基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字化工廠(chǎng)仿真與優(yōu)化研究

李世強(qiáng) 劉皓若 詹鑫毅

摘 要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得越來(lái)越多的企業(yè)進(jìn)入信息化生產(chǎn)管理時(shí)代。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字化工廠(chǎng)作為企業(yè)信息化建設(shè)的重要組成部分，已被越來(lái)越多的企業(yè)所接納，并在其中發(fā)揮了重要的經(jīng)濟(jì)效益。本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)數(shù)字化工廠(chǎng)進(jìn)行了的布局仿真、工藝規(guī)劃、物流仿真3個(gè)模塊進(jìn)行了分析，并構(gòu)建了仿真模型，并提出了優(yōu)化方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，對(duì)生產(chǎn)車(chē)間各設(shè)備利用率和成品數(shù)量進(jìn)行了對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案提高了車(chē)間的實(shí)際生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，節(jié)約了投資的成本，由此證明該優(yōu)化方案的有效性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);數(shù)字化工廠(chǎng);車(chē)間布局仿真;物流仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2021）07-0088-05

Research on Simulation and Optimization of Digital Chemical Plant Based on Virtual Reality Technology

Li Shiqiang， Liu Haoruo， Zhan Xinyi

（Industrial Internet Innovation Center （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201306， China）

Abstract：With the rapid development of computer technology， more and more enterprises have entered the era of information production and management. As an important part of enterprise information construction， virtual reality technology and digital factory have been accepted by more and more enterprises， and have played an important role in economic benefits. Based on virtual reality technology， this paper analyzes the layout simulation， process planning and logistics simulation of digital chemical plant， and constructs the simulation model， and proposes an optimization plan. Through experimental simulation， a coMParative analysis was carried out on the utilization rate of each equipment in the production workshop and the quantity of finished products. The simulation results show that the optimized scheme improves the production capacity and efficiency of the workshop and saves the cost of investment， which proves the effectiveness of the optimization scheme.

Key words：virtual reality technology; digital chemical plant; workshop layout simulation; logistics simulation

20世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的日益發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字化工廠(chǎng)技術(shù)在制作業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。作為現(xiàn)代企業(yè)信息化建設(shè)的重要組成部分，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字化工廠(chǎng)技術(shù)為企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。雖然我國(guó)的虛擬技術(shù)和數(shù)字化工廠(chǎng)技術(shù)起步較晚，但步伐迅速，諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。2018年，王圣潔結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與博物館展示，構(gòu)建了更好的博物館參觀(guān)體驗(yàn)[1]。2019年，薛磊、隋文結(jié)合數(shù)字化工廠(chǎng)，對(duì)裂解爐進(jìn)行了設(shè)計(jì)模型化，提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率[2]。本文在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)數(shù)字化工廠(chǎng)進(jìn)行了仿真與優(yōu)化，重點(diǎn)對(duì)數(shù)字化工廠(chǎng)進(jìn)行了的布局仿真、工藝規(guī)劃、物流仿真3個(gè)模塊進(jìn)行了分析。

1 相關(guān)技術(shù)理論

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是一種結(jié)合人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)與計(jì)算軟硬件技術(shù)的全新技術(shù)，具有人類(lèi)所擁有的一切感知功能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性等特征，根據(jù)技術(shù)分類(lèi)可分為沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、桌面式虛擬技術(shù)、增強(qiáng)顯示技術(shù)、分布式網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)4種類(lèi)型。

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要通過(guò)多媒體、仿真等技術(shù)模擬顯示環(huán)境，并通過(guò)VR眼鏡實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。桌面式虛擬技術(shù)強(qiáng)調(diào)操作系統(tǒng)桌面化，主要實(shí)現(xiàn)方式是投影、投屏等方法結(jié)合不同位置的圖像，建立起圖像之間的聯(lián)系，是用戶(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬物體的打開(kāi)、關(guān)閉等操作。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行操作，通過(guò)虛擬模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物物品的解析，是一種虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的一種模式。分布式網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讓不同參與者加入進(jìn)來(lái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程模擬的操作。用戶(hù)只需要通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的物體進(jìn)行拖拽、移動(dòng)等操作。

1.2 數(shù)字化工廠(chǎng)

數(shù)字化工廠(chǎng)即根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用虛擬顯示技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬工廠(chǎng)環(huán)境，在這個(gè)虛擬環(huán)境中，需要完成整個(gè)產(chǎn)品包括設(shè)計(jì)、制造等生產(chǎn)過(guò)程的模擬、優(yōu)化和重組，以預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品的可制造性和潛在問(wèn)題。數(shù)字化工廠(chǎng)不僅解決了企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)問(wèn)題，同時(shí)還加強(qiáng)了企業(yè)和外部實(shí)物的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)的有效管理。

數(shù)字化工廠(chǎng)的規(guī)劃流程因產(chǎn)品類(lèi)型不同而劃分的層次不同。一般而言，在進(jìn)行數(shù)字化工廠(chǎng)仿真過(guò)程中，數(shù)字化工廠(chǎng)可分為工廠(chǎng)車(chē)間層、生產(chǎn)線(xiàn)層、加工單元層、加工操作層四個(gè)層次。其中，工廠(chǎng)車(chē)間層是對(duì)車(chē)間機(jī)器和其他設(shè)備進(jìn)行布局仿真;生產(chǎn)線(xiàn)層主要是用于判斷生產(chǎn)能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求等;加工單元層的主要功能是檢查各設(shè)備之間是否存在沖突和干擾;加工操作層主要是對(duì)工步可行性分析。

數(shù)字化工廠(chǎng)系統(tǒng)功能模塊包括工廠(chǎng)布局、工藝規(guī)劃、仿真優(yōu)化，如圖1所示。

工廠(chǎng)布局包括廠(chǎng)房布局設(shè)計(jì)、設(shè)備布局、工裝夾具布局。合理的工廠(chǎng)布局可以提高設(shè)備的使用效率，降低物料運(yùn)輸費(fèi)用。工藝規(guī)劃即對(duì)產(chǎn)品加工工藝和裝配工藝進(jìn)行規(guī)劃。仿真優(yōu)化是對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行物流仿真，并對(duì)工藝規(guī)劃方案進(jìn)行驗(yàn)證。

2 仿真建模

2.1 數(shù)字化工廠(chǎng)布局仿真

數(shù)字化工廠(chǎng)布局仿真可以真實(shí)再現(xiàn)企業(yè)的整體規(guī)劃布局，能清晰地反映生產(chǎn)現(xiàn)狀。本文主要對(duì)數(shù)字化工廠(chǎng)平臺(tái)的二維工藝布局、三維建模和模型處理、三維布局落位、三維評(píng)審進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)步驟和流程如圖2所示。

二維工藝布局是三維布局仿真的基礎(chǔ)，通過(guò)三維布局可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維工藝布局的布局仿真。二維工藝布局首先需要確定該區(qū)域的工藝流程，然后對(duì)車(chē)間進(jìn)行調(diào)研，并根據(jù)工廠(chǎng)制定的預(yù)計(jì)產(chǎn)能計(jì)算出設(shè)備和工裝數(shù)量，最后確定采購(gòu)計(jì)劃。三維建模和模型處理即應(yīng)用建模工具對(duì)二維布局的工裝、設(shè)備等進(jìn)行實(shí)體建模。三維布局落位即按照二維布局的將各個(gè)元素模型進(jìn)行精確定位并擺放。三維評(píng)審即相關(guān)工作人員對(duì)模型的規(guī)劃效果進(jìn)行分析和修改，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方案。

通過(guò)對(duì)數(shù)字化工廠(chǎng)的布局進(jìn)行仿真，提高了布局的直觀(guān)性、經(jīng)濟(jì)型和效率性，為采礦機(jī)生產(chǎn)車(chē)間物流仿真建模奠定了基礎(chǔ)。

2.2 生產(chǎn)車(chē)間物流仿真建模

生產(chǎn)車(chē)間是大件生產(chǎn)車(chē)間，包括電控箱體、搖臂殼體、機(jī)械加工等。由于其關(guān)鍵零件流程復(fù)雜，需要建立車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)仿真模型，具體實(shí)施如圖3所示。

車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)模型的構(gòu)建，首先需要建立ProE三維模型，然后在QUEST中對(duì)需要進(jìn)行修改的文件進(jìn)行修改并保存，得到生產(chǎn)車(chē)間物流仿真的靜態(tài)模型，如圖4所示。

2.3 仿真參數(shù)輸入

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各工序、各設(shè)備所需的加工時(shí)間和節(jié)拍構(gòu)成了此次仿真的參數(shù)。其中，生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的節(jié)拍和輸送設(shè)備參數(shù)如表1所示，物流設(shè)備的主要參數(shù)如表2所示。

在仿真模型中，只需將表1、表2的數(shù)據(jù)輸入Cycle Process Definition即可。

3 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

3.1 仿真結(jié)果分析

針對(duì)生產(chǎn)車(chē)間物流仿真結(jié)果，本文從AGV數(shù)量、設(shè)備產(chǎn)能、瓶頸3個(gè)方面進(jìn)行分析，得到如下分析結(jié)果。

首先，當(dāng)AGV數(shù)量為1時(shí)，AGV小車(chē)的利用率僅有75%，因此存在某些工位已加工的零件不能及時(shí)送往下一個(gè)工序，進(jìn)而降低了車(chē)間的生產(chǎn)效率。當(dāng)AGV數(shù)量為2時(shí)，車(chē)間的成品數(shù)量不會(huì)再發(fā)生改變，說(shuō)明該數(shù)量能滿(mǎn)足車(chē)間的生產(chǎn)需要。因此，可以得出當(dāng)前生產(chǎn)車(chē)間使用2輛AGV小車(chē)最為合適。AGV數(shù)量變化與產(chǎn)品成品總數(shù)的變化如圖5所示。

其次，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，可得到如圖6所示的各產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)各道工序的生產(chǎn)能力統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知，第七道工序到第九道工序間，牽引殼體、搖臂殼體等產(chǎn)品數(shù)量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明這幾處的設(shè)備產(chǎn)能跟不上生產(chǎn)的整體節(jié)拍。

最后，本文從設(shè)備利用率、關(guān)鍵工序在制品兩個(gè)方面對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的瓶頸進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)得到如圖6所示的設(shè)備負(fù)荷情況。由圖6可知，設(shè)備利用率最高的是電控箱第一次組，行走精鏜組、劃線(xiàn)平臺(tái)等，其利用率均在95%以上。由圖7可知，劃線(xiàn)臺(tái)、噴丸線(xiàn)兩處在進(jìn)行仿真運(yùn)行后，在制品數(shù)量持續(xù)增大，則說(shuō)明確劃線(xiàn)和噴丸工位是該車(chē)間的生產(chǎn)瓶頸。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從車(chē)間布局可以看出噴丸生產(chǎn)線(xiàn)上存在一個(gè)空閑區(qū)域，若在該區(qū)域安排其他生產(chǎn)工位可提高采礦機(jī)生產(chǎn)車(chē)間的整體效率。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，再建一條噴丸和噴底漆的生產(chǎn)線(xiàn)，可使整個(gè)車(chē)間利用率最大化。當(dāng)兩條生產(chǎn)線(xiàn)同時(shí)工作，可以保證該處不會(huì)出現(xiàn)堆積等待的現(xiàn)象。優(yōu)化前后的各設(shè)備利用率變化、關(guān)鍵設(shè)備在制品量如表3～4所示。

由上述結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整后，劃線(xiàn)臺(tái)和噴丸這兩處的生產(chǎn)線(xiàn)基本上沒(méi)有出現(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)在制品堵塞的情況，說(shuō)明該兩處的設(shè)備負(fù)荷得到了較大的緩解，車(chē)間設(shè)備的利用率得到了有效地提升，避免了資源的閑置和浪費(fèi);4種產(chǎn)品的成品數(shù)量相較于優(yōu)化調(diào)整前的成品數(shù)量都有所提高，能滿(mǎn)足產(chǎn)能的要求，且成品數(shù)量隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)出有規(guī)律的增長(zhǎng)，證明了該優(yōu)化方案的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化工廠(chǎng)是現(xiàn)代企業(yè)進(jìn)行信息化建設(shè)的重要組成部分，車(chē)間的仿真布局和物流仿真是實(shí)施數(shù)字化工廠(chǎng)的必要環(huán)節(jié)。本文應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)數(shù)字化工廠(chǎng)進(jìn)行了的布局仿真、工藝規(guī)劃、物流仿真3個(gè)模塊進(jìn)行了分析，并構(gòu)建了仿真模型。同時(shí)，針對(duì)仿真模型中存在的問(wèn)題提出了優(yōu)化方案。最后，對(duì)優(yōu)化前后各設(shè)備利用率和成品數(shù)量進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案提高了車(chē)間的整體生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，節(jié)約了投資的成本，由此證明該優(yōu)化方案的有效性。

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