基于虚拟现实技术的数字化工厂仿真与优化研究

李世强 刘皓若 詹鑫毅

摘 要：计算机技术的快速发展，使得越来越多的企业进入信息化生产管理时代。虚拟现实技术和数字化工厂作为企业信息化建设的重要组成部分，已被越來越多的企业所接纳，并在其中发挥了重要的经济效益。本文基于虚拟现实技术，对数字化工厂进行了的布局仿真、工艺规划、物流仿真3个模块进行了分析，并构建了仿真模型，并提出了优化方案。通过实验仿真，对生产车间各设备利用率和成品数量进行了对比分析。仿真结果表明，优化后的方案提高了车间的实际生产能力和生产效率，节约了投资的成本，由此证明该优化方案的有效性。

关键词：虚拟现实技术;数字化工厂;车间布局仿真;物流仿真

中图分类号：TP391.9                         文献标识码：A                      文章编号：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世纪以来，随着计算机仿真技术的日益发展，虚拟现实技术和数字化工厂技术在制作业中的应用越来越广泛。作为现代企业信息化建设的重要组成部分，虚拟现实技术和数字化工厂技术为企业带来了巨大的经济效应。虽然我国的虚拟技术和数字化工厂技术起步较晚，但步伐迅速，诸多学者对其进行了大量的研究。2018年，王圣洁结合虚拟现实技术与博物馆展示，构建了更好的博物馆参观体验[1]。2019年，薛磊、隋文结合数字化工厂，对裂解炉进行了设计模型化，提高了设计的质量和效率[2]。本文在此基础上，应用基于虚拟现实技术对数字化工厂进行了仿真与优化，重点对数字化工厂进行了的布局仿真、工艺规划、物流仿真3个模块进行了分析。

1 相关技术理论

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术（VR）是一种结合人工智能技术、传感器技术与计算软硬件技术的全新技术，具有人类所拥有的一切感知功能。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、构想性等特征，根据技术分类可分为沉浸虚拟现实技术、桌面式虚拟技术、增强显示技术、分布式网络虚拟技术4种类型。

沉浸式虚拟现实技术主要通过多媒体、仿真等技术模拟显示环境，并通过VR眼镜实现人机交互。桌面式虚拟技术强调操作系统桌面化，主要实现方式是投影、投屏等方法结合不同位置的图像，建立起图像之间的联系，是用户实现对虚拟物体的打开、关闭等操作。增强现实技术是在虚拟现实的基础上对实际物体进行操作，通过虚拟模式可以实现对实物物品的解析，是一种虚拟与现实结合的一种模式。分布式网络虚拟技术是通过网络让不同参与者加入进来，对实验环境进行远程模拟的操作。用户只需要通过移动鼠标和键盘，即可实现对实验环境中的物体进行拖拽、移动等操作。

1.2 数字化工厂

数字化工厂即根据实际产品的相关数据，利用虚拟显示技术和计算机仿真技术构建一个虚拟工厂环境，在这个虚拟环境中，需要完成整个產品包括设计、制造等生产过程的模拟、优化和重组，以预测实际生产产品的可制造性和潜在问题。数字化工厂不仅解决了企业内部的生产问题，同时还加强了企业和外部实物的联系，实现了对企业的有效管理。

数字化工厂的规划流程因产品类型不同而划分的层次不同。一般而言，在进行数字化工厂仿真过程中，数字化工厂可分为工厂车间层、生产线层、加工单元层、加工操作层四个层次。其中，工厂车间层是对车间机器和其他设备进行布局仿真;生产线层主要是用于判断生产能力是否达到设计要求等;加工单元层的主要功能是检查各设备之间是否存在冲突和干扰;加工操作层主要是对工步可行性分析。

数字化工厂系统功能模块包括工厂布局、工艺规划、仿真优化，如图1所示。

工厂布局包括厂房布局设计、设备布局、工装夹具布局。合理的工厂布局可以提高设备的使用效率，降低物料运输费用。工艺规划即对产品加工工艺和装配工艺进行规划。仿真优化是对生产线进行物流仿真，并对工艺规划方案进行验证。

2 仿真建模

2.1 数字化工厂布局仿真

数字化工厂布局仿真可以真实再现企业的整体规划布局，能清晰地反映生产现状。本文主要对数字化工厂平台的二维工艺布局、三维建模和模型处理、三维布局落位、三维评审进行设计。具体设计步骤和流程如图2所示。

二维工艺布局是三维布局仿真的基础，通过三维布局可以实现对二维工艺布局的布局仿真。二维工艺布局首先需要确定该区域的工艺流程，然后对车间进行调研，并根据工厂制定的预计产能计算出设备和工装数量，最后确定采购计划。三维建模和模型处理即应用建模工具对二维布局的工装、设备等进行实体建模。三维布局落位即按照二维布局的将各个元素模型进行精确定位并摆放。三维评审即相关工作人员对模型的规划效果进行分析和修改，实现最优方案。

通过对数字化工厂的布局进行仿真，提高了布局的直观性、经济型和效率性，为采矿机生产车间物流仿真建模奠定了基础。

2.2 生产车间物流仿真建模

生产车间是大件生产车间，包括电控箱体、摇臂壳体、机械加工等。由于其关键零件流程复杂，需要建立车间生产线仿真模型，具体实施如图3所示。

车间生产线模型的构建，首先需要建立ProE三维模型，然后在QUEST中对需要进行修改的文件进行修改并保存，得到生产车间物流仿真的静态模型，如图4所示。

2.3 仿真参数输入

在实际生产过程中，各工序、各设备所需的加工时间和节拍构成了此次仿真的参数。其中，生产各环节的节拍和输送设备参数如表1所示，物流设备的主要参数如表2所示。

在仿真模型中，只需将表1、表2的数据输入Cycle Process Definition即可。

3 仿真结果分析与优化

3.1 仿真结果分析

针对生产车间物流仿真结果，本文从AGV数量、设备产能、瓶颈3个方面进行分析，得到如下分析结果。

首先，当AGV数量为1时，AGV小车的利用率仅有75%，因此存在某些工位已加工的零件不能及时送往下一个工序，进而降低了车间的生产效率。当AGV数量为2时，车间的成品数量不会再发生改变，说明该数量能满足车间的生产需要。因此，可以得出当前生产车间使用2辆AGV小车最为合适。AGV数量变化与产品成品总数的变化如图5所示。

其次，通过对仿真结果中的数据进行整理分析，可得到如图6所示的各产品在生产过程中经过各道工序的生产能力统计图。由图可知，第七道工序到第九道工序间，牵引壳体、摇臂壳体等产品数量均呈现下降趋势，说明这几处的设备产能跟不上生产的整体节拍。

最后，本文从设备利用率、关键工序在制品两个方面对生产线的瓶颈进行了仿真实验得到如图6所示的设备负荷情况。由图6可知，设备利用率最高的是电控箱第一次组，行走精镗组、划线平台等，其利用率均在95%以上。由图7可知，划线台、喷丸线两处在进行仿真运行后，在制品数量持续增大，则说明确划线和喷丸工位是该车间的生产瓶颈。

3.2 优化设计

从车间布局可以看出喷丸生产线上存在一个空闲区域，若在该区域安排其他生产工位可提高采矿机生产车间的整体效率。经研究发现，再建一条喷丸和喷底漆的生产线，可使整个车间利用率最大化。当两条生产线同时工作，可以保证该处不会出现堆积等待的现象。优化前后的各设备利用率变化、关键设备在制品量如表3～4所示。

由上述结果可知，经过优化调整后，划线台和喷丸这两处的生产线基本上没有出现没有出现在制品堵塞的情况，说明该两处的设备负荷得到了较大的缓解，车间设备的利用率得到了有效地提升，避免了资源的闲置和浪费;4种产品的成品数量相较于优化调整前的成品数量都有所提高，能满足产能的要求，且成品数量随着时间的增加呈现出有规律的增长，证明了该优化方案的有效性。

4 结语

数字化工厂是现代企业进行信息化建设的重要组成部分，车间的仿真布局和物流仿真是实施数字化工厂的必要环节。本文应用虚拟现实技术，对数字化工厂进行了的布局仿真、工艺规划、物流仿真3个模块进行了分析，并构建了仿真模型。同时，针对仿真模型中存在的问题提出了优化方案。最后，对优化前后各设备利用率和成品数量进行了对比分析。实验结果表明，优化后的方案提高了车间的整体生产能力和生产效率，节约了投资的成本，由此证明该优化方案的有效性。

参考文献

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[2]薛磊，隋文.裂解炉全炉设计模型化及数字化工厂应用[J]石油化工设备技术，2019（01）：27-29.

[3]宋杨杨，陈校云，张曙欣，等.虚拟现实技术在我国康复医学领域中的研究进展[J].中国医疗设备，2019，34（01）：128-132.

[4]何聚厚，梁瑞娜，韩广欣，等.基于虚拟现实技术的深度学习场域模型构建研究[J].电化教育研究，2019，40（01）：59-66.

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