基于Unity3D 的智慧物流實驗室孿生研究

孫 麗 李九博 喬文宣 張瀚文 郝留成 徐仲勛

（①大連交通大學機械工程學院，遼寧 大連 116028；②大連交通大學經濟管理學院，遼寧 大連 116028；③平高集團有限公司技術中心，河南 平頂山 467001）

隨著科學技術的發展，數字孿生這一全新的概念被提出，數字孿生技術也迎來了迅速的發展，它將建模和仿真技術提升至一個新的水平。數字孿生技術是指通過數字化技術建立虛擬世界，將物理實體轉換為虛擬模型，并且在虛擬環境中進行模擬和物理運動分析等目的。工業的數字化可以被視為更高生產力的提升路徑，數字孿生技術也被作為“工業4.0”的關鍵領域之一，占據著十分重要的地位[1-3]。由于企業對高端人才的需求和高要求，各大高校學生應該了解并熟練掌握設備的實際操作。但是由于實驗設備非常昂貴，且設備的維護費用較高，以至于很多高校望而卻步。為了共享某些高校利用率不高的高端實驗設備，應用數字孿生技術，對實驗設備進行1∶1 建模，再通過Unity3D 平臺將設備按照實驗現場進行虛擬空間建立，結合PLC 控制，完成虛擬環境與現實環境的聯接和實時交互，完成對工作和實驗過程中的全生命周期的實時控制與監測[4-5]，使無法到達實驗現場的學生能夠遠程操作實驗設備并通過屏幕查看實驗效果。本文應用Unity3D平臺對本校的智慧物流實驗室進行了數字孿生和虛擬仿真，可為異地其他高校學生開設云實驗奠定基礎。

1 物流運輸仿真系統的總體設計

1.1 仿真系統設計目的

由于教學內容老化，教學模式僵化，以至于物流專業學生質量不高，物流人才數量供不應求，主要問題表現在學生對于企業物流管理水平的現狀分析不到位、專業基礎不扎實、專業實踐能力較低等方面，進而影響了物流行業的發展。高校為解決智能物流行業人才培養開設智能物流教學實驗中心，培養具有創新能力、注重實踐和應用、能靈活變通的智能物流人才。但是實驗設備的高昂費用，讓很多學生無法到達現場進行實操培訓，進而導致物流人才的培養出現阻礙。本文在已有的智能物流實驗中心的基礎上，結合數字孿生技術，實現虛實結合，在PC 端建立一個虛擬仿真操作系統，讓異地的其他高校學生可以通過遠程操控和實驗系統畫面進行云實驗，完成實際操作的培訓學習。實驗仿真系統結構圖如圖1 所示。

圖1 實驗仿真系統結構圖

1.2 智能物流實驗中心現狀

本智能物流實驗室將設備總電源打開后，在中央控制臺處設有緊急制停按鈕，當貨物放置傳送帶上，運送到入庫口時，被設有的掃描儀掃描貨物二維碼并記錄，再通過堆垛機將貨物放置在貨架上并記錄入庫位置。將堆垛機控制柜內的開關調至手動擋，通過控制柜上的方向按鈕控制堆垛機和插板的移動；將堆垛機調至自動擋，通過堆垛機物流設備系統進行出入庫和調庫工作，如圖2 所示。貨物出庫后通過掃描儀進行分揀，進入不同傳送帶，再通過AGV 搬運到倉儲位置。完成整個工作流程后，進行復位，堆垛機回到標準位置，輸送鏈停止工作，物流實驗室實物如圖3 所示。

圖2 堆垛機物流操作系統

圖3 智能物流實驗室實物圖

1.3 仿真系統技術研究

根據智能物流實驗中心已有的實驗設備，對技術路線進行分析，要實現虛擬仿真系統的建立，需要完成1∶1 設備模型和實驗環境的建立，并通過對設備的控制和通信完成信息的虛實交互。最后通過鍵盤、鼠標和屏幕的實現效果展示，實現對完整智能物流實驗的詳細學習。虛擬仿真試驗系統技術路線如圖4 所示。仿真系統主要應用到的關鍵技術包括三維建模、虛擬環境及動畫制作、運動分析、PLC 與Unity3D 的通信等。

圖4 虛擬仿真實驗系統設計

2 虛擬仿真系統實現

2.1 三維模型建立

根據已有實驗設備進行1∶1 模型建立，可以通過SolidWorks 等軟件完成模型建立的工作，在模型建立過程中，對于不影響實際運動的部分可以進行簡易繪制，所建模型如圖5 所示。

圖5 堆垛機三維模型

針對較為復雜的模型可以進行輕量化處理，將建好的模型導入3DMax 中，對模型進行優化貼圖等工作，也可以對模型的點面進行縮減，以減少存儲體積和后續開發的數據處理量[6]。而對于既影響模型運動又不容易獲得數據建模的細小零部件，可以通過3D 掃描儀進行掃描建模，掃描出的模型如圖6 所示。

圖6 3D 掃描儀所得模型

由于掃描儀掃描所得模型并不完整，因此需要對所建模型進行修補，將掃描模型進行點云導出，再將模型點文件導入Geomagic Wrap 軟件，對模型進行修補，并且對其點面進行減噪、縮減處理，完成模型的輕量化，使其進行的點云處理數據量減少，如圖7 所示。完成模型修補后，進行封裝導出模型。

圖7 Geomagic Wrap 修補掃描模型

2.2 虛擬環境搭建

完成三維模型的建立和模型的輕量化處理后，將模型文件轉為相應格式并導入Unity3D 中，根據實際場地中設備的位置進行擺放，并對虛擬工作空間的周圍環境進行繪制，例如墻面的建立、貼圖等，實驗室設備擺放如圖8 所示。

圖8 實驗設備實物

針對不同模型的不同運動狀態對其進行父子層級的定義，保證在固定的層級關系下完成目標動作，完成虛擬環境的搭建，虛擬環境建立如圖9所示。

圖9 虛擬環境建立

2.3 實時運動仿真實現

在Unity3D 中完成虛擬環境搭建后，對已有的設備模型進行運動分析，確認設備之間的運動關系；根據設備的運動路線和動作進行代碼的編寫，如移動、旋轉、選取以及抓取等動作，進而完成控制。例如：天車抓取集裝箱的動作，用戶可以通過鍵盤來控制天車的移動、天車抓手的移動和抓取動作。關鍵代碼如下：

?

2.4 碰撞及運動分析

該仿真系統不僅包含實驗設備，還涉及實驗環境等。完成三維模型建立后，需要對真實設備實際的操作和運行動作，進行運動分析；并對任意零件之間發生接觸時的相互作用進行分析，即模型與模型之前發生干涉碰撞。該系統中對發生碰撞的零部件進行分析，在Unity3D 平臺中設置為剛體并通過碰撞器對剛體間的碰撞關系進行設置，當檢測到相關工作模型與目標模型接觸后，便會執行程序使運動發生限制，智能停止當下運動或轉變運動方向，如圖10 所示。

圖10 碰撞器設置

2.5 界面控制按鈕設計

通過Unity3D 的UGUI 模塊對虛擬仿真系統的UI 系統進行設計，通過使用包括面板和按鈕的幾個組件，創建一個基本的操作界面。在UI 界面的按鈕上添加碰撞器，結合C#的代碼完成對系統中設備的控制，通過鼠標完成實驗的交互操作，如圖11 所示。

圖11 按鈕界面設計

2.6 PLC 編程

仿真實驗系統不僅要完成虛擬環境下的動畫運行，還要完成PLC 編程與Unity3D 的通信，所以要針對實際設備的運動的PLC 控制進行編程，部分程序如圖12 所示。

圖12 天車抓取貨物部分梯形圖

2.7 通訊過程實現

為了虛擬仿真系統可以實現實時的控制，就要完成Unity3D 虛擬平臺可以實時、連續地接受PLC數據信號，需要對Unity3D 與PLC 進行虛擬聯調。通過博圖軟件與Unity3D 的通信來解決這個問題[7]。首先，通過S7-PLCSIM Advancde 軟件作為虛擬機對已經編好的PLC 邏輯控制程序以及外部通信進行仿真。首先設置網卡的IP 地址和子網掩碼，將完成的PLC 程序下載到虛擬機中去，然后啟動仿真。

3 物流運輸仿真系統的設計與實驗

該仿真系統通過Unity3D 等軟件合作完成，使用者需要通過電腦端進行仿真操作。

3.1 實驗動態仿真

本系統是在Windows11 系統下開發，采用Unit3D進行設計，運用C#語言，選擇Mysql8.0.25 作為數據庫存儲相關數據。

（1）使用者通過電腦打開虛擬仿真系統，隨后到達操作前的系統界面，如圖13 所示。

圖13 系統操作界面按鍵

（2）通過想要實現的操作，利用操作界面的按鍵，完成目標設備的技術動作，例如堆垛機進行貨物的出入庫動作，如圖14 所示。

圖14 通過按鍵操作堆垛機工作

（3）使用者完成物流運輸的實驗操作后，點擊停止按鍵結束設備工作，點擊退出按鍵后退出仿真系統，完成虛擬仿真系統的使用[8]。

對虛擬仿真實驗系統的動作和智能物流實驗中心的設備動作進行計時，仿真結果見表1。

表1 設備實際動作和模型虛擬動作對比

由表1 中動作耗時對比，可以得到虛擬仿真實驗系統與智能物流中心實際設備動作的延遲約為2 s，可以滿足物流操作系統的教學任務。

通過數字孿生技術建立的云實驗平臺，仿真模型可以完成實體模型的動態仿真，動態仿真的數據來自智能物流實驗中心設備的物理設計模型，還有設備上面傳感器反饋的數據，以及設備多次運行的歷史數據，即可以完成實驗仿真和工作過程的全生命周期的實時監測[9-10]。如果需要做實驗系統設計改動，或者想要知道實驗系統在特殊外部條件下的反應，也可以在虛擬實驗環境中進行“實驗”。這樣既避免了對實驗設備的影響，也可以提高效率。

3.2 多并發用戶操作安全問題

為了解決大量學生同時登錄實驗系統并保證安全性，選擇Mysql8.0.25 作為數據庫，將實驗人員的相關實驗數據存入數據庫中，使用AES 加密算法對實驗數據進行加密以確保實驗人員數據的安全性，同時通過CP-ABE 加密算法對AES 密鑰進行加密，使AES 密鑰在傳輸過程當中不會被竊取并利用，從而保證AES 密鑰的安全性，只有滿足數據發送方所構建訪問策略的實驗人員才能完成AES密鑰的解密，完成AES 密鑰的解密后進一步完成數據的解密，從而保障了仿真系統使用過程中的安全性。

4 結語

本文主要針對智能物流實驗中心進行研究，包括傳送裝置、堆垛機等設備，通過Unity3D、3DMax、S7-PLCSIM Advancde 等軟件對實驗設備進行處理，最后基于Unity3D 平臺完成了虛擬仿真實驗系統的設計。通過該物流虛擬仿真實驗系統的設計，可以有效解決實驗設備昂貴、實驗設備有限，異地高校學生無法得到有效實操教學的問題，可以一定程度實現實驗資源的共享，讓異地其他高校的學生完成相同的教學內容。同時，通過此種交互操作的方式，也可以提高學生的學習興趣，提高學習效率。隨著工業技術的發展，虛實交互融合的技術會愈加深入，本次實驗通過基于Unity3D 的物流運輸虛擬仿真實驗研究，在面對未來虛實交互技術的探索也有著研究基礎和參考價值。