基于数字孪生的车间可视化系统设计与实现

近年来，国内制造业向着智能化、可视化的方向快速发展，但普遍存在的包括数控设备间交互困难、现场设备的监测成本高、数据可视化程度低等问题并未得到有效解决。本文针对以上问题，提出了更为合理的解决方案，该系统通过数字孪生技术对真实物理设备及生产现场进行数字化建模，通过OPC统一架构进行数据采集，生产数据经过采集网关、通过MES系统处理，作为数据驱动模型的数据源，通过数据驱动引擎驱动数字孪生体，完成真实设备与孪生模型之间的同步，将数字化生产状况同步至平台实现可视化。通过生产测试，实践并验证了该系统在设备监控和生产可视化方面的优势。为企业生产车间的智能化、可视化做出了贡献。

随着互联网技术的高速发展，工业4.0 [1]、中国制造2025 [2]等概念的提出，传统制造行业正发生着根本性的变化，从传统的制造模式开始向智能制造转型升级。智能化的转变，首先体现在传统生产过程中孤立的生产设备向各设备间数据的互联互通的转变。而实际生产中，往往是不同底层通讯协议的各设备间的信息进行互联，本文提出的一种基于数字孪生概念的数控设备信息可视化系统的设计架构[3]，采用了OPC 协议[4]对服务端采集到的来自不同类型的实时生产数据进行读取、格式转换并存入实时数据库中，并通过建立数据字典(包括数控机床字典、AGV 机器人字典等)作为数字孪生模型实时驱动数据源， 使用Blender 进行孪生体的几何建模，并利用Unity 数据驱动引擎驱动孪生模型，进行实时映射，实现了从物理实体到数字孪生体的同步运行。使用了Html、Vue.js 等前端展示技术、Echarts 可视化图表、Ajax异步传输技术等进行生产大数据的图表化与可视化。最终实现了对生产流程、设备运行状态以及实时生产信息的可视化。

2. 系统架构设计 在传统工业生产的可视化平台中，通常由工业物联网平台作为系统的核心，依靠其进行生产管理、设备监控、边缘计算等工作。本文提出的架构中(见下图1)，MES 起到相同的作用[5]。作为整个系统的核心，在承担车间生产管理任务的同时，其向上层提供了支持孪生模型驱动运行的各种数据，这些数据来自于生产过程中产生的计算结果，以及从下层设备采集到的设备数据。最下层的物理层中，MES 与边缘网关间进行交互，网关主要负责解析来自不同多源异构设备的数据，统一数据格式后传递给MES。数据采集部分使用统一架构的OPC 采集协议， 利用支持该协议的传感器对来自不同品牌和厂家设备的生产数据以及孪生数据进行采集和整合，同时具有对不同底层设备提供数据驱动支持，使得不同品牌和厂家的数字生产设备的数据之间实现互联互通，包括了生产的实时数据， 例如本车间生产过程中的实时电流、电压、以及设备的物理状态数据等。

最上层可视化界面实时更新图表数据段(使用Ajax 以JSON 方式推送)、以及生产过程中的孪生单元运动同步， 通过MES 对车间的生产订单的生成、下发、销毁， 车间人员管理、设备的生产流水、使用情况、维修保养情况进行整理与记录，并根据历史数据信息向平台反馈、统计、筛选，实现报表可视化和生产优化。