中空錨桿生產(chǎn)車間三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李頌華，周獻(xiàn)朋，肖 飛，候愛山，王 輝

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.廊坊凱博建設(shè)機(jī)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(guó)新基建的熱潮，我國(guó)鐵路里程越來越長(zhǎng)，建設(shè)鐵路所需的錨桿數(shù)量急劇提升。錨桿現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)運(yùn)而生。錨桿成品集中加工配送是指通過采用先進(jìn)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(shí)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(jìn)行包裝或組配并運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器的車間三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也紛紛投入研究和實(shí)踐，獲得了不少研究成果。雖然國(guó)內(nèi)外企業(yè)工程師們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)車間設(shè)備實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得了明顯的進(jìn)展，但是目前三維可視化監(jiān)控在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)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(shí)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(shí)動(dòng)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(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

數(shù)字孿生車間是物理車間、虛擬車間、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)連接5 個(gè)方面的集成融合，通過模型間的數(shù)據(jù)互通可實(shí)現(xiàn)物理車間和虛擬車間實(shí)時(shí)交互和真實(shí)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(shí)現(xiàn)車間監(jiān)控的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)多種功能：①真實(shí)展示車間基礎(chǔ)設(shè)備的工作狀態(tài)，并利用圖形真實(shí)顯示裝置功率、加工任務(wù)等信息；②真實(shí)記載車間機(jī)械設(shè)備的運(yùn)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(yīng)對(duì)策加以處理；③實(shí)現(xiàn)車間的動(dòng)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(duì)生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)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(jì)

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(chǎng)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(huì)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(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和告警信息，可以展示加工任務(wù)的進(jìn)度，以便更好地了解設(shè)備的運(yùn)行情況。

1.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)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(yùn)行數(shù)據(jù)，并將其可視化展示在監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)上，以便管理人員可以及時(shí)了解車間的運(yùn)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(jìn)行比對(duì)，從而確定故障原因，并將其定位到相應(yīng)的設(shè)備上。一旦出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)發(fā)送高亮的警告，以便管理人員及時(shí)采取措施解決問題。

1.3 系統(tǒng)體系架構(gòu)及實(shí)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(yīng)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(gè)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(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過程中的信息數(shù)據(jù)，并接收應(yīng)用層的信息進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的動(dòng)態(tài)調(diào)度。

2）中間層 中間層是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)將設(shè)備層與應(yīng)用層連接起來，實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、處理和傳輸，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)備層與應(yīng)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(yīng)用層 應(yīng)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(yīng)用層，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控與管理。

1.3.2 實(shí)現(xiàn)方式

通過Unity 3D 虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)軟件的優(yōu)勢(shì)，降低研發(fā)難度，縮減研發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)控制系統(tǒng)的高效運(yùn)行。以某車間的中空錨桿生產(chǎn)線為研究對(duì)象，通過CAXA 和Solidworks 三維實(shí)體建模、Pixyz Studio 模型渲染、Unity 3D 虛擬場(chǎng)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(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)某車間中空錨桿生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 構(gòu)建模型

建立三維模型是虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的第一步，也是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)感知的基石，可以讓使用者獲得沉浸式的虛擬監(jiān)控體驗(yàn)，進(jìn)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(shí)地測(cè)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(shí)設(shè)備1：1 的中空錨桿生產(chǎn)線的三維實(shí)體模型。在構(gòu)建模型時(shí)，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(duì)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(shí)體模型，其優(yōu)點(diǎn)包括：①可以有效修復(fù)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(chǎng)景中不可見的部件、面片；③采用頂點(diǎn)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(fù)載；④利用投影算法生成UV 數(shù)據(jù)，使模型具有真實(shí)材質(zhì)紋理的視覺效果。

圖3 模型重構(gòu)與渲染

4）場(chǎng)景搭建 將Pixyz Studio 渲染出來的建模以.FBX 格式輸入U(xiǎn)nity3D 中，并且根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景調(diào)整各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的參數(shù)值，并添加燈光效果，使構(gòu)建更接近真實(shí)環(huán)境，從而達(dá)到最佳的渲染效果。

3 數(shù)據(jù)采集、傳輸與儲(chǔ)存

中空錨桿生產(chǎn)線的三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)是由真實(shí)設(shè)備生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此需要將設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)作的狀態(tài)信息進(jìn)行采集、傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)。采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC 中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的實(shí)時(shí)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(kù)，以便進(jìn)行更加有效的存儲(chǔ)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(hào)較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但不能實(shí)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(tái)。利用Modbus 技術(shù)，邊緣智能網(wǎng)關(guān)可以實(shí)時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(wù)器的信息或請(qǐng)求，并將其轉(zhuǎn)換為可用于IoT 的格式，從而完成與MQTT 服務(wù)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(chǔ)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(shí)時(shí)可靠傳輸協(xié)議。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）是一種構(gòu)建于 TCP／IP 協(xié)議上的“輕量級(jí)”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(kù)儲(chǔ)存。

4 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型

實(shí)現(xiàn)虛擬化監(jiān)控管理系統(tǒng)的關(guān)鍵在于采用真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)作，這一過程可以分成4 個(gè)步驟：構(gòu)建合理的設(shè)備層級(jí)關(guān)聯(lián)，從MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)獲得真實(shí)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(chǎng)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(jí)關(guān)系。其中所有節(jié)點(diǎn)都是父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。

2）獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 通過MQTT 協(xié)議，可以實(shí)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(kù)與Unity 3D 進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，從而獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。利用Unity 中的各種API 接口函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)更新。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求和服務(wù)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(kù)中收集了車間所有設(shè)備的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的過程中使用了DoTween 插件。DoTween 是一款強(qiáng)大的基于對(duì)象補(bǔ)間動(dòng)畫引擎，能夠創(chuàng)建各種形式的動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)畫。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)國(guó)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(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，并對(duì)可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了深入研究，同時(shí)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(shí)現(xiàn)車間設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；此外，本文還探討了可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的建模和運(yùn)行流程，以期達(dá)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(shí)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(duì)車間設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，僅僅是確認(rèn)系統(tǒng)的可行性，后續(xù)還將進(jìn)一步探索場(chǎng)景性能的改善、人機(jī)交互的提升以及遠(yuǎn)程下單的完全實(shí)現(xiàn)。