基于數(shù)字孿生的卷煙廠設(shè)備監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

熊俊臻 孫俊峰 黃滔 王紅梅 李昌隆 陳翔

摘要：基于數(shù)字孿生技術(shù)將卷煙廠的空壓設(shè)備在云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的模型仿真，并通過對(duì)空壓設(shè)備在運(yùn)行保障復(fù)雜情況下的設(shè)備管理和故障維修的研究，提出了利用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基于數(shù)字孿生技術(shù)的空壓設(shè)備智能運(yùn)維平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)，以解決廠區(qū)設(shè)備功能單一、交互不足等問題。系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)空壓設(shè)備結(jié)構(gòu)、內(nèi)部元器件的模型仿真和基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的操作，AR設(shè)備實(shí)現(xiàn)了輔助設(shè)備維修和輔助故障預(yù)判處理的目標(biāo)，5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸在智能移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程指導(dǎo)的輔助功能，最終實(shí)現(xiàn)了空壓設(shè)備的三維運(yùn)維和可視化管理的平臺(tái)目標(biāo)，使得員工培訓(xùn)、故障預(yù)判及設(shè)備維護(hù)等方面變得更加便利，降低了員工培訓(xùn)和設(shè)備維護(hù)的成本。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；卷煙廠；可視化管理

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）18-61-4

0引言

數(shù)字孿生于2003年由Grieves教授提出[1]，是指在信息空間內(nèi)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行完全的虛擬映射，使用者可以在信息空間內(nèi)預(yù)運(yùn)行物理實(shí)體，通過運(yùn)行傳感器等數(shù)據(jù)源的反饋數(shù)據(jù)評(píng)估實(shí)體的各方面來優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及通過異常數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)故障精確快速的診斷和預(yù)測(cè)[2-4]。在將設(shè)備進(jìn)行虛擬映射之后，通過AR技術(shù)[5]將虛擬場(chǎng)景或物體在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行疊加，將系統(tǒng)中的具體功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)[5-7]。AR技術(shù)在電力巡檢[8-9]和融媒體展示[10]的應(yīng)用，促進(jìn)了AR技術(shù)為數(shù)字孿生提供輔助的發(fā)展。

以卷煙廠空壓系統(tǒng)設(shè)備為研究對(duì)象進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，目的是為了滿足設(shè)備的運(yùn)行管理和維護(hù)等需求。通過引入數(shù)字孿生技術(shù)，將空壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)和備件信息，以及將虛擬維修[11]、輔助故障診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、移動(dòng)協(xié)同等功能數(shù)字化后，用AR技術(shù)輔助實(shí)現(xiàn)。最后利用高速率、廣連接、低延時(shí)[12]的5G專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸?shù)皆O(shè)備端。

1系統(tǒng)概述

基于數(shù)字孿生的空壓設(shè)備仿真系統(tǒng)，主要目的是為了實(shí)現(xiàn)空壓設(shè)備的數(shù)字化，為員工提供一個(gè)可以進(jìn)行模擬訓(xùn)練、故障維修的平臺(tái)，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。系統(tǒng)按照功能主要分為仿真系統(tǒng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)和運(yùn)行端3個(gè)部分，其中平臺(tái)部分負(fù)責(zé)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)負(fù)責(zé)部分歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)等的保存；運(yùn)行端部分則是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)行狀態(tài)查看等功能，主要包括可以訪問平臺(tái)的各種設(shè)備，如AR眼鏡或移動(dòng)手機(jī)端等。

通過在仿真系統(tǒng)中建立空壓設(shè)備的模型，員工可以使用AR眼鏡進(jìn)行設(shè)備的拆卸和組裝等操作進(jìn)行設(shè)備的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)操作工的操作熟練度。通過AR設(shè)備對(duì)空壓系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取，實(shí)現(xiàn)AR設(shè)備對(duì)空壓設(shè)備的操作，并在設(shè)備運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)收集空壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障的出現(xiàn)。通過本系統(tǒng)迅速準(zhǔn)確的定位故障點(diǎn)，借助AR眼鏡指導(dǎo)工作人員維修。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照系統(tǒng)中包含的功能，將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖1所示的5個(gè)部分，分別為監(jiān)控平臺(tái)、故障輔助維護(hù)、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、輔助培訓(xùn)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

監(jiān)控平臺(tái)可細(xì)分為控制中心和虛擬系統(tǒng)2個(gè)部分，是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)。虛擬系統(tǒng)通過空壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行仿真建模，為其他部分提供設(shè)備的結(jié)構(gòu)信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。虛擬系統(tǒng)中使用了60萬的模型面數(shù)以提高模型的擬真度，并且可以檢測(cè)連接的設(shè)備的硬件信息，對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)調(diào)檔，以實(shí)現(xiàn)模型匹配此硬件的最佳表現(xiàn)，如設(shè)備硬件可以支持幀數(shù)60+FPS的顯示時(shí)，則可以展示模型的最優(yōu)觀看效果。在系統(tǒng)與設(shè)備的通信方面使用了穩(wěn)定、安全且高效的OPC技術(shù)對(duì)空壓設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，提高了整個(gè)系統(tǒng)的互操作性和對(duì)設(shè)備的適應(yīng)性。然后通過傳輸性能高的且數(shù)據(jù)安全性強(qiáng)的Socket技術(shù)將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，以確保企業(yè)的數(shù)據(jù)安全。控制中心的主要功能是觀察虛擬系統(tǒng)收集到設(shè)備傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，然后對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控，以及在設(shè)備維護(hù)或故障維修時(shí)下發(fā)操作指令到AR設(shè)備，輔助工作人員進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)和修理。

故障輔助維護(hù)主要通過工作人員在現(xiàn)場(chǎng)使用AR眼鏡進(jìn)行設(shè)備的掃描，將掃描到的設(shè)備元器件的圖片進(jìn)行上傳。在系統(tǒng)中對(duì)圖像進(jìn)行分析，定位元器件并輔助工作人員判定其是否正常運(yùn)行。如判定設(shè)備出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)工作人員無法排除故障，則可以在5G網(wǎng)絡(luò)的輔助下，邀請(qǐng)專家通過現(xiàn)場(chǎng)傳回的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程輔助維修。與此同時(shí)，監(jiān)控平臺(tái)可以及時(shí)對(duì)設(shè)備維護(hù)信息、故障原因、專家診斷結(jié)果、故障處理結(jié)果等一系列信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。與傳統(tǒng)的故障處理或設(shè)備維護(hù)流程相比，本系統(tǒng)的使用不僅縮短了故障處理時(shí)間，還通過詳細(xì)記錄故障信息數(shù)據(jù)，簡化了處理流程。

設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控分為2個(gè)部分，一是工作人員可以通過AR眼鏡或者手機(jī)等顯示設(shè)備隨時(shí)可以對(duì)設(shè)備中各個(gè)元器件的運(yùn)行參數(shù)等信息進(jìn)行查看；二是監(jiān)控平臺(tái)可以根據(jù)對(duì)設(shè)備中各元器件數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障，若出現(xiàn)故障則會(huì)通過監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行故障提示信息的下發(fā)，及時(shí)提醒相關(guān)的工作人員進(jìn)行設(shè)備故障的處理。系統(tǒng)推出多個(gè)版本以便于工作人員查看設(shè)備運(yùn)行情況和設(shè)備信息，分為PC端、安卓端和iOS端3個(gè)顯示部分。其中安卓端和iOS端進(jìn)行了多機(jī)型的適配，工作人員可以通過手機(jī)等便攜設(shè)備使用移動(dòng)端App查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

輔助培訓(xùn)則是平臺(tái)的另一輔助功能，由于空壓設(shè)備需要保持持續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)，且設(shè)備價(jià)格高昂，不便于將設(shè)備拆卸后對(duì)員工進(jìn)行實(shí)體培訓(xùn)，所以只能通過外部結(jié)構(gòu)和查看設(shè)備圖紙對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的1：1仿真模擬后，可以通過AR等顯示端設(shè)備在虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備元器件、設(shè)備各鏈路等信息進(jìn)行查看，并且可以在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)備的拆卸和安裝等操作，以及模擬故障出現(xiàn)時(shí)的設(shè)備的運(yùn)行情況。憑借高擬真的設(shè)備模型，給員工帶來更真實(shí)的操作體驗(yàn)。