孫 麗 李九博 喬文宣 張瀚文 郝留成 徐仲勛

（①大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；②大連交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，遼寧 大連 116028；③平高集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 平頂山 467001）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生這一全新的概念被提出，數(shù)字孿生技術(shù)也迎來了迅速的發(fā)展，它將建模和仿真技術(shù)提升至一個(gè)新的水平。數(shù)字孿生技術(shù)是指通過數(shù)字化技術(shù)建立虛擬世界，將物理實(shí)體轉(zhuǎn)換為虛擬模型，并且在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬和物理運(yùn)動分析等目的。工業(yè)的數(shù)字化可以被視為更高生產(chǎn)力的提升路徑，數(shù)字孿生技術(shù)也被作為“工業(yè)4.0”的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，占據(jù)著十分重要的地位[1-3]。由于企業(yè)對高端人才的需求和高要求，各大高校學(xué)生應(yīng)該了解并熟練掌握設(shè)備的實(shí)際操作。但是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備非常昂貴，且設(shè)備的維護(hù)費(fèi)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(shí)驗(yàn)設(shè)備，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行1∶1 建模，再通過Unity3D 平臺將設(shè)備按照實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行虛擬空間建立，結(jié)合PLC 控制，完成虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的聯(lián)接和實(shí)時(shí)交互，完成對工作和實(shí)驗(yàn)過程中的全生命周期的實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測[4-5]，使無法到達(dá)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的學(xué)生能夠遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備并通過屏幕查看實(shí)驗(yàn)效果。本文應(yīng)用Unity3D平臺對本校的智慧物流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了數(shù)字孿生和虛擬仿真，可為異地其他高校學(xué)生開設(shè)云實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

1 物流運(yùn)輸仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的

由于教學(xué)內(nèi)容老化，教學(xué)模式僵化，以至于物流專業(yè)學(xué)生質(zhì)量不高，物流人才數(shù)量供不應(yīng)求，主要問題表現(xiàn)在學(xué)生對于企業(yè)物流管理水平的現(xiàn)狀分析不到位、專業(yè)基礎(chǔ)不扎實(shí)、專業(yè)實(shí)踐能力較低等方面，進(jìn)而影響了物流行業(yè)的發(fā)展。高校為解決智能物流行業(yè)人才培養(yǎng)開設(shè)智能物流教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、注重實(shí)踐和應(yīng)用、能靈活變通的智能物流人才。但是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的高昂費(fèi)用，讓很多學(xué)生無法到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)操培訓(xùn)，進(jìn)而導(dǎo)致物流人才的培養(yǎng)出現(xiàn)阻礙。本文在已有的智能物流實(shí)驗(yàn)中心的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，在PC 端建立一個(gè)虛擬仿真操作系統(tǒng)，讓異地的其他高校學(xué)生可以通過遠(yuǎn)程操控和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)畫面進(jìn)行云實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)際操作的培訓(xùn)學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 智能物流實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)狀

本智能物流實(shí)驗(yàn)室將設(shè)備總電源打開后，在中央控制臺處設(shè)有緊急制停按鈕，當(dāng)貨物放置傳送帶上，運(yùn)送到入庫口時(shí)，被設(shè)有的掃描儀掃描貨物二維碼并記錄，再通過堆垛機(jī)將貨物放置在貨架上并記錄入庫位置。將堆垛機(jī)控制柜內(nèi)的開關(guān)調(diào)至手動擋，通過控制柜上的方向按鈕控制堆垛機(jī)和插板的移動；將堆垛機(jī)調(diào)至自動擋，通過堆垛機(jī)物流設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行出入庫和調(diào)庫工作，如圖2 所示。貨物出庫后通過掃描儀進(jìn)行分揀，進(jìn)入不同傳送帶，再通過AGV 搬運(yùn)到倉儲位置。完成整個(gè)工作流程后，進(jìn)行復(fù)位，堆垛機(jī)回到標(biāo)準(zhǔn)位置，輸送鏈停止工作，物流實(shí)驗(yàn)室實(shí)物如圖3 所示。

圖2 堆垛機(jī)物流操作系統(tǒng)

圖3 智能物流實(shí)驗(yàn)室實(shí)物圖

1.3 仿真系統(tǒng)技術(shù)研究

根據(jù)智能物流實(shí)驗(yàn)中心已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對技術(shù)路線進(jìn)行分析，要實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的建立，需要完成1∶1 設(shè)備模型和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建立，并通過對設(shè)備的控制和通信完成信息的虛實(shí)交互。最后通過鍵盤、鼠標(biāo)和屏幕的實(shí)現(xiàn)效果展示，實(shí)現(xiàn)對完整智能物流實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)學(xué)習(xí)。虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)路線如圖4 所示。仿真系統(tǒng)主要應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)包括三維建模、虛擬環(huán)境及動畫制作、運(yùn)動分析、PLC 與Unity3D 的通信等。

圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 三維模型建立

根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)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(shí)際運(yùn)動的部分可以進(jìn)行簡易繪制，所建模型如圖5 所示。

圖5 堆垛機(jī)三維模型

針對較為復(fù)雜的模型可以進(jìn)行輕量化處理，將建好的模型導(dǎo)入3DMax 中，對模型進(jìn)行優(yōu)化貼圖等工作，也可以對模型的點(diǎn)面進(jìn)行縮減，以減少存儲體積和后續(xù)開發(fā)的數(shù)據(jù)處理量[6]。而對于既影響模型運(yùn)動又不容易獲得數(shù)據(jù)建模的細(xì)小零部件，可以通過3D 掃描儀進(jìn)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(jìn)行修補(bǔ)，將掃描模型進(jìn)行點(diǎn)云導(dǎo)出，再將模型點(diǎn)文件導(dǎo)入Geomagic Wrap 軟件，對模型進(jìn)行修補(bǔ)，并且對其點(diǎn)面進(jìn)行減噪、縮減處理，完成模型的輕量化，使其進(jìn)行的點(diǎn)云處理數(shù)據(jù)量減少，如圖7 所示。完成模型修補(bǔ)后，進(jìn)行封裝導(dǎo)出模型。

圖7 Geomagic Wrap 修補(bǔ)掃描模型

2.2 虛擬環(huán)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(zhuǎn)為相應(yīng)格式并導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 中，根據(jù)實(shí)際場地中設(shè)備的位置進(jìn)行擺放，并對虛擬工作空間的周圍環(huán)境進(jìn)行繪制，例如墻面的建立、貼圖等，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備擺放如圖8 所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物

針對不同模型的不同運(yùn)動狀態(tài)對其進(jìn)行父子層級的定義，保證在固定的層級關(guān)系下完成目標(biāo)動作，完成虛擬環(huán)境的搭建，虛擬環(huán)境建立如圖9所示。

圖9 虛擬環(huán)境建立

2.3 實(shí)時(shí)運(yùn)動仿真實(shí)現(xiàn)

在Unity3D 中完成虛擬環(huán)境搭建后，對已有的設(shè)備模型進(jìn)行運(yùn)動分析，確認(rèn)設(shè)備之間的運(yùn)動關(guān)系；根據(jù)設(shè)備的運(yùn)動路線和動作進(jìn)行代碼的編寫，如移動、旋轉(zhuǎn)、選取以及抓取等動作，進(jìn)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(guān)鍵代碼如下：

?

2.4 碰撞及運(yùn)動分析

該仿真系統(tǒng)不僅包含實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還涉及實(shí)驗(yàn)環(huán)境等。完成三維模型建立后，需要對真實(shí)設(shè)備實(shí)際的操作和運(yùn)行動作，進(jìn)行運(yùn)動分析；并對任意零件之間發(fā)生接觸時(shí)的相互作用進(jìn)行分析，即模型與模型之前發(fā)生干涉碰撞。該系統(tǒng)中對發(fā)生碰撞的零部件進(jìn)行分析，在Unity3D 平臺中設(shè)置為剛體并通過碰撞器對剛體間的碰撞關(guān)系進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)檢測到相關(guān)工作模型與目標(biāo)模型接觸后，便會執(zhí)行程序使運(yùn)動發(fā)生限制，智能停止當(dāng)下運(yùn)動或轉(zhuǎn)變運(yùn)動方向，如圖10 所示。

圖10 碰撞器設(shè)置

2.5 界面控制按鈕設(shè)計(jì)

通過Unity3D 的UGUI 模塊對虛擬仿真系統(tǒng)的UI 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過使用包括面板和按鈕的幾個(gè)組件，創(chuàng)建一個(gè)基本的操作界面。在UI 界面的按鈕上添加碰撞器，結(jié)合C#的代碼完成對系統(tǒng)中設(shè)備的控制，通過鼠標(biāo)完成實(shí)驗(yàn)的交互操作，如圖11 所示。

圖11 按鈕界面設(shè)計(jì)

2.6 PLC 編程

仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅要完成虛擬環(huán)境下的動畫運(yùn)行，還要完成PLC 編程與Unity3D 的通信，所以要針對實(shí)際設(shè)備的運(yùn)動的PLC 控制進(jìn)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(shí)現(xiàn)

為了虛擬仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的控制，就要完成Unity3D 虛擬平臺可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地接受PLC數(shù)據(jù)信號，需要對Unity3D 與PLC 進(jìn)行虛擬聯(lián)調(diào)。通過博圖軟件與Unity3D 的通信來解決這個(gè)問題[7]。首先，通過S7-PLCSIM Advancde 軟件作為虛擬機(jī)對已經(jīng)編好的PLC 邏輯控制程序以及外部通信進(jìn)行仿真。首先設(shè)置網(wǎng)卡的IP 地址和子網(wǎng)掩碼，將完成的PLC 程序下載到虛擬機(jī)中去，然后啟動仿真。

3 物流運(yùn)輸仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

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

3.1 實(shí)驗(yàn)動態(tài)仿真

本系統(tǒng)是在Windows11 系統(tǒng)下開發(fā)，采用Unit3D進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用C#語言，選擇Mysql8.0.25 作為數(shù)據(jù)庫存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。

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

圖13 系統(tǒng)操作界面按鍵

（2）通過想要實(shí)現(xiàn)的操作，利用操作界面的按鍵，完成目標(biāo)設(shè)備的技術(shù)動作，例如堆垛機(jī)進(jìn)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(jī)工作

（3）使用者完成物流運(yùn)輸?shù)膶?shí)驗(yàn)操作后，點(diǎn)擊停止按鍵結(jié)束設(shè)備工作，點(diǎn)擊退出按鍵后退出仿真系統(tǒng)，完成虛擬仿真系統(tǒng)的使用[8]。

對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的動作和智能物流實(shí)驗(yàn)中心的設(shè)備動作進(jìn)行計(jì)時(shí)，仿真結(jié)果見表1。

表1 設(shè)備實(shí)際動作和模型虛擬動作對比

由表1 中動作耗時(shí)對比，可以得到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與智能物流中心實(shí)際設(shè)備動作的延遲約為2 s，可以滿足物流操作系統(tǒng)的教學(xué)任務(wù)。

通過數(shù)字孿生技術(shù)建立的云實(shí)驗(yàn)平臺，仿真模型可以完成實(shí)體模型的動態(tài)仿真，動態(tài)仿真的數(shù)據(jù)來自智能物流實(shí)驗(yàn)中心設(shè)備的物理設(shè)計(jì)模型，還有設(shè)備上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)，以及設(shè)備多次運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，即可以完成實(shí)驗(yàn)仿真和工作過程的全生命周期的實(shí)時(shí)監(jiān)測[9-10]。如果需要做實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)改動，或者想要知道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在特殊外部條件下的反應(yīng)，也可以在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)”。這樣既避免了對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的影響，也可以提高效率。

3.2 多并發(fā)用戶操作安全問題

為了解決大量學(xué)生同時(shí)登錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并保證安全性，選擇Mysql8.0.25 作為數(shù)據(jù)庫，將實(shí)驗(yàn)人員的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，使用AES 加密算法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密以確保實(shí)驗(yàn)人員數(shù)據(jù)的安全性，同時(shí)通過CP-ABE 加密算法對AES 密鑰進(jìn)行加密，使AES 密鑰在傳輸過程當(dāng)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(shù)據(jù)發(fā)送方所構(gòu)建訪問策略的實(shí)驗(yàn)人員才能完成AES密鑰的解密，完成AES 密鑰的解密后進(jìn)一步完成數(shù)據(jù)的解密，從而保障了仿真系統(tǒng)使用過程中的安全性。

4 結(jié)語

本文主要針對智能物流實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行研究，包括傳送裝置、堆垛機(jī)等設(shè)備，通過Unity3D、3DMax、S7-PLCSIM Advancde 等軟件對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行處理，最后基于Unity3D 平臺完成了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過該物流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以有效解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，異地高校學(xué)生無法得到有效實(shí)操教學(xué)的問題，可以一定程度實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的共享，讓異地其他高校的學(xué)生完成相同的教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，通過此種交互操作的方式，也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，虛實(shí)交互融合的技術(shù)會愈加深入，本次實(shí)驗(yàn)通過基于Unity3D 的物流運(yùn)輸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究，在面對未來虛實(shí)交互技術(shù)的探索也有著研究基礎(chǔ)和參考價(jià)值。