基于虛擬現實技術的數字化工廠仿真與優化研究

李世強 劉皓若 詹鑫毅

摘 要：計算機技術的快速發展，使得越來越多的企業進入信息化生產管理時代。虛擬現實技術和數字化工廠作為企業信息化建設的重要組成部分，已被越來越多的企業所接納，并在其中發揮了重要的經濟效益。本文基于虛擬現實技術，對數字化工廠進行了的布局仿真、工藝規劃、物流仿真3個模塊進行了分析，并構建了仿真模型，并提出了優化方案。通過實驗仿真，對生產車間各設備利用率和成品數量進行了對比分析。仿真結果表明，優化后的方案提高了車間的實際生產能力和生產效率，節約了投資的成本，由此證明該優化方案的有效性。

關鍵詞：虛擬現實技術;數字化工廠;車間布局仿真;物流仿真

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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世紀以來，隨著計算機仿真技術的日益發展，虛擬現實技術和數字化工廠技術在制作業中的應用越來越廣泛。作為現代企業信息化建設的重要組成部分，虛擬現實技術和數字化工廠技術為企業帶來了巨大的經濟效應。雖然我國的虛擬技術和數字化工廠技術起步較晚，但步伐迅速，諸多學者對其進行了大量的研究。2018年，王圣潔結合虛擬現實技術與博物館展示，構建了更好的博物館參觀體驗[1]。2019年，薛磊、隋文結合數字化工廠，對裂解爐進行了設計模型化，提高了設計的質量和效率[2]。本文在此基礎上，應用基于虛擬現實技術對數字化工廠進行了仿真與優化，重點對數字化工廠進行了的布局仿真、工藝規劃、物流仿真3個模塊進行了分析。

1 相關技術理論

1.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術（VR）是一種結合人工智能技術、傳感器技術與計算軟硬件技術的全新技術，具有人類所擁有的一切感知功能。虛擬現實技術具有沉浸性、交互性、構想性等特征，根據技術分類可分為沉浸虛擬現實技術、桌面式虛擬技術、增強顯示技術、分布式網絡虛擬技術4種類型。

沉浸式虛擬現實技術主要通過多媒體、仿真等技術模擬顯示環境，并通過VR眼鏡實現人機交互。桌面式虛擬技術強調操作系統桌面化，主要實現方式是投影、投屏等方法結合不同位置的圖像，建立起圖像之間的聯系，是用戶實現對虛擬物體的打開、關閉等操作。增強現實技術是在虛擬現實的基礎上對實際物體進行操作，通過虛擬模式可以實現對實物物品的解析，是一種虛擬與現實結合的一種模式。分布式網絡虛擬技術是通過網絡讓不同參與者加入進來，對實驗環境進行遠程模擬的操作。用戶只需要通過移動鼠標和鍵盤，即可實現對實驗環境中的物體進行拖拽、移動等操作。

1.2 數字化工廠

數字化工廠即根據實際產品的相關數據，利用虛擬顯示技術和計算機仿真技術構建一個虛擬工廠環境，在這個虛擬環境中，需要完成整個產品包括設計、制造等生產過程的模擬、優化和重組，以預測實際生產產品的可制造性和潛在問題。數字化工廠不僅解決了企業內部的生產問題，同時還加強了企業和外部實物的聯系，實現了對企業的有效管理。

數字化工廠的規劃流程因產品類型不同而劃分的層次不同。一般而言，在進行數字化工廠仿真過程中，數字化工廠可分為工廠車間層、生產線層、加工單元層、加工操作層四個層次。其中，工廠車間層是對車間機器和其他設備進行布局仿真;生產線層主要是用于判斷生產能力是否達到設計要求等;加工單元層的主要功能是檢查各設備之間是否存在沖突和干擾;加工操作層主要是對工步可行性分析。

數字化工廠系統功能模塊包括工廠布局、工藝規劃、仿真優化，如圖1所示。

工廠布局包括廠房布局設計、設備布局、工裝夾具布局。合理的工廠布局可以提高設備的使用效率，降低物料運輸費用。工藝規劃即對產品加工工藝和裝配工藝進行規劃。仿真優化是對生產線進行物流仿真，并對工藝規劃方案進行驗證。

2 仿真建模

2.1 數字化工廠布局仿真

數字化工廠布局仿真可以真實再現企業的整體規劃布局，能清晰地反映生產現狀。本文主要對數字化工廠平臺的二維工藝布局、三維建模和模型處理、三維布局落位、三維評審進行設計。具體設計步驟和流程如圖2所示。

二維工藝布局是三維布局仿真的基礎，通過三維布局可以實現對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域的工藝流程，然后對車間進行調研，并根據工廠制定的預計產能計算出設備和工裝數量，最后確定采購計劃。三維建模和模型處理即應用建模工具對二維布局的工裝、設備等進行實體建模。三維布局落位即按照二維布局的將各個元素模型進行精確定位并擺放。三維評審即相關工作人員對模型的規劃效果進行分析和修改，實現最優方案。

通過對數字化工廠的布局進行仿真，提高了布局的直觀性、經濟型和效率性，為采礦機生產車間物流仿真建模奠定了基礎。

2.2 生產車間物流仿真建模

生產車間是大件生產車間，包括電控箱體、搖臂殼體、機械加工等。由于其關鍵零件流程復雜，需要建立車間生產線仿真模型，具體實施如圖3所示。

車間生產線模型的構建，首先需要建立ProE三維模型，然后在QUEST中對需要進行修改的文件進行修改并保存，得到生產車間物流仿真的靜態模型，如圖4所示。

2.3 仿真參數輸入

在實際生產過程中，各工序、各設備所需的加工時間和節拍構成了此次仿真的參數。其中，生產各環節的節拍和輸送設備參數如表1所示，物流設備的主要參數如表2所示。

在仿真模型中，只需將表1、表2的數據輸入Cycle Process Definition即可。

3 仿真結果分析與優化

3.1 仿真結果分析

針對生產車間物流仿真結果，本文從AGV數量、設備產能、瓶頸3個方面進行分析，得到如下分析結果。

首先，當AGV數量為1時，AGV小車的利用率僅有75%，因此存在某些工位已加工的零件不能及時送往下一個工序，進而降低了車間的生產效率。當AGV數量為2時，車間的成品數量不會再發生改變，說明該數量能滿足車間的生產需要。因此，可以得出當前生產車間使用2輛AGV小車最為合適。AGV數量變化與產品成品總數的變化如圖5所示。

其次，通過對仿真結果中的數據進行整理分析，可得到如圖6所示的各產品在生產過程中經過各道工序的生產能力統計圖。由圖可知，第七道工序到第九道工序間，牽引殼體、搖臂殼體等產品數量均呈現下降趨勢，說明這幾處的設備產能跟不上生產的整體節拍。

最后，本文從設備利用率、關鍵工序在制品兩個方面對生產線的瓶頸進行了仿真實驗得到如圖6所示的設備負荷情況。由圖6可知，設備利用率最高的是電控箱第一次組，行走精鏜組、劃線平臺等，其利用率均在95%以上。由圖7可知，劃線臺、噴丸線兩處在進行仿真運行后，在制品數量持續增大，則說明確劃線和噴丸工位是該車間的生產瓶頸。

3.2 優化設計

從車間布局可以看出噴丸生產線上存在一個空閑區域，若在該區域安排其他生產工位可提高采礦機生產車間的整體效率。經研究發現，再建一條噴丸和噴底漆的生產線，可使整個車間利用率最大化。當兩條生產線同時工作，可以保證該處不會出現堆積等待的現象。優化前后的各設備利用率變化、關鍵設備在制品量如表3～4所示。

由上述結果可知，經過優化調整后，劃線臺和噴丸這兩處的生產線基本上沒有出現沒有出現在制品堵塞的情況，說明該兩處的設備負荷得到了較大的緩解，車間設備的利用率得到了有效地提升，避免了資源的閑置和浪費;4種產品的成品數量相較于優化調整前的成品數量都有所提高，能滿足產能的要求，且成品數量隨著時間的增加呈現出有規律的增長，證明了該優化方案的有效性。

4 結語

數字化工廠是現代企業進行信息化建設的重要組成部分，車間的仿真布局和物流仿真是實施數字化工廠的必要環節。本文應用虛擬現實技術，對數字化工廠進行了的布局仿真、工藝規劃、物流仿真3個模塊進行了分析，并構建了仿真模型。同時，針對仿真模型中存在的問題提出了優化方案。最后，對優化前后各設備利用率和成品數量進行了對比分析。實驗結果表明，優化后的方案提高了車間的整體生產能力和生產效率，節約了投資的成本，由此證明該優化方案的有效性。

參考文獻

[1]王圣潔.虛擬現實技術在博物館展示設計中的應用研究[D].無錫：江南大學，2018.

[2]薛磊，隋文.裂解爐全爐設計模型化及數字化工廠應用[J]石油化工設備技術，2019（01）：27-29.

[3]宋楊楊，陳校云，張曙欣，等.虛擬現實技術在我國康復醫學領域中的研究進展[J].中國醫療設備，2019，34（01）：128-132.

[4]何聚厚，梁瑞娜，韓廣欣，等.基于虛擬現實技術的深度學習場域模型構建研究[J].電化教育研究，2019，40（01）：59-66.

[5]段鵬，李芊芊.敘事·主體·空間：虛擬現實技術下沉浸媒介傳播機制與效果探究[J].現代傳播（中國傳媒大學學報），2019，41（04）：89-95.

[6]吳佳林.淺析虛擬現實技術及其應用[J].通訊世界，2019，26（02）：103-104.

[7]謝峰.5G網絡下基于虛擬現實技術沉浸式課堂教學的應用與研究[J].計算機工程與科學，2019，41（S1）：14-17.

[8]宋云鵬，孫海龍，向雷，等.基于數字化工廠的生產流程仿真與優化[J].制造業自動化，2019，41（02）：62-64+85.

[9]朱廣民.數字化工廠與數字化交付分析[J].中國管理信息化，2019，22（20）：87-89.

[10]孫麗麗.創新構建集成化設計與數字化交付平臺助推智慧城市建設[J].科技進步與對策，2018，35（24）：86-92.