基于数字孪生技术的车间三维可视化管理研究

刘百辰

摘  要  现如今，我国已经步入了信息化时代，工厂生产车间也必须紧跟时代发展的步伐，建设自动化的生产流水线，从而在保证生产质量的前提下提升生产效率，帮助企业扩大生产规模，提升企业的经济效益。基于数字孪生技术的车间三维可视化管理研究，对于提升管理效率与管理质量、帮助车间实现数字化生产方面具有十分重要的现实意义。

关键词  数字孪生技术；工业物联网；三维可视化管理；生产车间；自动化生产线

中图分类号：G712    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）13-0041-03

0  引言

在自动化生产流水线发展过程中，部分工业企业由于信息技术水平较低，无法针对自动化生产流水线实现有效的管理，管理系统之间、管理系统与模块之间缺乏有效的信息交互手段，无法实现对生产车间运行的全流程监控，生产过程透明化程度不高，致使生产车间自动化生产线监控与管理无法得到有效的落实。而孪生网络技术的研发与推广给我国工业领域带来了广阔的发展前景，将其应用于生产车间的管理当中，建立三维可视化管理系统，可有效提升管理效率与管理质量，帮助车间实现数字化生产。

1  基于数字孪生技术的车间三维可视化管理理论

1.1  三维可视化管理系统需求分析

若想实现三维可视化管理，必须明确管理目标。车间三维可视化管理目标主要包括五个方面的内容。

第一个为生产车间的人员，是指整个生产流程中涉及的全部工作人员，指标包括人员的工作状况、作业状况及操作状况，确保工作人员能够完全按照规定的要求进行工作，加强人机交互安全监控，确保生产流程有序进行。

第二个为机械设备的管理。机械设备是生产车间的重要工具，其运行状况直接决定生产效率与生产质量，进而影响企业的经济效益，因此，在三维可视化管理系统中，必须重视对机械设备的管理，不仅需要加强对生产制造产品所用设备的监管，还需要对辅助型设备进行管控，为生产设备提供良好的运行环境。而在三维可视化管理系统中要实现对设备的可视化管理，就必须对设备的运行状况进行实时监控，包括开机总时长、加工件数及设备异常数据等。

第三个为生产物料的管理。生产物料是实现生产加工的基础，对物料的管理主要体现在对物料存储的管理和对物料使用情况的监督。

第四个为对生产工艺方法的管理。生产工艺及生产方法直接决定着产品的质量，在车间三维可视化管理系统当中，必须加强对生产工艺及生产方法的管理，确保自动化生产线能够完全按照规定的流程及要求进行生产，从而才能够保质、保量地完成生产。

第五个为对生产环境的管理。部分产品对生产环境的要求较高，需要合适的温度、湿度及压强等，因此，在车间三维可视化管理系统中需要重视对生产环境的管理[1]。

1.2  基于数字孪生技术的车间三维可视化管理理论模型

近年来，伴随着我国计算机技术的发展，数字孪生技术也得到了快速的发展，现阶段，在医疗、电力、城市建设等诸多领域中均会使用数字孪生技术。数字孪生技术会构建两个完全相同的实体，其中一个实体放置于检测目标区域，称之为物理实体，而另一个实体放置于研究区域，称之为孪生体，研究人员观察并控制孪生体而检测物理实体的运行状态。而基于数字孪生技术的三维可视化管理模型主要应用的是经典数字孪生概念模型，经典数字孪生概念模型主要由三部分构成，分别为虚拟空间的虚拟产品、虚实空间之间的信息交互结构和物理空间的物理实体，通过研究仿真的过程探究物体实体的实际运行状态。也就是说，基于数字孪生技术的车间三维可视化管理模型中，物理实体为车间自动化生产线上的设备、物料等，而孪生体便是虚拟的仿真过程，通过分析相关数据设备的实际运行参数，可以利用虚拟空间映射实体实际的运行状况。通过对虚拟空间的监控及相关数据的分析，相关工作人员能够及时发现自动化生产线存在的问题，从而制定相应的预防方案和解决措施，确保自动化生产线能够正常、稳定地生产和加工，从而进一步提升车间的管理水平，实现自动化生产全流程的可视化管理[2]。

2  基于工业物联网平台的车间数据采集技术

若想实现对车间的三维可视化管理，就必须对车间运行的相关数据进行分析，并以运行参数为主要依据探究车间自动化生产线的运行状态，从而实现对车间的可视化管理。而实际上，车间自动化生产线运行过程中会产生大量的数据，而如何在庞大、复杂的数据中提取有效的孪生数据则是车间三维可视化系统构建首先要考虑的问题。

2.1  车间数据分析

2.1.1  对车间数据的特点进行分析

总体而言，车间数据具有四个特点，即数据体量大、数据类型多样、数据更新快、数据价值密度低。当前，机械化生产基本取代了传统的人工生产，各类新型机械设备，如数控机床、工业机器人被应用于车间生产加工中，自动化流水线生产被广泛应用，车间生产效率大幅度提高、生产量大幅提升。而与此同时，車间生产过程中产生的数据越来越多且越来越复杂，数据体量迅速增加，数据更新的速度越来越快。且在自动化生产线中涉及的机械类型较多，不同加工手段、工序会使用不同的设备，而不同设备所产生的运行数据不同，这就使得车间产生的数据具有多样性的特点。为了能够满足数据收集的需求，就必须提高数据信息材料的收集效率，通常情况下，工业企业均会较高频率地采集数据，以契合信息速度更新快的特点。此外，由于设备在运行过程中产生的数据本身维度较多，且各类数据存在的关联性较低，数据价值密度较低，这就使得无用信息较多，若采用单一的方式进行数据信息的收集，则难以实现信息数据的有效利用。而数字孪生技术这种基于孪生网络的数据收集方式能够减少数据维度，在复杂且庞大的数据网中寻找关联性数据，在保证数据信息真实性与准确性的同时也能够提高数据信息的采集效率[3]。

2.1.2  从数据类型的角度来分析

车间生产过程中产生的数据主要包括三类，分别为静态数据、动态数据和中间数据，如图1所示。静态数据是指产品生产加工过程中的附属信息，通常情况下，静态信息是固定的，如设备的型号、种类等，通常由工业企业上游供应商提供的，虽然这些数据信息对产品的生产加工效率与质量并不会产生直接的影响，但其仍然是车间三维可视化管理系统中的重要参数，加强对其的监控能够促进生产工艺的顺利完成，同时也能够为动态数据信息提供一定的参考。动态数据是车间生产运行过程中产生的最重要的数据信息，能够直接反映产品的生产加工质量及效率，若想实现对车间三维的可视化管理，就必须注重对动态数据的使用。动态数据是指自动化生产线在生产加工过程中产生的随零件的变化而变化的数据信息，如在生产过程中添加的物料、生产的时长、零件的尺寸等信息，随着自动化生产线的运行而实时改变。在进行车间三维可视化系统的构建时，需要重视动态数据的实时性，为生产线的实时仿真提供数据支持，并能够直接掌握车间运行的状况。通过动态数据的监督，能够发现并预测机械设备存在的运行故障或生产工艺及流程中存在的问题，以便于相关工作人员及时进行维修或制定相应的解决方案，从而保证设备运行的安全性与稳定性，确保产品生产加工的质量。中间数据是指第三方管理平台对动态数据、静态数据分析出的结果，是车间运行状态的重要表征，同时也是与车间三维可视化管理系统进行对接的重要数据。

2.2  基于工业物联网平台的车间三维可视化系统数据流

工业物联网是现阶段我国工业领域发展过程中必须使用的平台，能够实现设备的接入、数据的管理和系统的集成，是帮助车间利用数字孪生技术构建三维可视化管理系统的重要平台，同时也是促使工业企业面向数字化、智能化的现代工业技术。首先，工业物联网具备设备接入能力强的优势。通过平台集成的工业网关、中间件、嵌入式操作系统等成熟产品和解决方案，可快速实现平台与资源的连接，从而实现对设备、软件、人员、环境等各类生产要素数据的全面采集。其次，工业物联网具备完善的数据信息服务功能。在车间三维可视化管理系统中数据应用情景主要包括两部分，基于实时数据为虚拟车间提供数据驱动和基于历史数据为监控系统提供决策支持。最后，工业物联网具备系统开发效率高的优势。工业物联网平台通过将技术、知识、经验等资源固化为可移植、可复用的工业微服务组件库，为开发者屏蔽了设备连接、软件集成与部署、计算资源调度的复杂过程，只需专注于系统功能的设计，显著提高了系统的开发效率[4]。

3  基于数字孪生技术的车间三维可视化管理系统的设计与实现

3.1  生产车间概述

为了更好地研究基于数字孪生技术的车间三维可视化管理系统的构建，选择以某生产车间为例，该生产车间主要生产的产品为印章。该车间主要利用移动机器人进行材料及产品的搬运，先将选择好的印章款式录入自动化生产系统，并在系统中生成加工任务，随后根据加工任务在仓库出料，经过数控技术的塑形和精雕机的雕刻后由移动机器人搬运并装配入库，入库后需要根据厂家对产品数量的要求进行出库。该工厂的自动化生产线主要运用的是PLC控制系统及CNC控制系统。

3.2  系统开发平台

该工厂先采用Creo三维软件作为模型创建的平台，利用该系统构建一个印章生产加工全流程的三维可视化模型。随后，利用3D Max软件进行模型的渲染，提升模型的真实感，同时该系统还支持模型的导出，以便于相关工作人员进行分析。该工程利用ThingWorx作为工业物联网平台，利用Unity 3D建立虚拟场景，将该场景作为孪生生产加工流程，从而实现对车间的可视化管理。

3.3  系统硬件组成与开发流程

首先，对车间自动化生产线的相关生产及运行的数据进行分析，构建三维结构参数，并将参数导入Creo三维软件当中，建立一个3D模型，并利用3D Max软件对模型进行渲染处理，从而完成对模型的预处理。同时，在自动化生产线上安装传感器，获取生产设备的运行参数，实现生产动态数据的采集，随后将动态数据、静态数据及中间数据传入自动化生产线的数据库当中，并对数据进行分析。随后，数据分析结果与完成预处理的模型一同传输至三维可视化管理系统当中，实现对三维场景的管理、射线的检测、碰撞的检测、视点漫游、虚拟场景UI设计及数据的绑定，从而完成虚拟生产流水线的制作，实现对自动化流水线的仿真，并将生產流水线集成三维可视化的人机界面，相关工作人员便可利用人机界面对生产流程进行监控。

3.4  系统总框架

基于数字孪生技术的车间三维可视化管理系统的总体框架主要包括四个部分，分别为物理层、孪生层、平台层、应用层。物理层主要是生产过程中所涉及的所有关键设备，包括车间的工作人员、物料、设备、流程及环境等，这些物理实体是客观存在的，是实际生产过程中的主要因素。孪生层是构建的三维可视化模型，该模型利用人机交互界面展示给相关工作人员，实现生产车间的真实映射，虚拟模型将会还原物理实体的尺寸、形状等三维结构与运动方式等逻辑功能，使得相关工作人员能够掌握车间的生产状况。平台层是指实现数据处理的平台，包括数据的收集、处理、转化与传输，能够将物理实体在生产过程中产生的信息映射至虚拟仿真环境中，实现生产状态与生产过程的监控与管理[5]。应用层是指前端展示维，能实现数字孪生和三维虚拟监控。

4  结束语

综上所述，数字孪生技术在车间三维可视化管理中具有十分重要的应用价值。伴随着近年来我国工业领域的发展，自动化生产线在工业车间内被广泛应用，而这也就说明车间生产对信息技术的要求越来越高。数字孪生技术能够满足自动化生产线对信息技术的需求，通过构建三维可视化管理系统，实现对物理车间的生产进行监控，从而帮助管理人员直接掌握自动化生产线的运行状况。

5  参考文献

[1] 晨曦，王宁.工业AR：让专家通过远程指导与现场“零距离”互动：对话阿依瓦（北京）技术有限公司CEO杨卫国[J].中国设备工程，2021（17）：3-6.

[2] 田申，甘芳吉.数字孪生技术在实验室建设中的运用研究：以物联网专业为例[J].实验技术与管理，2021（7）：30-35.

[3] 胡子豪，王万军，徐勇.铜冶炼行业电解车间智能信息化综合管理平台设计[J].安徽科技，2021（8）：46-49.

[4] 杜小峰.在化工行业中安全可视化管理措施的有效应用[J].粘接，2019（7）：149-152.

[5] 高昀稷.生产线数字孪生仿真技术研究[D].南京：南京理工大学，2021：10-11.