路東興

摘要：隨著“中國(guó)制造2025”的推進(jìn)，制造業(yè)正進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型。柔性生產(chǎn)線應(yīng)用廣泛，但實(shí)際操作常不達(dá)預(yù)期，影響效率和投資。因此，數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究顯得尤為重要。數(shù)字孿生技術(shù)能夠構(gòu)建實(shí)體產(chǎn)品的虛擬模型，在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的優(yōu)化和調(diào)整。通過(guò)數(shù)字化樣機(jī)虛擬調(diào)試降低風(fēng)險(xiǎn)和工作量，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生仿真?調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)??產(chǎn)業(yè)數(shù)字化??信息可視化

中圖分類號(hào)：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(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為了不可或缺的一部分。不僅能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率，還能夠降低成本并減少環(huán)境污染。因此，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1?數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

1.1實(shí)現(xiàn)信息可視化，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)FML虛擬調(diào)試平臺(tái)

在數(shù)字孿生仿真的設(shè)計(jì)中，信息可視化的實(shí)現(xiàn)是至關(guān)重要的一環(huán)。信息可視化是指將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像的形式進(jìn)行展示和分析的過(guò)程。它可以幫助用戶更好地理解數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和關(guān)系，從而提高決策制定的能力。因此，如何有效地實(shí)現(xiàn)信息可視化成為了數(shù)字孿生仿真的一個(gè)重要問(wèn)題。目前，常用的信息可視化工具包括圖表、餅圖、散點(diǎn)圖等多種形式。其中，圖表是最常見的一種方式之一。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)和排序后，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)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(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，還能夠讓讀者更加容易地理解數(shù)據(jù)的趨勢(shì)和變化規(guī)律。

此外，可以使用顏色增強(qiáng)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(shì)等。以FML設(shè)備為研究對(duì)象，結(jié)合典型模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)作特性，對(duì)?FML?功能、模塊、系統(tǒng)流程等進(jìn)行分析設(shè)計(jì)；以數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)?FML?進(jìn)行機(jī)械三維建模和多維建模，利用虛擬調(diào)試等技術(shù)，對(duì)FML進(jìn)行可視化的虛擬調(diào)試系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，對(duì)信號(hào)接口和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模等系統(tǒng)核心問(wèn)題進(jìn)行分析研究，完成結(jié)構(gòu)、功能、行為過(guò)程、運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)模擬；有效結(jié)合虛擬調(diào)試與機(jī)電概念設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬生產(chǎn)線的動(dòng)作過(guò)程，進(jìn)行程序調(diào)試、數(shù)據(jù)監(jiān)控等[1]。

1.2?實(shí)現(xiàn)信息共享化，在環(huán)虛擬調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)開始采用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，以實(shí)現(xiàn)更好的業(yè)務(wù)決策和優(yōu)化資源配置。因此，數(shù)字孿生仿真的出現(xiàn)和發(fā)展也就順理成章。數(shù)字孿生仿真實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬的世界，在這個(gè)世界中可以模擬出各種不同的場(chǎng)景和環(huán)境，并通過(guò)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和處理來(lái)獲取所需的信息。這種仿真技術(shù)不僅可以用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)，還可以用于培訓(xùn)和教育領(lǐng)域，為學(xué)生提供更真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。同時(shí)，數(shù)字孿生仿真的應(yīng)用范圍還包括工程設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、醫(yī)學(xué)研究等方面。環(huán)虛擬調(diào)試技術(shù)分為兩大部分，“虛—實(shí)”硬件在環(huán)虛擬調(diào)試和“虛—虛”軟件在環(huán)境虛擬調(diào)試。其中，硬件在環(huán)虛擬調(diào)試是用真實(shí)的PLC?設(shè)備來(lái)控制虛擬的機(jī)電設(shè)備，在“虛—實(shí)”結(jié)合的閉環(huán)反饋回路中進(jìn)行程序編輯與驗(yàn)證調(diào)試；而軟件在環(huán)虛擬調(diào)試是用虛擬?的PLC?來(lái)控制虛擬的機(jī)電設(shè)備，在“虛—虛”結(jié)合的閉環(huán)反饋回路中進(jìn)行程序編輯與驗(yàn)證調(diào)試。通過(guò)對(duì)比分析，研究了“硬件在環(huán)”和“軟件在環(huán)”虛擬調(diào)試在數(shù)字孿生FML平臺(tái)中的搭建方法[2]。

2?數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)分析

2.1?需求分析

在數(shù)字孿生仿真的過(guò)程中，需要對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面測(cè)試和驗(yàn)證。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)可以模擬真實(shí)系統(tǒng)中的各種情況，包括硬件設(shè)備故障、軟件錯(cuò)誤等多種場(chǎng)景。通過(guò)這種方式，可以有效地發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際問(wèn)題，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。在需求分析階段，首先考慮實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和教學(xué)實(shí)操要求，廣泛調(diào)研機(jī)電設(shè)備運(yùn)行功能、硬件模塊組成及生產(chǎn)線流程，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)作特性進(jìn)行需求分析。同時(shí)，考慮到其他可能出現(xiàn)的問(wèn)題，如網(wǎng)絡(luò)連接中斷、數(shù)據(jù)傳輸延遲等，以便更好地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)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(shù)方案采用開源軟件，并且采用云端存儲(chǔ)的方式減少服務(wù)器的維護(hù)費(fèi)用。此外，安全問(wèn)題要注意防范，確保平臺(tái)數(shù)據(jù)不被泄露或篡改。

2.2?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1總體框架

設(shè)計(jì)選取目前FML?實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)具有典型代表意義的模塊和各個(gè)組成環(huán)節(jié)，體現(xiàn)如供料、搬運(yùn)、分揀等柔性生產(chǎn)流程。虛擬調(diào)試平臺(tái)中各模塊的電氣和機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)要最大程度上貼合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備條件，如符合實(shí)際設(shè)備的單元結(jié)構(gòu)、組成部件等要求?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)旨在通過(guò)模擬真實(shí)設(shè)備的狀態(tài)和行為來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的功能測(cè)試和故障診斷。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要對(duì)其進(jìn)行整體設(shè)計(jì)規(guī)劃[3]。

首先，將數(shù)字孿生仿真的功能分為三個(gè)主要模塊：硬件仿真模塊、軟件仿真模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊。其中，硬件仿真模塊主要用于模擬設(shè)備的物理狀態(tài)和行為；軟件仿真模塊則負(fù)責(zé)模擬設(shè)備的操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序的行為；而數(shù)據(jù)采集模塊則是用于收集設(shè)備的各種數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。這些模塊之間相互協(xié)作，共同完成整個(gè)系統(tǒng)的工作。其次，針對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)劃。例如：對(duì)于硬件仿真模塊，采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和三維建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備內(nèi)部各個(gè)部件的位置和運(yùn)動(dòng)情況的實(shí)時(shí)跟蹤和再現(xiàn)。同時(shí)，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(tǒng)進(jìn)行集成和交互[4]。最后，在平臺(tái)上加入了一些實(shí)用的功能，如虛擬環(huán)境設(shè)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(tái)，提高其使用效率。

2.2.2?硬件設(shè)計(jì)

該平臺(tái)旨在通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確模擬和測(cè)試。為實(shí)現(xiàn)到這一目標(biāo)，需要對(duì)其硬件部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。首先，采用了先進(jìn)的嵌入式處理器作為核心部件，以保證系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，為系統(tǒng)配備了高速存儲(chǔ)器和高帶寬通信接口，以便于快速的數(shù)據(jù)傳輸和處理。此外，在系統(tǒng)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(lǐng)域的需求。其次，針對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了嚴(yán)格的故障診斷和預(yù)防措施。例如：在系統(tǒng)中設(shè)置了多個(gè)備份電源和備用器件，以確保即使發(fā)生故障也能夠及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行；同時(shí)還采用冗余控制策略，減少單點(diǎn)故障的影響范圍。最后，為系統(tǒng)提供了豐富的編程接口和開發(fā)工具支持，方便用戶進(jìn)行定制化操作和應(yīng)用擴(kuò)展。這些功能不僅提高了系統(tǒng)的使用效率，也增強(qiáng)了其可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。因此，數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有高效率、穩(wěn)定可靠、靈活易用等多種優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛地用于各種領(lǐng)域中的仿真和調(diào)試任務(wù)。

2.2.3?軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生仿真是指通過(guò)虛擬仿真實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的物理系統(tǒng)來(lái)測(cè)試和驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和性能。這種技術(shù)的應(yīng)用可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性[5]。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生仿真，需要構(gòu)建一套完整的軟件體系架構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集模塊、模擬建模模塊、仿真運(yùn)行模塊以及結(jié)果分析模塊等方面。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；模擬建模模塊則用于建立物理模型，并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的形式；仿真運(yùn)行模塊則是用來(lái)控制仿真過(guò)程，同時(shí)記錄仿真過(guò)程中的數(shù)據(jù)；結(jié)果分析模塊是用來(lái)處理和展示仿真結(jié)果的。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)還需要與其他相關(guān)工具配合使用，如CAD/CAE、PLM等。在整個(gè)項(xiàng)目生命周期內(nèi)，這些工具能夠更好地管理工程文件、協(xié)同工作、優(yōu)化流程等。因此，數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)必須考慮其他工具的支持和集成性。數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要綜合考慮多個(gè)方面的因素才能夠得到完美的解決方案[6]。在這個(gè)過(guò)程中，目標(biāo)就是打造一款高效、可靠、易于使用的數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以滿足客戶需求和市場(chǎng)需求。

2.3?功能模塊設(shè)計(jì)

該模型通過(guò)將虛擬仿真的數(shù)據(jù)和實(shí)際設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。同時(shí)，該模型還可以用于模擬各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，為學(xué)生提供更加真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本研究采用了多種功能模塊的設(shè)計(jì)方案。其中，最核心的是數(shù)字孿生仿真模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)虛擬仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并將其與實(shí)際設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。此外，該模塊還包括了數(shù)據(jù)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(xué)內(nèi)容。另外，本研究還針對(duì)不同領(lǐng)域的教學(xué)需求進(jìn)行了相應(yīng)的功能模塊設(shè)計(jì)。例如：對(duì)于電子工程類課程，加入了數(shù)字電路仿真模塊；對(duì)于機(jī)械工程類課程，增加了機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真模塊等。這些功能模塊可以滿足不同的教學(xué)需要，提高教學(xué)效果和效率?？傊瑪?shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是一種全新的教學(xué)方式，具有很高的實(shí)用性和創(chuàng)新性。

3?數(shù)字孿生仿真與調(diào)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1?平臺(tái)測(cè)試

首先，針對(duì)該平臺(tái)的功能進(jìn)行全面的性能測(cè)試，包括硬件設(shè)備的兼容性、軟件程序的穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)連接的質(zhì)量等方面。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該平臺(tái)的用戶界面進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，以提高其易用性和操作效率。同時(shí)，為了更好地模擬真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，增加了一些特殊場(chǎng)景的設(shè)置，如惡劣天氣條件、突發(fā)事件等。其次，將該平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，并與其他相關(guān)工具進(jìn)行集成，以便更準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的功能和效果。在這個(gè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該平臺(tái)具有很高的可擴(kuò)展性和靈活性，可以很好地處理各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)和模型，并且支持多種編程語(yǔ)言和開發(fā)框架，為工程師提供了更便捷和高效的工作方式。最后，對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行了安全性方面的測(cè)試，以保證用戶的數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了該平臺(tái)的管理和維護(hù)機(jī)制，使其具備更好的長(zhǎng)期使用價(jià)值和社會(huì)影響力。

3.2?平臺(tái)應(yīng)用

通過(guò)將虛擬系統(tǒng)和實(shí)物系統(tǒng)之間的接口建立起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，從而使虛擬系統(tǒng)和實(shí)物系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了同步操作。同時(shí)，由于虛擬系統(tǒng)可以在不影響硬件的情況下進(jìn)行修改和優(yōu)化，因此可以大大縮短開發(fā)周期并提高軟件質(zhì)量。數(shù)字孿生仿真主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，如汽車、手機(jī)、電視機(jī)等。數(shù)字孿生仿真是一種非常有效的工具，它不僅可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品的開發(fā)流程，而且可以顯著提升產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。在未來(lái)的發(fā)展中，數(shù)字孿生仿真將會(huì)越來(lái)越多地被應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)工作中。

4?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為進(jìn)一步培養(yǎng)智能制造技術(shù)技能人才，服務(wù)區(qū)域產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，本文研究的數(shù)字孿生仿真技術(shù)的發(fā)展方向，一是支持3D打印等前沿?cái)?shù)字化制造技術(shù)的研究與開發(fā)；二是大力推進(jìn)傳統(tǒng)裝備產(chǎn)業(yè)的改造升級(jí)，同時(shí)培育新興裝備產(chǎn)業(yè)、發(fā)展智能制造，并加快裝備制造業(yè)在研發(fā)與制造模式上的創(chuàng)新步伐。通過(guò)這兩個(gè)方向的協(xié)同作用共同促進(jìn)數(shù)字孿生仿真技術(shù)的發(fā)展和推廣。

參考文獻(xiàn)：

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