基于數(shù)字孿生的數(shù)控設(shè)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(jī)床質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)督中心，北京100102；②中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)學(xué)院，北京 102249)

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(lǐng)域正面臨著從數(shù)字制造向智能制造的轉(zhuǎn)型升級[1]。但是數(shù)控設(shè)備之間存在通信接口不統(tǒng)一[2]、通信缺乏認(rèn)證機(jī)制[3]、設(shè)備不對外開放[4]、無法對各種不同類型的數(shù)控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，造成高投入低產(chǎn)出[5]的不利現(xiàn)狀。因此，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通是解決這一問題的關(guān)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(jìn)行數(shù)據(jù)集成，實(shí)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(wù)器端采集的各數(shù)控系統(tǒng)不同類型實(shí)時數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取、轉(zhuǎn)化后存入基于標(biāo)準(zhǔn)制定的數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)字典及工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)字典并進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)映射，驅(qū)動數(shù)控機(jī)床的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床數(shù)字孿生模型與物理模型的同步運(yùn)動，從而直觀地展示數(shù)控機(jī)床的互聯(lián)互通信息與運(yùn)行狀態(tài)。

1 數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用

數(shù)字孿生(digital twin)是充分利用物理模型、數(shù)據(jù)更新、運(yùn)行歷史等方面在數(shù)字世界中完成對現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)時映射，從而反映對應(yīng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備全生命周期過程的一種技術(shù)[7]。其概念自2003年由Grieves教授提出后，結(jié)合智能制造與深度信息融合的時代背景被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域[8-9]。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(nation aeronautics)基于數(shù)字孿生技術(shù)，利用高保真飛行模型與影響飛行的結(jié)構(gòu)偏差和溫度相結(jié)合，構(gòu)建飛機(jī)飛行的疲勞壽命預(yù)測模型[10]；美國通用電氣公司基于數(shù)字孿生體，結(jié)合云服務(wù)平臺Predix，利用大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建發(fā)動機(jī)的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)生產(chǎn)過程故障診斷與預(yù)測性維護(hù)[11-12]；達(dá)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(yàn)信息不斷地優(yōu)化與改進(jìn)相應(yīng)的實(shí)際物理模型[13-14]；中國空空導(dǎo)彈研究院基于數(shù)字孿生的思想，借助調(diào)制傳遞函數(shù)將機(jī)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(shù)將現(xiàn)實(shí)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(shí)通向虛擬的第一座橋。

本文基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了生產(chǎn)車間數(shù)控設(shè)備的數(shù)字孿生體，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為平臺結(jié)合數(shù)控設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行參數(shù)建立了具有不同底層協(xié)議數(shù)控設(shè)備的互聯(lián)互通可視化系統(tǒng)。

2 數(shù)控設(shè)備數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)的構(gòu)建

車間數(shù)控設(shè)備數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)的構(gòu)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(chǔ)，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為平臺進(jìn)行構(gòu)建。數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)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(jìn)行系統(tǒng)層面的互聯(lián)互通；通過對底層數(shù)據(jù)源的實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)驅(qū)動，結(jié)合車間生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)車間數(shù)控設(shè)備在生產(chǎn)過程、運(yùn)行維護(hù)、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(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了車間數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)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(chǔ)上，通過訓(xùn)練、監(jiān)測車間數(shù)控設(shè)備的數(shù)字模型，不斷的提高優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行過程，將優(yōu)化結(jié)果反饋至車間生產(chǎn)設(shè)備，從而提高實(shí)際設(shè)備運(yùn)行、管理、監(jiān)測等水平。

2.1 設(shè)備數(shù)字模型的構(gòu)建

設(shè)備數(shù)字模型要求建立與實(shí)際設(shè)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(shè)備的工作條件以及多臺設(shè)備聯(lián)合工作的情形，所以不僅僅要構(gòu)建數(shù)控設(shè)備三維數(shù)字模型，還需要構(gòu)建車間廠房以及輔助設(shè)備的三維模型，使設(shè)備數(shù)字模型在數(shù)字車間中具有與實(shí)際生產(chǎn)車間高度一致的分布狀態(tài)。

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

DTequip={FunctionM,VRInterface,VService}

(1)

功能模型(FunctionM)要求根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備建立對應(yīng)功能的孿生模型，這就需要有高度精準(zhǔn)的車間三維模型以及車間內(nèi)設(shè)備實(shí)時的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。一般車間數(shù)控設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏相應(yīng)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(biāo)對象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此可以較為精確地反映復(fù)雜形狀的空間分布。此外，針對物理車間的某臺數(shù)控機(jī)床，數(shù)字模型必須涵蓋了該機(jī)床的外觀、約束以及各個零件的裝配關(guān)系，使得數(shù)字模型與實(shí)際物理機(jī)床具有相同的運(yùn)動能力。因此，在建立數(shù)字模型車間時還需要考慮設(shè)備在信息空間中與其他設(shè)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(bǔ)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(nèi)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行掃描，利用激光測距的原理通過記錄被測物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)和紋理等信息，獲取被掃描目標(biāo)大量的密集數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到高精度的設(shè)備點(diǎn)云三維模型，用以確定主要設(shè)備空間物理信息；其次，使用點(diǎn)云模型在3DS MAX建模軟件中，建立具有與實(shí)際物理車間一致多維數(shù)字模型庫，并封裝成為可以調(diào)用的包文件。

虛實(shí)通訊接口(VRInterface)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型與實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時驅(qū)動的基礎(chǔ)。通過傳感器對生產(chǎn)設(shè)備各個運(yùn)動關(guān)節(jié)的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行提取，運(yùn)用PLC將生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)動參數(shù)傳遞至相對應(yīng)的數(shù)字孿生模型，因此，在構(gòu)建數(shù)字模型時，必須構(gòu)建靈敏的數(shù)據(jù)通訊機(jī)制。而虛擬服務(wù)(VService)是對設(shè)備數(shù)字孿生模型運(yùn)行中功能模型的實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動信號的處理等方面的有力支撐。行為的實(shí)現(xiàn)需要利用不同的虛擬服務(wù)去驅(qū)動模型完成不同信號的響應(yīng)，其詳細(xì)過程在2.3小節(jié)敘述。

2.2 基于OPC UA的通訊構(gòu)架

為解決不同設(shè)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(fù)雜數(shù)據(jù)內(nèi)置和跨平臺操作，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化虛實(shí)通訊。OPC UA是OPC基金會推出的工業(yè)軟件應(yīng)用接口規(guī)范，其獨(dú)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(gòu)架以其靈活、普適的特點(diǎn)成為各個數(shù)控裝備進(jìn)行信息互聯(lián)的不二選擇。

OPC UA服務(wù)器通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)與數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等可編程設(shè)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(shí)現(xiàn)車間底層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。服務(wù)器通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及設(shè)備信息的匯總后，將其轉(zhuǎn)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(shí)時驅(qū)動車間模型的數(shù)據(jù)層。邏輯控制層對設(shè)備相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫、分析計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)根據(jù)展示界面層的用戶要求驅(qū)動各類要素模型，更新要素實(shí)時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及智能決策等。

2.3 數(shù)字設(shè)備實(shí)時映射與驅(qū)動

數(shù)字實(shí)時映射與驅(qū)動是在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上對生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在數(shù)字世界中的實(shí)時映射，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)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(shù)虛實(shí)交互應(yīng)用的基礎(chǔ)。

數(shù)字設(shè)備實(shí)時映射與驅(qū)動內(nèi)容包括設(shè)備動作信號、設(shè)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(shí)時映射過程是指將數(shù)控設(shè)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(shí)時數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中對設(shè)備源數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、優(yōu)化集成新的數(shù)據(jù)集后鏈接到車間生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字模型上作為數(shù)字設(shè)備數(shù)據(jù)指令。

表1 生產(chǎn)設(shè)備映射數(shù)據(jù)

孿生模型的實(shí)時驅(qū)動采用Unity虛擬現(xiàn)實(shí)驅(qū)動引擎完成。Unity引擎通過獲取存儲在數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)集驅(qū)動數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型與生產(chǎn)設(shè)備的同步運(yùn)動。數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)驅(qū)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(jié)構(gòu)。展示界面層通過三維可視化的方式為用戶展示設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)，同時將用戶的指令通過邏輯層傳遞至服務(wù)器。服務(wù)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(chǎn)設(shè)備實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)收集后存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)服務(wù)器收到來自邏輯層的用戶指令后獲取數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動引擎的源數(shù)據(jù)從而驅(qū)動數(shù)字模型與實(shí)際設(shè)備進(jìn)行一致的生產(chǎn)過程，再通過邏輯層傳遞到展示界面層，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字車間的實(shí)時驅(qū)動。

3 應(yīng)用實(shí)例

某生產(chǎn)車間包括車間廠房、六自由度工業(yè)機(jī)器人以及兩臺工業(yè)數(shù)控機(jī)床，下面將以此車間為例，詳細(xì)描述整個車間數(shù)控設(shè)備互聯(lián)互通可視化的實(shí)現(xiàn)過程

3.1 孿生模型構(gòu)建

使用三維激光掃描儀FARO S350對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行激光掃描以獲得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過激光掃描以及車間現(xiàn)場考察，結(jié)合三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行車間以及生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字模型構(gòu)建和渲染。圖2展示了建模渲染完畢后車間實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備與數(shù)字孿生設(shè)備的對比情況。當(dāng)車間模型構(gòu)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(fù)責(zé)人員交流等，選取合適的材質(zhì)、貼圖進(jìn)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(jìn)行調(diào)整，也可以在模型導(dǎo)入Unity3D中后再進(jìn)行設(shè)置。

3.2 數(shù)據(jù)通訊以及實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動

在實(shí)際生產(chǎn)車間中布置OPC UA服務(wù)器后，首先通過地址空間找到設(shè)備的數(shù)據(jù)源，獲取生產(chǎn)設(shè)備組件信息，再通過服務(wù)器對上述數(shù)據(jù)匯總并轉(zhuǎn)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(qū)動引擎對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)備的實(shí)時狀態(tài)參數(shù)，從而與控制層對應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字模型進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字設(shè)備模型的高度擬真化運(yùn)行與設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時監(jiān)測。當(dāng)數(shù)控機(jī)器人運(yùn)動時，通過OPC UA服務(wù)器對數(shù)控設(shè)備的實(shí)時運(yùn)動坐標(biāo)讀取并轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式后作為每一個運(yùn)動單位的運(yùn)動坐標(biāo)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(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與數(shù)字模型的同步運(yùn)動。根據(jù)上述內(nèi)容建立起的面向互聯(lián)的數(shù)控設(shè)備可視化系統(tǒng)如圖3所示。

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

4 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界共融的關(guān)鍵，是全球制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，生產(chǎn)設(shè)備之間生產(chǎn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通更是數(shù)字孿生技術(shù)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(shè)備互聯(lián)互通及可視化實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)解決方案并進(jìn)行驗(yàn)證。采用三維掃描技術(shù)對生產(chǎn)車間進(jìn)行模型搭建，利用OPC UA通訊構(gòu)架快速建立車間生產(chǎn)設(shè)備與數(shù)字空間的通道并建立實(shí)時數(shù)據(jù)庫，對各個生產(chǎn)設(shè)備不同格式的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行存儲與調(diào)用；基于Unity數(shù)據(jù)驅(qū)動引擎對車間數(shù)字模型進(jìn)行實(shí)時驅(qū)動；使用Vue與FastAPI作為網(wǎng)站前后端框架，結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為車間數(shù)控設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)的展示平臺，克服了設(shè)備間數(shù)據(jù)交互困難、車間生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行過程記錄繁瑣、數(shù)據(jù)記錄表達(dá)不直觀、現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)過程監(jiān)測成本較高等弊端，為生產(chǎn)車間數(shù)控設(shè)備過程監(jiān)測與優(yōu)化提供了新的方法。