李 杰，肖 成，張 浩，孫?？疲罴t雨，張明智

（1.青島工業(yè)軟件研究所，山東 青島 266109；2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

1 引言

制造業(yè)在國家經(jīng)濟(jì)中占據(jù)主體地位，是國家實(shí)體經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和根本。從2010年開始我國制造業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)躍居世界第一，成為制造業(yè)大國。但是我國掌握的核心技術(shù)和創(chuàng)新能力相比發(fā)達(dá)國家偏弱，整個(gè)產(chǎn)線制造的完成需要依賴國外提供相關(guān)技術(shù)或者核心產(chǎn)品。我國提出的“中國制造2025”，德國提出“工業(yè)4.0”以及美國提出“先進(jìn)制造戰(zhàn)略”，雖然不同國家之間背景不同，但是都在關(guān)注于制造過程的物理世界和信息世界的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化和信息化。

信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）作為制造業(yè)智能化的研發(fā)方向，廣泛應(yīng)用于智能設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用和服務(wù)中?；谝陨涎芯勘尘?，本文所研究的智能工廠信息物理融合可視交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工廠制造環(huán)境及生產(chǎn)加工設(shè)備設(shè)施的三維仿真；工廠制造環(huán)境和制造狀態(tài)的物聯(lián)感知，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息物理的融合；對(duì)接生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)重構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程智能動(dòng)態(tài)的重構(gòu)。該系統(tǒng)同時(shí)支持AR/VR可視交互，具有良好的交互性和可擴(kuò)展性。

2 BIM及擴(kuò)展MBD模型

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）可實(shí)現(xiàn)樓宇、場(chǎng)站等建筑空間及所屬各類設(shè)備設(shè)施的三維精細(xì)建模，除實(shí)現(xiàn)三維呈現(xiàn)，更可作為各類物聯(lián)傳感信息的數(shù)據(jù)載體以及數(shù)值模擬仿真的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來源。

基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）是一種基于3D的產(chǎn)品數(shù)字化標(biāo)注技術(shù)，它詳細(xì)規(guī)定了三位實(shí)體模型生產(chǎn)制造過程中的信息，如實(shí)體模型的尺寸、幾何形狀、公差和注釋的標(biāo)注等。傳統(tǒng)的MBD技術(shù)往往僅限于產(chǎn)品模型幾何模型和非幾何模型之間的信息傳遞，缺乏與制造環(huán)境和制造過程之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。于是，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全生命周期中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)工藝數(shù)據(jù)與制造環(huán)境、制造設(shè)備數(shù)據(jù)之間的信息分割將會(huì)極大的影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造管理的版本管理、更改管理和有效性管理。因此，對(duì)MBD模型進(jìn)行制造環(huán)境和制造過程相關(guān)數(shù)據(jù)的擴(kuò)充，具有重大的意義。對(duì)MBD模型進(jìn)行擴(kuò)充的過程中，BIM提供了有效的技術(shù)支撐，最終促進(jìn)了MBD制造模式向制造設(shè)備、環(huán)境、過程融合的智能制造轉(zhuǎn)型。

本項(xiàng)目構(gòu)建了濰柴一號(hào)工廠加工二車間WTR機(jī)體線的BIM擴(kuò)展MBD模型，整條生產(chǎn)線涵蓋加工、清洗、壓裝、物流等全流程要素，模型包括加工設(shè)備、輥道、桁架和機(jī)械臂等，可全面展示整條生產(chǎn)線加工流程。模型如圖1所示。

圖1 BIM 及擴(kuò)展 MBD 模型

3 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）實(shí)現(xiàn)了物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型映射，在實(shí)現(xiàn)過程中，它通過利用布置在各部分的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體建模和數(shù)據(jù)分析，將物理系統(tǒng)在不同真實(shí)場(chǎng)景中的全生命周期現(xiàn)狀顯示出來。同時(shí)，可以借助高性能的傳感器和通信，數(shù)字孿生可以集成多維物理實(shí)體的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型仿真。數(shù)字孿生可以近乎真實(shí)的反應(yīng)物理實(shí)體，并可以通過虛實(shí)交互的接口對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制。

數(shù)字孿生五維模型由物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、連接、孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)組成。針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)，將數(shù)字孿生應(yīng)用五要素定義為數(shù)據(jù)、模型、知識(shí)、規(guī)則和算法。擴(kuò)展MBD在數(shù)字孿生應(yīng)用中需要滿足模型構(gòu)建、調(diào)整，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交互，依據(jù)知識(shí)和規(guī)則，適時(shí)調(diào)用相關(guān)算法，調(diào)整算法參數(shù)等需求。不同的數(shù)字孿生之間差異性較大，需要建立普適性的與五要素的交互運(yùn)行機(jī)制。不同數(shù)據(jù)孿生的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)結(jié)果，這些數(shù)據(jù)完全由擴(kuò)展MBD承載是不現(xiàn)實(shí)的。但是數(shù)字孿生全周期的交互，又對(duì)不同應(yīng)用間的結(jié)果數(shù)據(jù)有著較強(qiáng)的需求，這就需要建立數(shù)據(jù)合理的加載和傳輸機(jī)制，避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦速M(fèi)。

本項(xiàng)目建立的數(shù)據(jù)孿生模型如圖2所示，主要建立了WTR 機(jī)體線的數(shù)字孿生模型，整條生產(chǎn)線機(jī)床設(shè)備三維模型可進(jìn)行縮放、剖切、移動(dòng)、量測(cè)以及VR展示等操作，并針對(duì)生產(chǎn)線內(nèi)的加工、清洗、壓裝、物流四大關(guān)鍵工序添加工序動(dòng)畫演示；同時(shí)在三維模型的基礎(chǔ)進(jìn)行機(jī)床設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的展示并設(shè)置報(bào)警事件提示，對(duì)設(shè)備關(guān)鍵部位（主軸、絲杠、電機(jī)、潤滑站、液壓站等）進(jìn)行設(shè)備健康狀態(tài)分析，以主軸為例，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要包括主軸拉應(yīng)力、溫度、振動(dòng)頻率等，每類中的數(shù)據(jù)主要以圖表的形式展示，實(shí)時(shí)更新，而報(bào)警數(shù)據(jù)以列表的形式展現(xiàn)。

圖2 數(shù)字孿生模型

4 基于Web的智能先進(jìn)工廠三維可視交互

不管是德國“工業(yè)4.0”、美國“先進(jìn)制造業(yè)”，還是“中國制造2025”均在強(qiáng)調(diào)信息物理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬仿真等先進(jìn)技術(shù)。將以上的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)化工廠中，建立一個(gè)能實(shí)現(xiàn)智能排產(chǎn)、生產(chǎn)協(xié)同、設(shè)備互聯(lián)、資源管控、質(zhì)量智能控制以及智能決策等功能的產(chǎn)品和服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)貫穿于產(chǎn)品從原材料采購、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)的全生命周期中，具有高度的個(gè)性化、數(shù)字化和智能化，此系統(tǒng)被稱為智能工廠。

智能工廠的關(guān)鍵技術(shù)主要分為三個(gè)階段，第一階段是大數(shù)據(jù)技術(shù)，主要指數(shù)據(jù)的采集，涉及到智能設(shè)備、傳感器和設(shè)備之間的互聯(lián)互通；第二階段是大數(shù)據(jù)的傳輸和分析；第三階段是云計(jì)算、云存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)安全等。智能工廠是一個(gè)由大數(shù)據(jù)技術(shù)、仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等為基礎(chǔ)構(gòu)建的智能有機(jī)體。

在智能工廠中仿真包含了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)運(yùn)行、三維工藝仿真、三維可視化現(xiàn)場(chǎng)仿真和市場(chǎng)模擬等。構(gòu)建的信息物理模型最重要的特點(diǎn)之一是需要包含完整、準(zhǔn)確的三維幾何尺寸，無論是仿真還是重構(gòu)，三維可視交互均至關(guān)重要?？梢暬夹g(shù)主要包括信息互聯(lián)和質(zhì)量管控，信息管控在于利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容相結(jié)合，設(shè)計(jì)出建模語言，并將標(biāo)準(zhǔn)化的工程語言應(yīng)用于智能工廠中實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的互相傳遞和處理；質(zhì)量管控是指通過虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)，并結(jié)合 BIM 和 MBD 建立的模型，能夠模擬預(yù)測(cè)智能工廠現(xiàn)場(chǎng)中可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)以及安全事故，用以防范安全風(fēng)險(xiǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）稱為3R技術(shù)，是一類以沉浸式體驗(yàn)為特征的人機(jī)交互技術(shù)，被視作是一類實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生交互與協(xié)同的有效手段，得到了廣泛的研究。

基于Web的智能工廠三維可視交互的實(shí)現(xiàn)過程結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能工廠三維可視交互結(jié)構(gòu)圖

首先，研究支持BIM、GIS和草圖模型的云化平臺(tái)，確立平臺(tái)化、Web化、移動(dòng)化以及高度擬真化。充分應(yīng)用云計(jì)算、Web 3D、VR、AR等先進(jìn)信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能工廠信息物理融合模型的可視交互，確保信息物理模型云平臺(tái)的高可擴(kuò)展性。

其次，面向仿真和重構(gòu)過程的VR以及裝備設(shè)施的AR交互，主要實(shí)現(xiàn)信息物理模型的高效存儲(chǔ)、組織和管理。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)基于Web 3D的智能工廠信息物理模型的搭建，實(shí)現(xiàn)高效的仿真、重構(gòu)。

最后，完成信息物理模型信息的VR/AR呈現(xiàn)及可視交互系統(tǒng)，支撐智能工廠全鏈仿真及動(dòng)態(tài)重構(gòu)。

5 智能工廠信息物理融合可視交互系統(tǒng)架構(gòu)

智能工廠信息物理融合可視交互系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息物理模型的高效存儲(chǔ)、組織和管理?；赩R/AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息模型幾何信息、屬性信息和仿真過程信息的可視交互，對(duì)智能工廠全鏈路進(jìn)行了仿真和生產(chǎn)過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)重構(gòu)。智能工廠信息物理融合可視交互系統(tǒng)的總體技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

智能工廠信息物理融合可視交互系統(tǒng)的總體功能架構(gòu) 如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體功能架構(gòu)

6 結(jié)束語

智能工廠信息物理融合系統(tǒng)滿足了智能工廠全鏈路信息物理融合與多模式交互，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)融合的生產(chǎn)過程仿真運(yùn)行及交互可視化?；贐IM和擴(kuò)展MBD模型制造環(huán)境三維仿真構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、交換、融合和共享應(yīng)用?；赪eb的智能工廠三維可視交互方法，實(shí)現(xiàn)了面向虛實(shí)融合仿真的可視交互技術(shù)，滿足了VR/AR呈現(xiàn)及可視交互。