基于數字孿生的卷煙廠設備監測平臺設計

熊俊臻 孫俊峰 黃滔 王紅梅 李昌隆 陳翔

摘要：基于數字孿生技術將卷煙廠的空壓設備在云平臺實現了設備的模型仿真，并通過對空壓設備在運行保障復雜情況下的設備管理和故障維修的研究，提出了利用AR技術實現的基于數字孿生技術的空壓設備智能運維平臺的功能設計，以解決廠區設備功能單一、交互不足等問題。系統中實現了對空壓設備結構、內部元器件的模型仿真和基于增強現實（AR）的操作，AR設備實現了輔助設備維修和輔助故障預判處理的目標，5G網絡的數據傳輸在智能移動端實現了遠程診斷和遠程指導的輔助功能，最終實現了空壓設備的三維運維和可視化管理的平臺目標，使得員工培訓、故障預判及設備維護等方面變得更加便利，降低了員工培訓和設備維護的成本。

關鍵詞：數字孿生；增強現實；卷煙廠；可視化管理

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）18-61-4

0引言

數字孿生于2003年由Grieves教授提出[1]，是指在信息空間內對一個系統進行完全的虛擬映射，使用者可以在信息空間內預運行物理實體，通過運行傳感器等數據源的反饋數據評估實體的各方面來優化系統設計，以及通過異常數據實現故障精確快速的診斷和預測[2-4]。在將設備進行虛擬映射之后，通過AR技術[5]將虛擬場景或物體在現實中進行疊加，將系統中的具體功能進行了實現[5-7]。AR技術在電力巡檢[8-9]和融媒體展示[10]的應用，促進了AR技術為數字孿生提供輔助的發展。

以卷煙廠空壓系統設備為研究對象進行了系統設計，目的是為了滿足設備的運行管理和維護等需求。通過引入數字孿生技術，將空壓設備的結構和備件信息，以及將虛擬維修[11]、輔助故障診斷、遠程監控、遠程診斷、移動協同等功能數字化后，用AR技術輔助實現。最后利用高速率、廣連接、低延時[12]的5G專用網絡實現系統中數據的傳輸，將設備運行狀態信息傳輸到設備端。

1系統概述

基于數字孿生的空壓設備仿真系統，主要目的是為了實現空壓設備的數字化，為員工提供一個可以進行模擬訓練、故障維修的平臺，并且可以實現對設備的遠程監控等功能。系統按照功能主要分為仿真系統平臺、數據存儲服務和運行端3個部分，其中平臺部分負責仿真系統的運行；數據存儲服務負責部分歷史運行數據、設備維護數據等的保存；運行端部分則是負責數據的采集和運行狀態查看等功能，主要包括可以訪問平臺的各種設備，如AR眼鏡或移動手機端等。

通過在仿真系統中建立空壓設備的模型，員工可以使用AR眼鏡進行設備的拆卸和組裝等操作進行設備的學習，加強操作工的操作熟練度。通過AR設備對空壓系統設備數據的讀取，實現AR設備對空壓設備的操作，并在設備運行過程中實時收集空壓系統數據，以便于工作人員及時發現設備故障的出現。通過本系統迅速準確的定位故障點，借助AR眼鏡指導工作人員維修。

2系統結構

按照系統中包含的功能，將系統的結構設計為如圖1所示的5個部分，分別為監控平臺、故障輔助維護、設備運行監控、輔助培訓以及數據存儲。

監控平臺可細分為控制中心和虛擬系統2個部分，是整個平臺的基礎。虛擬系統通過空壓設備的結構數據對其進行仿真建模，為其他部分提供設備的結構信息和實時數據信息。虛擬系統中使用了60萬的模型面數以提高模型的擬真度，并且可以檢測連接的設備的硬件信息，對模型進行自動調檔，以實現模型匹配此硬件的最佳表現，如設備硬件可以支持幀數60+FPS的顯示時，則可以展示模型的最優觀看效果。在系統與設備的通信方面使用了穩定、安全且高效的OPC技術對空壓設備傳感器數據進行獲取，提高了整個系統的互操作性和對設備的適應性。然后通過傳輸性能高的且數據安全性強的Socket技術將設備數據傳輸到系統中，以確保企業的數據安全。控制中心的主要功能是觀察虛擬系統收集到設備傳感器的實時數據信息，然后對設備進行遠程狀態監控，以及在設備維護或故障維修時下發操作指令到AR設備，輔助工作人員進行設備的維護和修理。

故障輔助維護主要通過工作人員在現場使用AR眼鏡進行設備的掃描，將掃描到的設備元器件的圖片進行上傳。在系統中對圖像進行分析，定位元器件并輔助工作人員判定其是否正常運行。如判定設備出現了現場工作人員無法排除故障，則可以在5G網絡的輔助下，邀請專家通過現場傳回的實時信息進行遠程診斷和遠程輔助維修。與此同時，監控平臺可以及時對設備維護信息、故障原因、專家診斷結果、故障處理結果等一系列信息和數據進行記錄。與傳統的故障處理或設備維護流程相比，本系統的使用不僅縮短了故障處理時間，還通過詳細記錄故障信息數據，簡化了處理流程。

設備運行監控分為2個部分，一是工作人員可以通過AR眼鏡或者手機等顯示設備隨時可以對設備中各個元器件的運行參數等信息進行查看；二是監控平臺可以根據對設備中各元器件數據的實時監測判斷設備是否出現故障，若出現故障則會通過監控平臺進行故障提示信息的下發，及時提醒相關的工作人員進行設備故障的處理。系統推出多個版本以便于工作人員查看設備運行情況和設備信息，分為PC端、安卓端和iOS端3個顯示部分。其中安卓端和iOS端進行了多機型的適配，工作人員可以通過手機等便攜設備使用移動端App查看設備的運行狀態。

輔助培訓則是平臺的另一輔助功能，由于空壓設備需要保持持續的運行狀態，且設備價格高昂，不便于將設備拆卸后對員工進行實體培訓，所以只能通過外部結構和查看設備圖紙對設備結構進行學習。通過監控平臺實現對設備的1：1仿真模擬后，可以通過AR等顯示端設備在虛擬系統中進行設備結構、設備元器件、設備各鏈路等信息進行查看，并且可以在系統中進行設備的拆卸和安裝等操作，以及模擬故障出現時的設備的運行情況。憑借高擬真的設備模型，給員工帶來更真實的操作體驗。