CN116414081A - 一种基于数字孪生的智慧车间实时监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字孪生的智慧车间实时监控方法。本发明基于数字孪生理论模型，以工业物联网平台作为***服务平台，构建了基于数字孪生的车间三维可视化监控***六维模型，包括物理车间维度、虚拟车间维度、工业物联网平台服务维度、孪生数据维度、前端展示维度以及连接维度，并介绍了三维可视化监控***开发流程，然后在此基础上对***开发中的孪生数据采集、虚拟车间构建、数据实时映射等关键技术进行了阐述。针对车间数据采集困难的现状，提出基于工业物联网平台的孪生数据采集方法，为车间三维可视化监控的实现提供了解决方案。
Description
技术领域
本发明属于智能制造领域，具体为一种基于数字孪生的智慧车间实时监控方法。
背景技术
随着信息技术的发展和工业化进程的持续推进，制造业自动化、信息化水平不断提高，越来越多的制造企业采用自动化生产线的方式从事生产制造活动。自动化生产线大量的投入使用能够满足大批量产品的生产，显著提高了企业的经济效益；但是，一方面由于信息化管理水平不高，企业缺乏快速有效的手段管理、监控车间的运行状态，另一方面由于目前市面上的管理***种类多，管理***之间、管理***与控制***之间缺乏有效的信息交互手段，生产过程的透明化很难实现。传统的车间监控方式以人工记录、二维报表、组态监控等方式为主，实时性和可视化效果较差。
数字孪生也称为数字镜像、数字映射或者数字双胞胎。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
数字孪生技术在电力、汽车、医疗、船舶、城市建设、交通规划等多个领域中展现出越来越大的应用潜能，数字孪生技术成为实现信息物理***的关键技术，但是由于缺乏通用的数字孪生理论模型和构建方法，阻碍了数字孪生在相关领域的应用。目前，数字孪生理论模型有经典数字孪生概念模型、数字孪生五维模型、CPS5C模型、C2PS模型等，这些理论模型可概括为数据、模型、服务三大核心要素，车间三维可视化监控***需求与其一致。
目前围绕车间三维可视化监控难题，以取得一定研究成果，如已实现车间数据采集及车间事件建模；车间可视化监控由二维向三维转变，能够提供更多的车间信息，提高监控透明等。但是同样存在一些问题，如可视化监控***开发门槛高、开发效率低、***可移植性差、监控方式单一，不能很好地反映车间制造状态；缺乏监控***理论模型。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明面向车间制造过程，提出一种基于数字孪生、以工业物联网平台作为数据总线、能实时动态展示生产过程的车间三维可视化监控***。解决了车间监控***监控透明度低、方式单一、实时性差等问题，满足了对生产线的实时高透明度的多元化监控，实现了车间制造资源的管控一体化。
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种基于数字孪生的智慧车间实时监控***，建立以下六个维度，获取数字孪生的车间三维可视化监控六维模型：
物理车间维度，物理车间是车间环境以及产线设备的实体集合，接收上层服务***下达的生产任务，按照虚拟车间仿真优化后的预定义的生产指令，执行生产活动并完成生产任务；
虚拟车间维度，通过三维建模描述物理车间的几何参数与模型动作关系，使其与物理车间具有时空一致的孪生映射；
服务维度，定义监控实现过程所需服务的集合，用于向物理车间维度、虚拟车间维度、孪生数据维度、前端展示维度提供服务；
孪生数据维度，用于存储物理车间维度数据与虚拟车间维度数据，向其他各维度提供数据存储和查询调用；
前端展示维度，用于向用户展示所有的监控内容；
连接接口维度，是各维度互相通信的接口，包括：物理车间与虚拟车间的连接，物理车间与孪生数据的连接，孪生数据与前端展示的连接，前端展示与虚拟车间的连接，工业物联网平台与各维度的连接。
所述的物理车间维度按照功能及结构分为设备级、单元级、产线级和车间级四个层次。
所述的虚拟车间维度包括采用模型渲染、虚拟现实建模并对几何模型进一步优化：添加灯光、材质、特效使物理车间具有真实的质感，用于与前端展示维度之间通过人机交互界面设计、外部输入事件响应实现场景漫游。
所述的服务维度是主要由工业物联网平台、三维建模软件、虚拟现实开发软件实现，根据应用需求的不同将服务分为：功能***和业务***；
功能***包括：
面向虚拟车间提供的模型服务，包括模型构建、模型渲染、虚拟场景搭建、以及基于实时数据的模型驱动；
面向数字孪生维度提供的数据管理服务，包括数据存储、数据清洗、数据封装、数据挖掘、数据融合、数据分析；还用于通过标准数据库接口将实时数据存储到孪生数据维度中，同时服务维度调用孪生数据维度中历史数据进行数据统计分析和计算；
面向连接维度提供连接服务，包括接口服务、协议服务；
业务***，为面向前端展示维度提供的服务，包括：面向车间管理人员提供多种形式的监控手段：监控大屏、增强现实眼镜、智能移动设备。
所述前端展示维度包括：三维虚拟场景模块、状态看板模块、以及实时视频模块和增强现实模块；
所述三维虚拟场景模块，接收物理车间与虚拟车间的连接接口提供的数据，以三维虚拟场景模块作为监控方式，从物流、设备、产品三个方面对车间制造过程实现可视化管控；
所述状态看板模块，用于展示各生产资源的实时和统计信息；
所述实时视频模块，用于通过布置在现场的多个工业摄像头，实现对车间关键节点的实时、直观的监控；
所述的增强现实模块，用于通过三维建模、实时跟踪注册、智能交互、传感器将虚拟信息叠加于真实世界，从而实现设备内部运动状态的直观展示。
所述连接接口维度包括：
物理车间与虚拟车间的连接接口，用于实时采集物理车间的数据，并将数据传输至虚拟车间对应的模型中；
物理车间与工业物联网平台服务维度的连接接口，用于利用标准软件接口实现物理车间与工业物联网平台服务维的双向通信，实现数据采集、传输、存储；
物理车间与孪生数据的连接接口，用于利用传感器、数据采集设备、通信协议实时采集物理车间维度数据，并传输至孪生数据维度；
虚拟车间与工业物联网平台服务维度的连接接口，用于利用标准软件接口实现虚拟车间与工业物联网平台服务维度的双向通信，实现基于实时数据的模型驱动；
孪生数据与前端展示的连接接口，是指通过TCP/IP、UDP网络通信方式按照服务维度提供的对应服务，实现前端展示与孪生数据之间的数据交互。
所述虚拟车间维度还包括：建立车间生产***作业模型，用于描述车间动态行为，发送给前端展示维度进行可视化监控展示；
采用运行逻辑建模方法描述生产***作业逻辑，通过将车间制造过程孪生数据转化为相应的车间事件，驱动设备状态的改变以及工件在不同工位间的流转，实现物流的实时映射；
采用虚拟模型构建方法建立虚拟车间；采用事件驱动实现物流的实时映射；采用模型驱动实现设备的实时映射；
根据物流实时映射、设备实时映射结合工艺流程，实现产品的实时映射。
设备级数据包括协议数据和传感数据，在物理车间维度使用工业物联网平台作为数据总线；以高频无源RFID采集物料信息，利用OPC协议和设备软件开发工具包结合远程过程调用协议实现设备数据的采集；
基于分布式文件***、NoSQL数据库、关系数据库、时序数据库管理引擎实现在孪生数据维度进行车间数据的分区选择、存储、编目与索引；
基于REST FUL架构的GET方法，实现上层应用与工业物联网平台之间的数据交换。
通过孪生数据驱动模型实现车间运行状态三维可视化，通过对孪生数据、虚拟场景几何模型进行管理，实现基于孪生数据的实时映射；
虚拟车间维度采用“根-茎-叶”三层组织结构实现车间几何模型的管理：车间几何模型以车间为根层次，以车间环境、人员、立体仓库、物流、机加工、装配检测单元为茎层次，以构成各茎层次的设备作为叶层次，用于以三层结构化组织车间资源，对数字化制造车间可能涉及到的人员、设备、厂房、物料对象，在几何维度上对物理车间进行准确建模；对设备层次的几何模型，采用父子节点嵌套的组织形式实现模型的高效驱动。
本发明具有以下有益效果及优点：
1、本发明提出了基于数字孪生的车间三维可视化监控***六维模型。
2、本发明提出了采用工业物联网平台作为数据总线，借助工业物联网平台强大的设备接入、数据管理和***集成能力，来降低车间数据采集与管理的难度，以便于三维可视化监控***的快速开发和部署。
3、和传统的工业车间数据采集相比，该数据采集方案设备接入能力强。通过平台集成的工业网关、中间件、嵌入式操作***等成熟产品和解决方案，可快速构建平台与资源的连接，从而实现对人员、设备、软件、物料、环境等各类生产要素数据的全面采集。工业物联网平台基于开源开发工具以及微服务架构等方式，可灵活地为开发者实现基于情景驱动的数据服务。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***功能的设计，显著提高了***的开发效率。
4、本发明建立了从物流、设备、产品三个方面建立基于孪生数据驱动的虚拟车间三层映射体系，可以更准确地描述车间动态行为。
附图说明
图1车间三维可视化监控***六维模型；
图2三维可视化监控***开发孪生数据采集路线图；
图3基于工业物联网平台的数据采集流程图；
图4智慧车间虚拟场景构建流程图；
图5虚拟车间几何模型图；
图6自动化仓库单元工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为了使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明借鉴了数字孪生五维模型架构和C2PS模型“云”部署方式，结合工业物联网平台强大的数据整合和***集成能力，提出以工业物联网平台作为***服务平台，基于数字孪生的车间三维可视化监控***六维模型，包括物理车间，虚拟车间，服务，孪生数据前端展示，连接，各维间关系如图1所示。
物理车间。物理车间是六维模型的构成基础，具有典型的层次化特点，按照功能及结构一般可分为设备级、单元级、产线级和车间级四个层次。以自动化生产车间为例，车间内各设备可视为设备级，是车间的最小组成单元；根据产品的工艺流程及工艺，将参与同一工艺或工序的设备视为单元级，如自动化仓库单元、物流单元、机加工单元、装配单元、检测单元、包装单元等；将生产同一产品或部件的各单元级设备组合构成的生产线可视为产线级；将加工同类型产品或部件的各生产线构成的生产车间可视为车间级，如冲压车间、锻造车间、焊接车间等。
虚拟车间通过三维建模技术描述物理车间几何参数包括形状、尺寸、位置，与装配关系，使其与物理车间具有良好的时空一致性。采用模型渲染技术、虚拟现实建模语言等对几何建模进一步完善，通过添加必要的灯光、材质、特效使虚拟车间具有真实的质感；同时通过人机交互界面设计、外部输入事件响应等，实现场景漫游。
服务是指车间三维可视化监控***六维模型实现过程所需服务的集合，主要由工业物联网平台、三维建模软件、虚拟现实开发软件等提供。根据应用需求的不同可将服务分为功能***和业务***，功能***为业务***的实现和运行提供支撑。
孪生数据是车间三维可视化监控***六维模型运行的基础，孪生数据主要包括物理车间数据、虚拟车间数据、服务数据和知识数据。物理车间数据主要用于描述构成物理车间的设备、厂房、灯光等物理要素属性数据以及能够反映物理车间运行状态的动态过程数据，物理要素属性数据主要由设备厂方提供或实地测量，动态过程数据则通过传感器、设备接口、嵌入式采集卡、物联网技术等进行采集；虚拟车间数据主要包括与虚拟车间相关的数据，如能够表示物理车间模型相关数据包括几何模型、物理模型、行为模型以及规则模型等；服务数据主要包括功能***相关数据包括模型、算法、决策规则、数据库操作等与业务***相关数据包括模型动态过程数据，人机交互数据等；知识数据包括专家知识、行业标准、常用算法、常用数据库、常用API接口、常用模型构建方法等。
基于数字孪生的车间三维可视化监控***开发路线如图2所示。物理车间到虚拟车间的映射是实现间三维可视化监控的核心，为建立真实的映射过程，需要建立车间生产***作业模型，从而准确地描述车间动态行为。本文采用运行逻辑建模方法描述生产***作业逻辑，通过将车间制造过程孪生数据转化为相应的车间事件，驱动设备状态的改变以及工件在不同工位间的流转，实现物流的实时映射。采用虚拟模型构建方法建立虚拟车间。采用事件驱动实现物流的实时映射、采用模型驱动实现设备的实时映射；由物流实时映射、设备实时映射结合工艺流程，实现产品的实时映射，最终通过硬件实现可视化监控的前端展示。三维可视化监控***开发关键技术可总结为孪生数据的采集、车间虚拟场景构建以及数据的实时映射。
工业现场的数据主要蕴含在设备中，设备数据可分为协议数据(包括总线型、API型数据)和传感数据，协议数据采集的方式主要有软件直接采集、采集盒子采集、协议转换模块等；传感数据的采集方式主要有多功能全面型数据采集器、集成式数据采集器等。虽然有以上方法可以采集数据，但是由于车间现场设备、传感器以及通信规范的多样性，如果单独为各种规范指定解析规则不仅工作量大而且通用性差。虽然也存在一些标准化的协议，如OPC、MTconnect等，但是仍需要开发者自行编写程序实现车间数据的采集，而且并不是所有的设备都支持以标准协议的方式进行数据采集。
基于工业物联网平台的数据采集流程图如图3所示，本发明以工业物联网平台作为数据总线，借助工业物联网平台强大的设备接入、数据管理和***集成能力，降低车间数据采集与管理的难度，以便于三维可视化监控***的快速开发和部署。典型的工业物联网平台有COSMOPlat、OceanConnect Iot、Thingworx等。以工业物联网平台作为数据总线的优势在于：(1)设备接入能力强，通过平台集成的工业网关、中间件、嵌入式操作***等成熟产品和解决方案，可快速构建平台与资源的连接，从而实现对人员、设备、软件、物料、环境等各类生产要素数据的全面采集。(2)完善的数据服务，工业物联网平台基于开源开发工具以及微服务架构等方式，可灵活地为开发者实现基于情景驱动的数据服务。在车间三维可视化监控***中数据应用情景主要包括两部分：基于实时数据为三维虚拟场景提供数据驱动和基于历史数据为监控***提供决策支持。(3)***开发效率高，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***功能的设计，显著提高了***的开发效率。
车间虚拟场景构建流程如图4所示，主要由几何建模、场景构建、人机交互和场景优化等构成。几何建模是虚拟场景构建的基础；场景构建是对几何建模的进一步完善，通过添加必要的灯光、材质、特效使虚拟场景具有真实的质感；人机交互包括人机交互界面设计、外部输入事件响应等，目的在于实现三维虚拟场景中的场景漫游；为了平衡虚拟场景绘制复杂度和绘制实时性之间的矛盾，保证大型场景下***的流畅性，需优化虚拟场景，最终获得虚拟车间场景模型。
车间三维可视化监控***通过孪生数据驱动模型实现车间运行状态三维可视化，为实现基于孪生数据的实时映射不仅需要对孪生数据进行有效管理，而且需要对虚拟场景几何模型进行有效管理。本文采用“根-茎-叶”三层组织结构实现车间几何模型的管理，车间几何模型结构如图5所示。
车间几何模型以车间为根层次，以车间环境、人员、立体仓库、物流、机加工、装配检测单元为茎层次，以构成各茎层次的设备作为叶层次，结构以三层结构化组织车间资源，对数字化制造车间可能涉及到的人员、设备、厂房、物料等对象，在几何维度上对物理车间进行准确描述。针对设备层次的几何模型，则采用父子节点嵌套的组织形式实现模型的高效驱动。几何模型结构确定后可通过三维建模软件建立车间几何模型。
场景构建
可视化监控***要求创建的虚拟场景不仅具有良好的真实感和沉浸感，而且具有良好的人机交互性能，以满足三维可视化监控***六维模型服务维的需求，因此在选择开发方式时应考虑以下几点：(1)***应具有较强的模型构建和处理能力，支持常见格式的导入导出；(2)***应具有强大的图形处理能力，能够满足复杂场景、大场景下图形的优化渲染输出；(3)***应具有开源的接口，使用常见的面向对象的计算机语言进行编程，便于***程序的开发。
三维虚拟场景与实时视频监控方式相比，其显著的优势就是能够对人机交互事件进行响应，从而改变虚拟场景展示的内容。基于人机交互的场景漫游主要包括几何变换的实现和外部输入事件的响应，可通过鼠标点击事件、键盘操作事件等方式实现。几何变换是场景漫游的基础，虚拟场景中所有模型的运动、场景漫游都是基于几何变换技术实现的。几何变换是各种图形处理方法的基础，通过变换像素的空间位置，在新的空间位置上显示原坐标点的新位置，几何变换包括平移、旋转和缩放三种。在三维可视化监控***中，鼠标和键盘是最基本的输入方式之一。场景中如摄像机视角方向的改变、视距的远近、多场景的切换等可通过鼠标操作完成。场景中如摄像机视角方向的改变、前进、后退、左移、右移、上升、下降等可通过键盘操作完成。
物理车间到虚拟车间的实时映射是实现车间三维可视化监控的核心。在车间运行期间，生产资源发生动态变化，为了形成能够覆盖车间制造全生命周期的可视化实时监控，本发明从物流、设备、产品方面建立基于孪生数据驱动的虚拟车间三层映射体系，准确地描述车间动态行为，(1)物流层次，将车间制造过程实时状态数据转化为相应车间事件，驱动产品在不同工位间的流转实现物流映射；(2)设备层次，设备的映射是虚拟车间三层映射体系的最小映射单位，通过物联网技术、传感器技术、接口技术等实现物理设备动作的实时感知，并基于孪生数据驱动虚拟模型实现物理设备在虚拟环境下的虚实同步；(3)产品层次，产品的映射是在实现设备层次和物流层次映射的基础上，将产品的工艺流程、实时位置以及设备实时状态转换为车间事件，基于事件驱动的方法实现产品模型的动态改变，最终实现产品状态的实时映射。
虚拟车间三层映射体系中的物流映射是基于车间运行逻辑模型动态映射框架实现的，通过将车间制造过程孪生数据转化为相应的车间事件驱动设备状态的改变以及工件在不同工位间的流转。混流自动化生产线是典型的离散事件动态***，任务执行过程可表示为事件和状态，适合采用Petri网建模。Petri网是一种用来描述离散事件***的数学建模语言，自20世纪60年代提出后，由于其形象直观、易于理解，在离散型制造业建模领域得到了广泛的发展与关注，并形成了面向不同领域的改进型Petri网：(1)判断网(EP-N)；(2)变迁网(TP-N)；(3)着色网(CP-N)；(4)高级网(HLP-N)；(5)扩展随机高级判定Petri网。其中ESHLP-N方法定义了双重令牌和双重标识，不仅效果直观，也有利于分析***性能；此外，通过调度规则引入，提高了ESHLP-N方法的推理和决策能力，使其在柔性制造***的建模、调度、仿真优化方面具有良好的效果。本文采用ESHLP-N方法描述生产***作业逻辑，通过车间事件驱动生产***状态转换，从而动态映射物理车间现场作业运行。以机加工单元为例，说明ESHLEP-N模型的建立过程。物料出库，是自动化生产线的第一道工艺。即按照工艺需求，控制堆垛机从立体仓库中取出相应的物料，在经过视觉检测或RFID检验核对物料信息后，由物流***转运至下道工艺的暂存区。自动化仓库单元的工艺流程图如图6所示。
本文中所述车间事件举例如下：
某***自动化生产***主要由自动化仓库单元、物流单元、加工制造单元、装配单元以及控制单元组成。自动化仓库单元由巷道式立体化自动仓库、堆垛机、出入库平台以及RFID识别***构成，主要用于物料、成品的存储；物流单元由AGV、抓取机械手、图像识别***、中转平台以及成品区构成，主要用于物流、成品、半成品在各工位间的流转；加工制造单元由精雕机、数控车床以及上下料机器人构成，通过对机器人控制***与CNC***的协同控制，实现机床自动化上下料，主要用于产品的加工；装配单元由装配机器人和旋转平台构成，主要用于***的装配；控制单元由现场总控PLC、CNC***、机器人控制***、AGV控制***、人机交互界面以及上位机构成。加工的产品有公章和私章两种，是典型的多品种、小批量生产方式。
为实现生产过程的透明管控，根据前文提出的三维可视化监控***六维模型，以Thingworx物联网平台作为数据应用总线，以Creo、3d Max、Unity 3D多软件协同建模的方式，基于.NET平台设计并开发了***生产车间三维可视化监控***，由物理层、孪生层、平台层、应用层、网络层五部分组成：①物理层对应六维模型的物理车间(PS)，是构成***生产车间全要素的合集，包括人员、设备、物料、工艺流程、厂房等；②孪生层对应六维模型的虚拟车间(VS)，通过多软件协同的方式构建两种应用环境下的虚拟车间(VS)，实现物理车间(PS)的真实映射；③平台层对应于六维模型的服务(Ss)和孪生数据(DD)，基于物联网平台强大的泛在连接、灵活的数据管理以及快速的应用开发能力，实现设备连接、数据采集、数据存储、数据服务、应用开发以及WEB前端***集成；④应用层对应六维模型的前端展示(FD)，通过构建三维虚拟场景、状态看板、实时视频、增强现实实现多层次监控；⑤网络层对应六维模型的连接(CN)，通过各种标准/非标准协议、有线/无线组网方式实现***各部分的互联互通。
现场大屏监控显示三维虚拟场景、实时监控视频以及状态看板内容。其中三维虚拟场景可通过人机交互实现不同视角的切换，以直观沉浸的方式查看车间实时运行状态；实时监控视频用于展示固定视角的车间现场状态；生产报表主要展示***生产车间每日产量及每月产量。除以上展示信息外，在三维虚拟场景中的自动化仓库、AGV单元、数控车床、上下料机器人、精雕机、装配机器人模型上增加了信息弹窗，以文本的方式直观地展示设备实时运行数据，丰富了监控形式。该弹窗将AGV的位置坐标、温度、电量以及机械臂各轴的角度以一种直观的方式展示出来。AR场景主要以数控车床的主轴、刀具库和精雕机的三轴运动为监控对象通过实时数据驱动，设备运行信息弹窗，将部分运行数据直接以文字的形式进行展示，实现对机床内部运动状态的实时可视化。通过对虚拟场景、数据采集方式、数据管理策略、实时数据驱动模型方法以及前后端数据交互方式的研究与优化，提高了监控***的实时性。上线后的***运行流畅，实时性好，经实际测试，虚拟车间(VS)与物理车间数据服虚拟场务景构建数据服务AR场景构建孪生数据状态看板场景文件AR设备导入集成集成集成物理层、孪生层、平台层、应用层、网络层、物理层、ThingWorx(PS)的延时大约为0.5s，能够满足实际生产过程中的监控需求，验证了三维虚拟监控***的可行性和有效性。本***增加了实时视频与增强现实，监控方式更为丰富，构建的三维可视化监控***延时在3s以内，相较于该***，该***实时性更优。
基于孪生数据的实时映射是实现车间三维可视化监控***的关键。物流层次，通过将车间制造过程实时数据转化为事件驱动，实现物料流转过程的实时映射；设备层次，根据虚拟车间构建方法的不同，模型驱动方法各不相同；产品层次，根据物料实时位置、产品工艺流程以及设备状态，确定产品实时工序，从而实现产品层次的实时映射。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易变化或替换，都属于本发明保护范围之内。因此本发明的保护范围内所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于数字孪生的智慧车间实时监控***，其特征在于，建立以下六个维度，获取数字孪生的车间三维可视化监控六维模型：
物理车间维度，物理车间是车间环境以及产线设备的实体集合，接收上层服务***下达的生产任务，按照虚拟车间仿真优化后的预定义的生产指令，执行生产活动并完成生产任务；
虚拟车间维度，通过三维建模描述物理车间的几何参数与模型动作关系，使其与物理车间具有时空一致的孪生映射；
服务维度，定义监控实现过程所需服务的集合，用于向物理车间维度、虚拟车间维度、孪生数据维度、前端展示维度提供服务；
孪生数据维度，用于存储物理车间维度数据与虚拟车间维度数据，向其他各维度提供数据存储和查询调用；
前端展示维度，用于向用户展示所有的监控内容；
连接接口维度，是各维度互相通信的接口，包括：物理车间与虚拟车间的连接，物理车间与孪生数据的连接，孪生数据与前端展示的连接，前端展示与虚拟车间的连接，工业物联网平台与各维度的连接。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧车间实时监控方法，其特征在于，所述的物理车间维度按照功能及结构分为设备级、单元级、产线级和车间级四个层次。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧车间实时监控方法，其特征在于，所述的虚拟车间维度包括采用模型渲染、虚拟现实建模并对几何模型进一步优化：添加灯光、材质、特效使物理车间具有真实的质感，用于与前端展示维度之间通过人机交互界面设计、外部输入事件响应实现场景漫游。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧车间实时监控方法，其特征在于，所述的服务维度是主要由工业物联网平台、三维建模软件、虚拟现实开发软件实现，根据应用需求的不同将服务分为：功能***和业务***；
功能***包括：
面向虚拟车间提供的模型服务，包括模型构建、模型渲染、虚拟场景搭建、以及基于实时数据的模型驱动；
面向数字孪生维度提供的数据管理服务，包括数据存储、数据清洗、数据封装、数据挖掘、数据融合、数据分析；还用于通过标准数据库接口将实时数据存储到孪生数据维度中，同时服务维度调用孪生数据维度中历史数据进行数据统计分析和计算；
面向连接维度提供连接服务，包括接口服务、协议服务；
业务***，为面向前端展示维度提供的服务，包括：面向车间管理人员提供多种形式的监控手段：监控大屏、增强现实眼镜、智能移动设备。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧车间实时监控方法，其特征在于，前端展示维度包括：三维虚拟场景模块、状态看板模块、以及实时视频模块和增强现实模块；
所述三维虚拟场景模块，接收物理车间与虚拟车间的连接接口提供的数据，以三维虚拟场景模块作为监控方式，从物流、设备、产品三个方面对车间制造过程实现可视化管控；
所述状态看板模块，用于展示各生产资源的实时和统计信息；
所述实时视频模块，用于通过布置在现场的多个工业摄像头，实现对车间关键节点的实时、直观的监控；
所述的增强现实模块，用于通过三维建模、实时跟踪注册、智能交互、传感器将虚拟信息叠加于真实世界，从而实现设备内部运动状态的直观展示。
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧车间实时监控方法，其特征在于，所述连接接口维度包括：
物理车间与虚拟车间的连接接口，用于实时采集物理车间的数据，并将数据传输至虚拟车间对应的模型中；
物理车间与工业物联网平台服务维度的连接接口，用于利用标准软件接口实现物理车间与工业物联网平台服务维的双向通信，实现数据采集、传输、存储；
物理车间与孪生数据的连接接口，用于利用传感器、数据采集设备、通信协议实时采集物理车间维度数据，并传输至孪生数据维度；
虚拟车间与工业物联网平台服务维度的连接接口，用于利用标准软件接口实现虚拟车间与工业物联网平台服务维度的双向通信，实现基于实时数据的模型驱动；
孪生数据与前端展示的连接接口，是指通过TCP/IP、UDP网络通信方式按照服务维度提供的对应服务，实现前端展示与孪生数据之间的数据交互。
7.根据权利要求3所述的物理车间与虚拟车间连接方法，其特征在于，所述虚拟车间维度还包括：建立车间生产***作业模型，用于描述车间动态行为，发送给前端展示维度进行可视化监控展示；
采用运行逻辑建模方法描述生产***作业逻辑，通过将车间制造过程孪生数据转化为相应的车间事件，驱动设备状态的改变以及工件在不同工位间的流转，实现物流的实时映射；
采用虚拟模型构建方法建立虚拟车间；采用事件驱动实现物流的实时映射；采用模型驱动实现设备的实时映射；
根据物流实时映射、设备实时映射结合工艺流程，实现产品的实时映射。
8.根据权利要求2所述的基于数字孪生的智慧车间实时监控方法，其特征在于，
设备级数据包括协议数据和传感数据，在物理车间维度使用工业物联网平台作为数据总线；以高频无源RFID采集物料信息，利用OPC协议和设备软件开发工具包结合远程过程调用协议实现设备数据的采集；
基于分布式文件***、NoSQL数据库、关系数据库、时序数据库管理引擎实现在孪生数据维度进行车间数据的分区选择、存储、编目与索引；
基于REST FUL架构的GET方法，实现上层应用与工业物联网平台之间的数据交换。
9.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧车间实时监控方法，其特征在于，通过孪生数据驱动模型实现车间运行状态三维可视化，通过对孪生数据、虚拟场景几何模型进行管理，实现基于孪生数据的实时映射；
虚拟车间维度采用“根-茎-叶”三层组织结构实现车间几何模型的管理：车间几何模型以车间为根层次，以车间环境、人员、立体仓库、物流、机加工、装配检测单元为茎层次，以构成各茎层次的设备作为叶层次，用于以三层结构化组织车间资源，对数字化制造车间可能涉及到的人员、设备、厂房、物料对象，在几何维度上对物理车间进行准确建模；对设备层次的几何模型，采用父子节点嵌套的组织形式实现模型的高效驱动。
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN116414081A true CN116414081A (zh) | 2023-07-11 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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