基于數(shù)字孿生的數(shù)控設備互聯(lián)互通及可視化*

黃祖廣 潘 輝 薛瑞娟 王金江 張 維 高知國

(①國家機床質量檢驗監(jiān)督中心，北京100102；②中國石油大學(北京)機械與儲運學院，北京 102249)

隨著計算機和互聯(lián)網技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)開始發(fā)生根本性改變，制造領域正面臨著從數(shù)字制造向智能制造的轉型升級[1]。但是數(shù)控設備之間存在通信接口不統(tǒng)一[2]、通信缺乏認證機制[3]、設備不對外開放[4]、無法對各種不同類型的數(shù)控設備進行統(tǒng)一管理，造成高投入低產出[5]的不利現(xiàn)狀。因此，實現(xiàn)設備之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通是解決這一問題的關鍵，即將基于不同底層協(xié)議的不同類型的數(shù)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)各類型數(shù)控裝備的信息互聯(lián)[6]。本文提出了一種基于數(shù)字孿生的數(shù)控裝備互聯(lián)互通及可視化系統(tǒng)，利用OPC UA協(xié)議將服務器端采集的各數(shù)控系統(tǒng)不同類型實時數(shù)據(jù)信息進行讀取、轉化后存入基于標準制定的數(shù)據(jù)庫中，構建了數(shù)控機床數(shù)據(jù)字典及工業(yè)機器人數(shù)據(jù)字典并進行實時數(shù)據(jù)映射，驅動數(shù)控機床的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)了數(shù)控機床數(shù)字孿生模型與物理模型的同步運動，從而直觀地展示數(shù)控機床的互聯(lián)互通信息與運行狀態(tài)。

1 數(shù)字孿生技術及應用

數(shù)字孿生(digital twin)是充分利用物理模型、數(shù)據(jù)更新、運行歷史等方面在數(shù)字世界中完成對現(xiàn)實世界的實時映射，從而反映對應現(xiàn)實設備全生命周期過程的一種技術[7]。其概念自2003年由Grieves教授提出后，結合智能制造與深度信息融合的時代背景被廣泛地應用于工業(yè)生產的各個領域[8-9]。美國空軍研究實驗室(nation aeronautics)基于數(shù)字孿生技術，利用高保真飛行模型與影響飛行的結構偏差和溫度相結合，構建飛機飛行的疲勞壽命預測模型[10]；美國通用電氣公司基于數(shù)字孿生體，結合云服務平臺Predix，利用大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網等先進技術構建發(fā)動機的實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)動機生產過程故障診斷與預測性維護[11-12]；達索公司利用數(shù)字孿生3D交互平臺，通過用戶在虛擬端的體驗信息不斷地優(yōu)化與改進相應的實際物理模型[13-14]；中國空空導彈研究院基于數(shù)字孿生的思想，借助調制傳遞函數(shù)將機載廣電系統(tǒng)性能影響因素統(tǒng)一映射到能量域，解決了系統(tǒng)性能退化多場耦合建模難題[15-16]。綜上所述，數(shù)字孿生技術將現(xiàn)實世界與虛擬世界以數(shù)據(jù)的形式連接起來，架起了由現(xiàn)實通向虛擬的第一座橋。

本文基于數(shù)字孿生技術構建了生產車間數(shù)控設備的數(shù)字孿生體，以工業(yè)互聯(lián)網為平臺結合數(shù)控設備的實時運行參數(shù)建立了具有不同底層協(xié)議數(shù)控設備的互聯(lián)互通可視化系統(tǒng)。

2 數(shù)控設備數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)的構建

車間數(shù)控設備數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)的構建依據(jù)數(shù)字孿生五維模型理論[17-18]，以模型、數(shù)據(jù)、通信為基礎，以工業(yè)互聯(lián)網為平臺進行構建。數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)利用工業(yè)互聯(lián)網強大的數(shù)據(jù)整合與系統(tǒng)集成能力，對來自不同廠家、具有不同底層協(xié)議的數(shù)控裝備進行系統(tǒng)層面的互聯(lián)互通；通過對底層數(shù)據(jù)源的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)驅動，結合車間生產設備的實時監(jiān)控，實現(xiàn)車間數(shù)控設備在生產過程、運行維護、事件記錄等方面由操作人員手動記錄、二維圖表表示到三維立體化、全方位記錄與展示的轉變，實現(xiàn)了車間數(shù)控設備生產過程監(jiān)測由二維到三維的飛躍。同時，在數(shù)控裝備三維可視化的基礎上，通過訓練、監(jiān)測車間數(shù)控設備的數(shù)字模型，不斷的提高優(yōu)化設備運行過程，將優(yōu)化結果反饋至車間生產設備，從而提高實際設備運行、管理、監(jiān)測等水平。

2.1 設備數(shù)字模型的構建

設備數(shù)字模型要求建立與實際設備在幾何、行為、約束等因素高度一致的三維模型。為了更好地還原數(shù)字空間中設備的工作條件以及多臺設備聯(lián)合工作的情形，所以不僅僅要構建數(shù)控設備三維數(shù)字模型，還需要構建車間廠房以及輔助設備的三維模型，使設備數(shù)字模型在數(shù)字車間中具有與實際生產車間高度一致的分布狀態(tài)。

根據(jù)車間生產過程關鍵要素建模理論[19-20]，車間設備模型(DTequip)主要包括功能模型(FunctionM)、虛實通訊接口(VRInterface)、虛擬服務(VService)：

DTequip={FunctionM,VRInterface,VService}

(1)

功能模型(FunctionM)要求根據(jù)實際生產設備建立對應功能的孿生模型，這就需要有高度精準的車間三維模型以及車間內設備實時的業(yè)務數(shù)據(jù)。一般車間數(shù)控設備結構復雜且缺乏相應圖紙，直接建模難度較大。而三維激光掃描系統(tǒng)可以大量獲取目標對象的數(shù)據(jù)點，因此可以較為精確地反映復雜形狀的空間分布。此外，針對物理車間的某臺數(shù)控機床，數(shù)字模型必須涵蓋了該機床的外觀、約束以及各個零件的裝配關系，使得數(shù)字模型與實際物理機床具有相同的運動能力。因此，在建立數(shù)字模型車間時還需要考慮設備在信息空間中與其他設備的協(xié)作以及如何確定信息空間中的工藝流程及誤差追溯與補償?shù)纫蛩亍?/p>

針對上述兩方面的問題，本文首先使用三維激光掃描儀對物理車間內數(shù)控設備進行掃描，利用激光測距的原理通過記錄被測物體表面點的三維坐標和紋理等信息，獲取被掃描目標大量的密集數(shù)據(jù)點，得到高精度的設備點云三維模型，用以確定主要設備空間物理信息；其次，使用點云模型在3DS MAX建模軟件中，建立具有與實際物理車間一致多維數(shù)字模型庫，并封裝成為可以調用的包文件。

虛實通訊接口(VRInterface)是實現(xiàn)數(shù)字孿生模型與實際生產設備之間數(shù)據(jù)傳輸與實時驅動的基礎。通過傳感器對生產設備各個運動關節(jié)的運動參數(shù)進行提取，運用PLC將生產設備的運動參數(shù)傳遞至相對應的數(shù)字孿生模型，因此，在構建數(shù)字模型時，必須構建靈敏的數(shù)據(jù)通訊機制。而虛擬服務(VService)是對設備數(shù)字孿生模型運行中功能模型的實現(xiàn)、運動信號的處理等方面的有力支撐。行為的實現(xiàn)需要利用不同的虛擬服務去驅動模型完成不同信號的響應，其詳細過程在2.3小節(jié)敘述。

2.2 基于OPC UA的通訊構架

為解決不同設備間信息傳遞滯后與損失的問題，本文基于OPC UA框架來處理復雜數(shù)據(jù)內置和跨平臺操作，實現(xiàn)統(tǒng)一的標準化虛實通訊。OPC UA是OPC基金會推出的工業(yè)軟件應用接口規(guī)范，其獨立于制造商，可適用于不同操作系統(tǒng)，使用不同的編程語言對其開發(fā)。OPC UA統(tǒng)一構架以其靈活、普適的特點成為各個數(shù)控裝備進行信息互聯(lián)的不二選擇。

OPC UA服務器通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網與數(shù)控機床、工業(yè)機器人等可編程設備連接，獲取其控制元件如PLC、傳感器等I/O端口數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車間底層設備的數(shù)據(jù)采集。服務器通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及設備信息的匯總后，將其轉化為支持OPC UA協(xié)議的數(shù)據(jù)，存儲至數(shù)據(jù)庫，作為數(shù)據(jù)實時驅動車間模型的數(shù)據(jù)層。邏輯控制層對設備相應的數(shù)據(jù)進行讀寫、分析計算等，實現(xiàn)根據(jù)展示界面層的用戶要求驅動各類要素模型，更新要素實時的生產數(shù)據(jù)進行分析以及智能決策等。

2.3 數(shù)字設備實時映射與驅動

數(shù)字實時映射與驅動是在數(shù)字模型的基礎上對生產設備實時運行參數(shù)進行在數(shù)字世界中的實時映射，實現(xiàn)設備運行過程在虛擬空間中的投影。數(shù)字空間對物理空間的映射是數(shù)字孿生技術虛實交互應用的基礎。

數(shù)字設備實時映射與驅動內容包括設備動作信號、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、指令數(shù)據(jù)等三類，描述如表1所示。數(shù)據(jù)實時映射過程是指將數(shù)控設備上述參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)采集、傳輸至實時數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中對設備源數(shù)據(jù)進行清洗、優(yōu)化集成新的數(shù)據(jù)集后鏈接到車間生產設備的數(shù)字模型上作為數(shù)字設備數(shù)據(jù)指令。

表1 生產設備映射數(shù)據(jù)

孿生模型的實時驅動采用Unity虛擬現(xiàn)實驅動引擎完成。Unity引擎通過獲取存儲在數(shù)據(jù)庫中的生產設備實時運行數(shù)據(jù)集驅動數(shù)字模型，實現(xiàn)數(shù)字模型與生產設備的同步運動。數(shù)控設備數(shù)據(jù)驅動系統(tǒng)框架如圖1所示，以展示界面層、邏輯傳遞層以及數(shù)據(jù)層作為主要結構。展示界面層通過三維可視化的方式為用戶展示設備生產狀態(tài)，同時將用戶的指令通過邏輯層傳遞至服務器。服務器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫屬于數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將生產設備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)收集后存儲在數(shù)據(jù)庫中，當服務器收到來自邏輯層的用戶指令后獲取數(shù)據(jù)庫中的實時數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅動引擎的源數(shù)據(jù)從而驅動數(shù)字模型與實際設備進行一致的生產過程，再通過邏輯層傳遞到展示界面層，實現(xiàn)對數(shù)字車間的實時驅動。

3 應用實例

某生產車間包括車間廠房、六自由度工業(yè)機器人以及兩臺工業(yè)數(shù)控機床，下面將以此車間為例，詳細描述整個車間數(shù)控設備互聯(lián)互通可視化的實現(xiàn)過程

3.1 孿生模型構建

使用三維激光掃描儀FARO S350對生產設備進行激光掃描以獲得三維點云數(shù)據(jù)。通過激光掃描以及車間現(xiàn)場考察，結合三維點云數(shù)據(jù)進行車間以及生產設備的數(shù)字模型構建和渲染。圖2展示了建模渲染完畢后車間實際生產設備與數(shù)字孿生設備的對比情況。當車間模型構建完畢后，還需要在車間中布置、渲染。通過現(xiàn)場拍攝的照片以及與車間負責人員交流等，選取合適的材質、貼圖進行渲染。為了更好地展示可視化效果，還需要對廠區(qū)布置添加光影效果。模型的光影效果可以在3DS MAX中進行調整，也可以在模型導入Unity3D中后再進行設置。

3.2 數(shù)據(jù)通訊以及實時數(shù)據(jù)驅動

在實際生產車間中布置OPC UA服務器后，首先通過地址空間找到設備的數(shù)據(jù)源，獲取生產設備組件信息，再通過服務器對上述數(shù)據(jù)匯總并轉換格式后統(tǒng)一存儲至數(shù)據(jù)庫。然后，利用Unity數(shù)據(jù)驅動引擎對數(shù)據(jù)進行邏輯處理，通過C#編寫的邏輯控制層從數(shù)據(jù)庫獲得每個設備的實時狀態(tài)參數(shù)，從而與控制層對應的生產設備數(shù)字模型進行交互，實現(xiàn)對數(shù)字設備模型的高度擬真化運行與設備運行狀況的實時監(jiān)測。當數(shù)控機器人運動時，通過OPC UA服務器對數(shù)控設備的實時運動坐標讀取并轉化為統(tǒng)一格式后作為每一個運動單位的運動坐標存儲至數(shù)據(jù)庫中，后通過邏輯控制層獲取數(shù)據(jù)，在Unity引擎中對數(shù)字模型進行驅動，實現(xiàn)機器人與數(shù)字模型的同步運動。根據(jù)上述內容建立起的面向互聯(lián)的數(shù)控設備可視化系統(tǒng)如圖3所示。

面向互聯(lián)互通的數(shù)控設備可視化系統(tǒng)結合了FastAPI后端框架與Vue前端框架運行速度快、運維方便、封裝快捷的特點，在很大程度上方便了用戶后期的維護與學習。系統(tǒng)以動態(tài)曲線結合數(shù)字坐標的形式，無間斷地記錄生產設備每個運行周期的實時狀態(tài)參數(shù)，直觀地展示了設備運行數(shù)據(jù)的變化以及發(fā)展趨勢，為設備的運行優(yōu)化奠定了基礎。同時以設備數(shù)字孿生模型結合生產現(xiàn)場實時監(jiān)控對設備生產過程加以記錄，全方位、立體化地將被監(jiān)測設備工作過程展現(xiàn)在用戶面前，實現(xiàn)了生產車間生產過程透明化，較之傳統(tǒng)的以數(shù)據(jù)記錄車間生產過程的方式，極大地提高了生產車間數(shù)控設備生產事故的可追溯性與發(fā)展趨勢的可預測性。

4 結語

數(shù)字孿生技術是實現(xiàn)物理世界與信息世界共融的關鍵，是全球制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，生產設備之間生產數(shù)據(jù)互聯(lián)互通更是數(shù)字孿生技術得以發(fā)展的必要條件。本文為基于數(shù)字孿生的數(shù)控設備互聯(lián)互通及可視化實現(xiàn)提供了技術解決方案并進行驗證。采用三維掃描技術對生產車間進行模型搭建，利用OPC UA通訊構架快速建立車間生產設備與數(shù)字空間的通道并建立實時數(shù)據(jù)庫，對各個生產設備不同格式的狀態(tài)參數(shù)進行存儲與調用；基于Unity數(shù)據(jù)驅動引擎對車間數(shù)字模型進行實時驅動；使用Vue與FastAPI作為網站前后端框架，結合工業(yè)互聯(lián)網作為車間數(shù)控設備數(shù)字孿生系統(tǒng)的展示平臺，克服了設備間數(shù)據(jù)交互困難、車間生產設備運行過程記錄繁瑣、數(shù)據(jù)記錄表達不直觀、現(xiàn)場設備生產過程監(jiān)測成本較高等弊端，為生產車間數(shù)控設備過程監(jiān)測與優(yōu)化提供了新的方法。