張宏帥 姜寶柱

摘 要：本文以硅片制造生產(chǎn)車間和工藝流程為對(duì)象，研究制造設(shè)備仿真建模和工藝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真技術(shù)。首先采用SolidWorks完成實(shí)體建模，借助3D Max實(shí)現(xiàn)模型渲染，并以Unity3D場(chǎng)景集成的方式對(duì)生產(chǎn)車間和設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化三維建模，其次研究了基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、有限狀態(tài)機(jī)仿真的設(shè)備實(shí)時(shí)仿真方法，并基于消息隊(duì)列中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)物理設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬仿真系統(tǒng)內(nèi)虛擬設(shè)備的綁定，最終利用網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的搭建。測(cè)試結(jié)果證明，仿真系統(tǒng)具有集成建模仿真資源便捷、可復(fù)用性強(qiáng)、靈活性和可配置性高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠;數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng);Unity3D

中圖分類號(hào)：TH122;TH123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）29-0071-04

Abstract： In this paper， the manufacturing equipment simulation modeling and process real-time data-driven simulation technology were studied. Firstly， SolidWorks was used to complete solid modeling， 3D Max was used to realize model rendering， and Unity3D scene integration was used to digitally and three-dimensionally model the production workshop and equipment， at the same time， a real-time equipment simulation method based on real-time data driving and finite state machine simulation was studied， and based on the message queue middleware technology， the real-time data of the physical equipment in the data collection system was bound to the virtual equipment in the virtual simulation system， and finally the network programming technology was used to realize the construction of the virtual simulation system. The test results prove that the simulation system has the characteristics of convenient integrated modeling and simulation resources， strong reusability， flexibility and high configurability.

Keywords： digital factory;data-driven;Unity3D

近年來，智能制造領(lǐng)域的快速發(fā)展引領(lǐng)了產(chǎn)業(yè)革命，數(shù)字孿生、信息物理系統(tǒng)（CPS）等概念成為智能制造的組成部分。工業(yè)虛擬仿真是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生和CPS虛實(shí)結(jié)合的方向之一，在智能制造發(fā)展中具有舉足輕重的地位。傳統(tǒng)工業(yè)虛擬仿真主要集中在工廠產(chǎn)線布局、仿真動(dòng)畫演示等展示性功能上。本研究以硅片制造生產(chǎn)車間和工藝流程為研究對(duì)象，進(jìn)行制造設(shè)備仿真建模和工藝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真技術(shù)研究。首先采用SolidWorks完成實(shí)體建模，借助3D Max實(shí)現(xiàn)模型渲染，并以Unity3D場(chǎng)景集成的方式對(duì)生產(chǎn)車間和設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化三維建模，同時(shí)研究了基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、有限狀態(tài)機(jī)仿真的設(shè)備實(shí)時(shí)仿真方法，并基于消息隊(duì)列中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)物理設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬仿真系統(tǒng)內(nèi)虛擬設(shè)備的綁定，最終利用網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的搭建[1]。測(cè)試結(jié)果證明，建模仿真系統(tǒng)具有集成建模仿真資源便捷、可復(fù)用性強(qiáng)、靈活性和可配置性高等特點(diǎn)。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的設(shè)備模型驅(qū)動(dòng)仿真

在虛擬運(yùn)動(dòng)仿真中，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的仿真主要有兩種類型：根據(jù)位移/旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真、根據(jù)速度/角速度運(yùn)動(dòng)仿真。

1.1.1 根據(jù)位移/旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真。采集的實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)為離散的位置點(diǎn)，為保證模型運(yùn)動(dòng)連續(xù)性，在物體運(yùn)動(dòng)的前后兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)和路徑拐點(diǎn)處設(shè)置路徑節(jié)點(diǎn)，通過線性插值得到運(yùn)動(dòng)過程中的其他坐標(biāo)點(diǎn)，將坐標(biāo)點(diǎn)連接起來即得到物體運(yùn)動(dòng)路線[2]。Unity3D的世界坐標(biāo)系為[Y]軸向上的右手坐標(biāo)系，故考慮物體在[XOZ]平面上做平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則物體在原始位置時(shí)的向量坐標(biāo)為已知量[a]，其坐標(biāo)位置為[x，0，z]。運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)的向量坐標(biāo)為[b]，其坐標(biāo)位置為[x′，0，z′]，則可得向量坐標(biāo)[b=x-x′，0，z-z′]，[θ]為[a]與[b]的夾角，則由余弦公式可得：

物體運(yùn)動(dòng)的平移、旋轉(zhuǎn)均可通過以上兩個(gè)變換矩陣實(shí)現(xiàn)，其中[dx]、[dy]、[dz]分別表示物體在[X]軸、[Y]軸、[Z]軸方向上的平移量。由于物體是在[XOZ]平面上運(yùn)動(dòng)，故[dx]=0，[θ]表示物體運(yùn)動(dòng)繞[Y]軸偏移的角度。對(duì)物體先做繞[Y]軸旋轉(zhuǎn)變換再做平移變換，其運(yùn)動(dòng)模型為：

綜上可知，由式（2）計(jì)算出[θ]值，再代入式（5）求出物體運(yùn)動(dòng)模型，并按照插值法確定的運(yùn)動(dòng)路線則可完成模型的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)[3]。模型運(yùn)動(dòng)的可視化在Unity3D環(huán)境中進(jìn)行，可由腳本transform類中的localPosition屬性和localEulerAngles屬性實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的C#腳本代碼如下：

transform.localPosition = new Vector3（x， y， z）;

transform.localEulerAngles = new Vector3 （angx， angy， angz）;

其中，x、y、z為物體在Unity環(huán)境中相對(duì)父節(jié)點(diǎn)的位移坐標(biāo);angx、angy、angz為物體在Unity環(huán)境中相對(duì)父節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的歐拉角旋轉(zhuǎn)角度。

1.1.2 根據(jù)速度/角速度運(yùn)動(dòng)仿真。速度/角速度運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)與位移/旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)方式類似。Unity3D腳本中提供Update函數(shù)實(shí)現(xiàn)按幀刷新機(jī)制，則基于速度/角速度的仿真腳本可表示為：

transform.Translate（new Vector3（0， v * Time.deltaTime， 0）， Space.Self）;

transform.Rotate（new Vector3（0， r * 6 * Time.deltaTime， 0）， Space.Self）;

其中，v為直線位移速度，m/s;r為旋轉(zhuǎn)角速度，r/min;Time.deltaTime為Unity完成上一幀的時(shí)間;Space.Self設(shè)定運(yùn)動(dòng)默認(rèn)為物體自身坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)。

1.2 基于有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)備虛擬仿真

受限于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的不完整性，某些情況下無法獲取到仿真物體的真實(shí)位移等數(shù)據(jù)，無法基于位置數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)仿真，但可獲取設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立設(shè)備有限狀態(tài)機(jī)模型（Finite-State Machine，F(xiàn)MS），對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)在滿足一定條件下的狀態(tài)進(jìn)行仿真演示。在Unity3D仿真環(huán)境中，可使用動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)Animator實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下動(dòng)畫仿真的切換與管理。圖1為磨片機(jī)動(dòng)畫狀態(tài)模型，磨片機(jī)定義空閑、上料、磨削、退刀下料四種狀態(tài)，每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)一種動(dòng)畫仿真過程演示。通過實(shí)時(shí)獲取磨片機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，可按照數(shù)據(jù)規(guī)則條件觸發(fā)不同的動(dòng)畫仿真演示。Animator提供Bool、Int、Float、Trigger四種狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件及其組合的復(fù)雜狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，可支持復(fù)雜狀態(tài)仿真管理。

1.3 消息隊(duì)列通信技術(shù)

虛擬仿真系統(tǒng)的仿真驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)源來自包括SCADA系統(tǒng)、AGV管控系統(tǒng)在內(nèi)的多種、異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義方式、數(shù)據(jù)編碼格式、數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量要求等特征各不相同。使用統(tǒng)一的AMQP（Advanced Message Queued Protocol）高級(jí)消息隊(duì)列中間件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)集中分發(fā)服務(wù)，可以解決多系統(tǒng)應(yīng)用耦合、異步消息、消息阻塞等問題。

基于AMQP的實(shí)現(xiàn)途徑有很多，主流的有LShift提供的RabbitMQ和Apache公司的Qpid。兩者在技術(shù)上都支持多種通信模式，支持優(yōu)先級(jí)，具有較高的可靠性和靈活的路由，具有可用的隊(duì)列，支持事務(wù)和消息排序等。但是，RabbitMQ基于Erlang語言實(shí)現(xiàn)，在高并發(fā)性上具有天然的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)消息長(zhǎng)度較小時(shí)，RabbitMQ具有比Qpid更好的輸出性能，更適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)單次傳輸小、傳輸次數(shù)頻繁的情況。本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通信集成方面選擇RabbitMQ實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。RabbitMQ工作原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)模型為核心，定義實(shí)體生產(chǎn)車間映射數(shù)據(jù)，通過服務(wù)端數(shù)據(jù)庫配置動(dòng)態(tài)管理仿真場(chǎng)景設(shè)備布局等信息。通過RabbitMQ消息隊(duì)列接口與其他信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、接收設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景設(shè)備的真實(shí)數(shù)據(jù)綁定，并通過運(yùn)動(dòng)仿真管理模塊為虛擬設(shè)備加載腳本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真運(yùn)動(dòng)。

通過場(chǎng)景界面管理模塊和多視角相機(jī)管理功能模塊提供多種虛擬場(chǎng)景人機(jī)交互方式。仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

3 系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。

仿真系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互主要分為設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和場(chǎng)景配置數(shù)據(jù)兩部分。設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要來自工廠現(xiàn)場(chǎng)的SCADA、DCS、AGVS等系統(tǒng)，通過搭建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)消息隊(duì)列服務(wù)作為數(shù)據(jù)中間件，實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與仿真系統(tǒng)的連接;場(chǎng)景配置數(shù)據(jù)主要包括仿真環(huán)境中設(shè)備布局、設(shè)備臺(tái)賬信息、設(shè)備實(shí)時(shí)信號(hào)綁定等配置數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)通過SQL Server數(shù)據(jù)庫配置。

4 系統(tǒng)功能流程

系統(tǒng)功能流程如圖5所示。

從圖5可知，系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行用戶登錄驗(yàn)證，登錄用戶將進(jìn)入生產(chǎn)車間總體鳥瞰布局界面查看，通過選擇對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)入漫游，在漫游場(chǎng)景中通過下拉列表在漫游和監(jiān)視視角間進(jìn)行切換。同時(shí)，可從漫游界面進(jìn)入系統(tǒng)配置界面進(jìn)行設(shè)備管理等相關(guān)功能操作。

5 系統(tǒng)測(cè)試

虛擬車間場(chǎng)景第一人稱漫游測(cè)試效果如圖6所示;數(shù)字化虛擬車間被劃分成多個(gè)區(qū)域，如圖7所示，可通過預(yù)設(shè)的固定相機(jī)視角監(jiān)視整個(gè)目標(biāo)區(qū)域;仿真系統(tǒng)內(nèi)虛擬設(shè)備由來源于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，如圖8和圖9所示。

6 結(jié)語

本研究對(duì)硅底基智能制造生產(chǎn)車間及設(shè)備進(jìn)行了數(shù)字化三維建模，通過規(guī)范建模質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)仿真性能最優(yōu)化。其間通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)連續(xù)仿真和基于有限狀態(tài)機(jī)的離散仿真兩種方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備虛擬仿真，最終設(shè)計(jì)并搭建了一種數(shù)字化建模仿真系統(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)硅底基智能制造工廠車間環(huán)境漫游、監(jiān)視、實(shí)時(shí)狀態(tài)仿真、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景配置等功能。

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