對(duì)織針高度的控制，而非依靠選針器等機(jī)械結(jié)構(gòu)推動(dòng)織針運(yùn)動(dòng)。因此，在理論層面，磁懸浮織針的高度、速度以及電磁線圈的實(shí)時(shí)電流等數(shù)據(jù)將共同構(gòu)成一組相互耦合的數(shù)據(jù)信號(hào)。對(duì)于磁懸浮織針設(shè)備而言，無論是在故障狀態(tài)還是正常運(yùn)行狀態(tài)下，這些數(shù)據(jù)在特征上都存在明顯的區(qū)分。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，主要基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)性能指標(biāo)并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，這種方法更多的是從統(tǒng)計(jì)的角度進(jìn)行推斷，預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度受到個(gè)體差異的影響可能較大。隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是深度學(xué)習(xí)技術(shù)在故障診斷和壽命預(yù)測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了顯著的成效[26]。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Net- work， CNN）最初主要應(yīng)用于機(jī)器視覺領(lǐng)域，尤其是在處理圖像分類問題上。由于其出色的特征提取能力使得在圖像分類任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)異，近年來開始有學(xué)者將該網(wǎng)絡(luò)用于故障診斷領(lǐng)域，也取得一定成效。因此，本研究以CNN模型為基礎(chǔ)，利用磁懸浮織針的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立了磁懸浮織針故障診斷模型。

典型的 CNN 模型通常由卷積層、池化層及全連接層組成。卷積層主要負(fù)責(zé)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，池化層負(fù)責(zé)降維和噪聲過濾，而全連接層則將處理后的特征信息用于分類或回歸任務(wù)。本研究設(shè)計(jì)的CNN結(jié)構(gòu)如圖3所示，由輸入層、特征提取層和分類層組成。輸入層負(fù)責(zé)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并在時(shí)間尺度上按圖4所示預(yù)定的步長(zhǎng)采樣數(shù)據(jù)。特征提取層包括卷積和池化兩部分，卷積從原始數(shù)據(jù)中提取特征形成特征向量，而池化層采用最大池化運(yùn)算，采用Re- lu函數(shù)作為激活函數(shù)。分類層則利用 Softmax激活函數(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)分不同故障狀態(tài)的類別。

CNN 模型主要被用于視覺處理領(lǐng)域，對(duì)于圖像分類來說，是不需要考慮時(shí)間尺度的。而對(duì)于故障診斷的數(shù)據(jù)來講，傳感器取得數(shù)據(jù)，在時(shí)間尺度上是具有關(guān)聯(lián)性的。如果直接應(yīng)用圖像分類的模型，將會(huì)割裂這種時(shí)間尺度上的關(guān)聯(lián)性。因此，這里需要特別注意的是，輸入層在處理數(shù)據(jù)時(shí)需要按照一定的步長(zhǎng)在時(shí)間尺度上滑動(dòng)采樣數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 實(shí)例開發(fā)

為了檢驗(yàn)本研究提出的針對(duì)磁懸浮針織圓緯機(jī)的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控架構(gòu)的可行性，本文針對(duì)一種新型管式磁懸浮針織圓緯機(jī)[27]的織針設(shè)備，開發(fā)了一個(gè)數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)。該設(shè)備的針筒直徑為5英寸，擁有32針的陣列，針距約為9mm 。磁懸浮驅(qū)動(dòng)的“零傳動(dòng)”特性使得織針的運(yùn)動(dòng)頻率更快，這使得對(duì)織針運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控難度大。為了真實(shí)、精確地展示磁懸浮織針在編織過程中的工藝情況，并實(shí)現(xiàn)32位織針的快速定位、實(shí)時(shí)信息可視化和智能控制，本系統(tǒng)旨在提高磁懸浮織針系統(tǒng)的運(yùn)行效率和整體管理水平。

根據(jù)前文的虛擬模型構(gòu)建方法，利用 Solid-Works、3ds Max和Unity 3D完成建模工作，構(gòu)建了磁懸浮針織設(shè)備的輕量化幾何模型，利用 C#腳本，定義了織針的運(yùn)動(dòng)方式等。系統(tǒng)的其他部分是利用 C++語言結(jié)合 QT 界面框架進(jìn)行開發(fā)的，通過調(diào)用 open62541庫(kù)，使用 C++搭建 OPC UA客戶端，以實(shí)施孿生數(shù)據(jù)的交換。主界面是基于 QT框架開發(fā)的，且在此主界面中嵌入U(xiǎn)ni- ty 3D生成的三維模型窗口。由于Unity 3D僅支持使用C#語言開發(fā)控制腳本操作虛擬模型，Uni- ty 3D生成的窗口和 QT框架開發(fā)的主界面在本質(zhì)上屬于兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程。OPC UA 客戶端采集的數(shù)據(jù)屬于主程序，為了傳遞孿生數(shù)據(jù)至Uni- ty 3D窗口管理的虛擬模型，本研究采取了共享內(nèi)存的方法，由于這種方法是讀取的同一內(nèi)存區(qū)域，從理論上講是沒有性能損耗。如圖5展示了磁懸浮織針三維可視化監(jiān)控界面。

除了展示Unity 3D渲染的虛擬實(shí)體外，主程序還包括織針管理模塊、故障診斷模塊、凸輪管理模塊等?？椺樄芾砟K中，用戶可以通過選擇不同的編號(hào)來監(jiān)控各個(gè)織針的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，并且也可在非連續(xù)運(yùn)行模式中，由虛控實(shí)控制織針運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)織針運(yùn)動(dòng)的調(diào)試。故障診斷模塊允許加載預(yù)訓(xùn)練的模型以分析織針實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在檢測(cè)到潛在故障時(shí)主動(dòng)暫停設(shè)備運(yùn)行，以防止進(jìn)一步損害。通過凸輪管理模塊，用戶可以查看凸輪的旋轉(zhuǎn)角度、已運(yùn)行的圈數(shù)等。除此之外，程序還建立了基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于將采集的織針運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后續(xù)訓(xùn)練新的故障診斷模型，也可為后續(xù)設(shè)備的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 應(yīng)用效果

本研究根據(jù)新型管式磁懸浮針織圓緯機(jī)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和監(jiān)控系統(tǒng)功能需求，開發(fā)了一個(gè)虛實(shí)交互監(jiān)控平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)體和虛擬實(shí)體之間的成功連接，完成了整個(gè)系統(tǒng)的部署工作。如圖6所示，展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的截圖。通過對(duì)物理實(shí)體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，圖6（b）所示的虛擬實(shí)體完整的反映了圖6（a）中的物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)。

為驗(yàn)證本軟件系統(tǒng)在監(jiān)控磁懸浮織針運(yùn)行狀態(tài)的效果，拆除了磁懸浮針織圓緯機(jī)的其余機(jī)構(gòu)，確?？椺樀倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以直觀地被觀測(cè)。通過編程讓織針在最低點(diǎn)和最高點(diǎn)之間循環(huán)運(yùn)動(dòng)。如圖7所示，物理實(shí)體織針與虛擬實(shí)體織針運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)一致，物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)能夠被虛擬實(shí)體精確的反映出來。

除了在虛擬模型上可視化地監(jiān)測(cè)織針運(yùn)行狀態(tài)之外，還可以在數(shù)據(jù)層面實(shí)時(shí)觀測(cè)織針的運(yùn)行數(shù)據(jù)。圖8展示了織針執(zhí)行三功位時(shí)的實(shí)時(shí)高度數(shù)據(jù)。

經(jīng)測(cè)試，該孿生平臺(tái)能夠精確地反映新型管式磁懸浮針織圓緯機(jī)的運(yùn)行狀況。孿生界面準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了磁懸浮織針系統(tǒng)的實(shí)時(shí)映射，完成了對(duì)織針定位、織針動(dòng)作同步、系統(tǒng)模型變化等關(guān)鍵功能。三維視角下，畫質(zhì)清晰流暢，模型動(dòng)作平滑且無停頓感，數(shù)據(jù)傳輸間隔為20 ms左右。模型與實(shí)際織針系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作幾乎完美同步，通訊同步性良好。系統(tǒng)顯示出高度的穩(wěn)定性，且人機(jī)交互性強(qiáng)。故障診斷方面，能夠成功檢測(cè)到故障的發(fā)生并及時(shí)暫停設(shè)備運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行的安全性得到提升。

4 總結(jié)

針對(duì)磁懸浮針織圓緯機(jī)缺少實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)制的現(xiàn)狀，本研究提出了一種依托數(shù)字孿生技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)基于數(shù)字孿生五維模型，并綜合磁懸浮針織圓緯機(jī)的特性和監(jiān)控重點(diǎn)，詳細(xì)論述了其在數(shù)字孿生五維模型中的構(gòu)成要素。在此基礎(chǔ)上，本文首先分析了不同三維工具在構(gòu)建虛擬模型時(shí)的優(yōu)劣，并詳細(xì)闡述了采用 Unity 3D引擎構(gòu)建虛擬模型的流程；繼而構(gòu)建了基于OPC UA的數(shù)據(jù)采集模塊，負(fù)責(zé)采集驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生虛擬實(shí)體的孿生數(shù)據(jù)；最后，利用CNN模型搭建了故障診斷模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了檢驗(yàn)所提的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的可行性和有效性，本研究通過開發(fā)管式磁懸浮針織設(shè)備的應(yīng)用案例進(jìn)行了實(shí)證測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)控架構(gòu)能夠有效監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，顯著提升了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的可視化感知程度。

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（責(zé)任編輯：周莉）