刁雪洋,丁建明
基于數(shù)字孿生的車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究
刁雪洋,丁建明
(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)
車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)是檢測車體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能是否達(dá)標(biāo)的必要性試驗(yàn)。本文將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與關(guān)聯(lián)中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和虛擬車體的交互融合,有利于解決靜強(qiáng)度試驗(yàn)中存在的數(shù)據(jù)分散混亂、數(shù)據(jù)間無關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)與車體結(jié)合度弱等問題。為此,基于數(shù)字孿生“虛實(shí)結(jié)合”的內(nèi)涵,建立了車體靜強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析的數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)。首先,通過UG繪制車體三維模型,分析模型在空間中的基礎(chǔ)變換,并結(jié)合Three.js構(gòu)建車體數(shù)字孿生模型。然后,明確管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和系統(tǒng)需求,提出車體靜強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)。最后,使用測試用例對整個系統(tǒng)進(jìn)行功能測試和數(shù)據(jù)測試,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性和計(jì)算準(zhǔn)確性,提高了生產(chǎn)、服務(wù)的有效性。
車體靜強(qiáng)度試驗(yàn);數(shù)字孿生;數(shù)據(jù)分析
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長,交通結(jié)構(gòu)不斷升級,軌道交通服務(wù)體系壯大,軌道交通進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時期,緩解著日益嚴(yán)峻的交通擁擠狀況。軌道交通車輛是公共交通系統(tǒng)中的大運(yùn)量運(yùn)輸工具,車體作為車輛的重中之重,為旅客提供乘坐的場所,用于安裝各種電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備[1]。同時,車體作為車輛的主要承載結(jié)構(gòu),主要包括車頂、端墻、底架和側(cè)墻,不僅承受著各種設(shè)備的重量,還承受車輛在行駛過程中帶來的縱向力和橫向力,這就要求車輛具有足夠的強(qiáng)度、剛度、可靠性和穩(wěn)定性[2]。車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)是為了檢測車體產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等性能是否達(dá)標(biāo),設(shè)計(jì)是否合理,生產(chǎn)工藝是否安全可靠,并為車體的優(yōu)化設(shè)計(jì)積累足夠的理論經(jīng)驗(yàn),幾乎涵蓋所有新造或重大改型軌道車輛。車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和檢測報告也是鑒定車輛不可缺少的資料,對后續(xù)的車體運(yùn)維服務(wù)能提供一定參考[3]。
隨著靜強(qiáng)度試驗(yàn)的增多、試驗(yàn)車型的增加和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累,存在著以下問題:試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散且混亂,統(tǒng)一歸類管理差;試驗(yàn)數(shù)據(jù)類型格式多樣,數(shù)據(jù)質(zhì)量波動較大,且逐漸向多樣化擴(kuò)展;大量歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)間缺乏關(guān)聯(lián)性不產(chǎn)生價值,數(shù)據(jù)與車體間結(jié)合度差,數(shù)據(jù)追溯車體困難;人工管理效率低下,在線歸檔管理未鋪開,缺少統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)支持?;跀?shù)字孿生“虛實(shí)結(jié)合”的內(nèi)涵,將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與關(guān)聯(lián)中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和虛擬車體的交互融合,可以為上述問題提供解決思路。
國內(nèi)外研究者對數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品制造業(yè)中的各階段所產(chǎn)生的不同功能進(jìn)行了多方面的研究,并取得了一定成果。在設(shè)計(jì)階段,數(shù)字孿生可以幫助設(shè)計(jì)人員更快地配置和驗(yàn)證設(shè)計(jì)場景,幫助決策者準(zhǔn)確解讀市場需求和客戶偏好[4-5]。在制造階段,數(shù)字孿生可以通過從訂單、設(shè)計(jì)、采購、生產(chǎn)、制造和產(chǎn)品使用等階段收集的數(shù)據(jù),來模擬并分析生產(chǎn)要素之間的交互行為[6-7]。在服務(wù)階段,數(shù)字孿生依靠實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控和維護(hù)等虛擬操作來預(yù)測產(chǎn)品的剩余壽命[8-10]。然而,國內(nèi)外研究者對于貫穿產(chǎn)品全生命周期的產(chǎn)品試驗(yàn)階段的數(shù)字孿生研究較少,因此本文基于車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)開展的數(shù)字孿生研究非常必要。
本文通過研究數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展趨勢、內(nèi)涵和體系結(jié)構(gòu),結(jié)合車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際需求,提出車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的數(shù)字孿生系統(tǒng)的研究,以靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)資源為基礎(chǔ),車體數(shù)字孿生模型為核心,試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)為載體,將車體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗(yàn)狀態(tài)在虛擬空間進(jìn)行全要素重建和數(shù)字化表達(dá)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)承載帶有數(shù)據(jù)信息的車體數(shù)字孿生模型,靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)資源驅(qū)動數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng),三者之間的關(guān)系如圖1所示。
圖1 總體架構(gòu)組成
(1)車體數(shù)字孿生模型的構(gòu)建
數(shù)字孿生模型是實(shí)體在虛擬空間的配對虛擬體,可以通過已有的理論知識或積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合先進(jìn)建模和仿真工具進(jìn)行構(gòu)建,其關(guān)鍵在于模型需具有較高的精度。這就需要車體的幾何特征、空間位置、物理屬性等關(guān)鍵要素在模型上能充分地進(jìn)行描述和定義,構(gòu)成一個虛實(shí)深度結(jié)合的模型,從而準(zhǔn)確地在虛擬空間表達(dá)車體實(shí)體的特征和性能。車體數(shù)字孿生模型作為本文的核心部分,針對在靜強(qiáng)度試驗(yàn)中用到的不同類型車體都有與之對應(yīng)的配對虛擬車體模型,且對模型的精準(zhǔn)性要求較高。因此,本文選擇基于WebGL的Three.js三維可視化框架,結(jié)合UG三維建模軟件完成車體數(shù)字孿生模型的構(gòu)建。
(2)車體靜強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
車體靜強(qiáng)度數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)的主要功能是針對分散復(fù)雜的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和管理,主要包括智能識別格式不同的數(shù)據(jù),統(tǒng)一管理分散在各處的試驗(yàn)數(shù)據(jù),并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1806-2006[11]正確處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),自動生成靜強(qiáng)度試驗(yàn)檢測報告,根據(jù)試驗(yàn)車型分類并對比分析歷史試驗(yàn),使數(shù)據(jù)間產(chǎn)生關(guān)聯(lián),提供數(shù)據(jù)的可視化查看,達(dá)到在線標(biāo)準(zhǔn)化歸類管理數(shù)據(jù)的效果,同時為車體數(shù)字孿生模型提供數(shù)據(jù)支持和載體,關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)與歷史被試車體,提高數(shù)據(jù)溯源的可行性。
車體虛擬三維模型的細(xì)節(jié)精準(zhǔn)度、逼真性直接影響實(shí)體狀態(tài)的表達(dá)。WebGL具有強(qiáng)大的圖形處理能力,可以在瀏覽器中創(chuàng)建2D/3D應(yīng)用和圖形,但Three.js庫中只提供了少數(shù)簡單的標(biāo)準(zhǔn)幾何體和高級幾何體,不適合建立車體三維模型。因此,通過UG三維建模軟件完成車體虛擬三維模型的繪制。將繪制好的三維模型導(dǎo)出為OBJ和MTL格式文件,導(dǎo)出的OBJ格式文件中包括了車體實(shí)體的頂點(diǎn)位置、頂點(diǎn)法向量等所有三維信息數(shù)據(jù),MTL格式文件包含了車體實(shí)體的材質(zhì)信息。Three.js中提供的OBJLoader和MTLLoader加載器剛好可以讀取識別這兩類文件。
車體三維模型在WebGL世界坐標(biāo)系中的幾何變換方式主要有三種:平移、縮放和旋轉(zhuǎn)變換。模型在三維空間的運(yùn)動均可以通過這三種基礎(chǔ)變換方式疊加實(shí)現(xiàn)。對于空間任意一點(diǎn)(,,)沿、、軸三個方向變換后,該點(diǎn)的坐標(biāo)變換為′(′,′,′),使用四元列向量齊次坐標(biāo)表示為[12]:
′=·(1)
式中:′=[′′′ 1]T;=[1]T;為基礎(chǔ)變換矩陣。
在平移變換中,平移量為(,,),在縮放變換中,縮放量為(,,),在旋轉(zhuǎn)變換中,沿任意軸旋轉(zhuǎn)角度后,令=cos、=sin,為單位化的旋轉(zhuǎn)軸,則:
式中:T為平移矩陣;S為縮放矩陣;()為旋轉(zhuǎn)矩陣。
綜上所述,對于空間中任意一點(diǎn)(,,),通過平移、縮放和旋轉(zhuǎn)的矩陣變換后,得到′(′,′,′),從而實(shí)現(xiàn)模型在三維空間中的任意移動,其模型運(yùn)動原理如圖2所示。
采用建立在WebGL基礎(chǔ)上的Three.js三維可視化框架,通過研究自定義構(gòu)建孿生模型的Three.js相關(guān)方法,來構(gòu)建車體的數(shù)字孿生模型,整體構(gòu)建流程如圖3所示,主要包括:
(1)建立車體三維虛擬模型?;谖锢碥圀w實(shí)體的各屬性參數(shù),使用3D建模繪制軟件UG繪制其三維模型,導(dǎo)出OBJ和MTL文件,混合生成車體白模型。
圖2 空間中模型任意移動原理圖
圖3 車體數(shù)字孿生模型構(gòu)建整體流程
(2)構(gòu)建場景,導(dǎo)入車體白模型。遵循Three.js建立虛擬三維場景的步驟,添加光源和相機(jī)要素,導(dǎo)入車體白模型,完成虛擬三維場景構(gòu)建。
(3)合并要素并優(yōu)化渲染。在Three.js中創(chuàng)建并設(shè)置渲染器,完成后將場景、相機(jī)、模型等要素作為渲染器對象優(yōu)化渲染,完成模型在場景中的渲染。
(4)引入車體靜強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)的配對試驗(yàn)數(shù)據(jù),將其與車體孿生模型相結(jié)合,在虛擬空間中映射試驗(yàn)現(xiàn)場車體狀態(tài)和試驗(yàn)數(shù)據(jù),完成車體數(shù)字孿生模型的構(gòu)建。
車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)是以靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)為研究對象,設(shè)計(jì)一個數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化歸類管理、挖掘分析數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)價值的數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng),并以此為載體承載車體數(shù)字孿生模型,滿足試驗(yàn)數(shù)據(jù)集中管控、處理、分析等常用需求,為試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建統(tǒng)一整合、智能識別、精準(zhǔn)分析和處理的能力,解放人工勞動力,聯(lián)動上下游業(yè)務(wù)。系統(tǒng)開發(fā)完成后應(yīng)能達(dá)到以下目標(biāo):
(1)功能完備性。完備性主要是指所開發(fā)的系統(tǒng)功能齊全、完整,能解決上述存在的問題,滿足用戶對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本功能需求。這就要求系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期與用戶進(jìn)行有效溝通,了解用戶基本需求,進(jìn)行完備性設(shè)計(jì),且在開發(fā)時遵循相應(yīng)的規(guī)范和要求。
(2)運(yùn)行可靠性??煽啃允呛饬肯到y(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行的重要指標(biāo),主要是指保證系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。這就需要在開發(fā)、測試階段對系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的測試與驗(yàn)證,在早期修復(fù)出現(xiàn)的故障和漏洞。
(3)系統(tǒng)擴(kuò)展兼容性。兼容性主要是指系統(tǒng)能兼容不同類型車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn)的需要,以及兼容不同試驗(yàn)人員的不同習(xí)慣。擴(kuò)展性主要是指在正式上線后,系統(tǒng)還可進(jìn)行二次開發(fā),或者可靈活添加新功能、修改現(xiàn)有功能等。擴(kuò)展性越好,系統(tǒng)后期維護(hù)成本越低。
根據(jù)對車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)中存在問題的分析,確定系統(tǒng)的功能性需求如圖4所示,并運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思想,將車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的數(shù)字孿生系統(tǒng)需求分為用戶管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和結(jié)果輸出模塊。
(1)用戶信息管理模塊。主要功能為用戶登錄注冊信息管理和用戶權(quán)限管理,根據(jù)不同的用戶類型呈現(xiàn)不同的UI界面,為不同的用戶提供不同的系統(tǒng)操作權(quán)限。
圖4 系統(tǒng)需求框架圖
(2)數(shù)據(jù)管理模塊。主要包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入、分析、處理和檢索功能。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳錄入后,對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些處理分析(包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、垂向位移值修正、三向片測點(diǎn)應(yīng)變值換算、數(shù)據(jù)疊加處理等處理),最后,保存處理結(jié)果,提供數(shù)據(jù)檢索功能和數(shù)據(jù)分析功能,并為數(shù)字孿生模型提供數(shù)據(jù)支持。
(3)結(jié)果輸出模塊。主要包括數(shù)字孿生模塊展示和試驗(yàn)檢測報告自動生成導(dǎo)出。將處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與虛擬三維車體模型相結(jié)合,通過構(gòu)建車體數(shù)字孿生模型,為用戶展示被試車體在該次靜強(qiáng)度試驗(yàn)中的狀態(tài)數(shù)據(jù),同時,自動將處理結(jié)果生成為試驗(yàn)檢測報告,存檔管理,為后續(xù)服務(wù)提供參考。
如圖5所示,自上而下地構(gòu)建管理系統(tǒng)的總體架構(gòu),主要分為三層:界面層面向用戶交互,包括表現(xiàn)層和安全層;業(yè)務(wù)邏輯層面向系統(tǒng)邏輯處理和業(yè)務(wù)功能,包括應(yīng)用層和領(lǐng)域?qū)?;?shù)據(jù)訪問層僅有數(shù)據(jù)層,面向數(shù)據(jù)資源存儲。
圖5 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
(1)表現(xiàn)層與安全層
表現(xiàn)層是用戶和系統(tǒng)之間交流的橋梁,匯集所有層級功能,直接面向用戶提供各類Web服務(wù),依據(jù)不同用戶類型瀏覽器呈現(xiàn)不同的UI界面,協(xié)調(diào)用戶和系統(tǒng)的交互操作。
安全層是系統(tǒng)最基礎(chǔ)的信息層級,該層嚴(yán)格把控用戶權(quán)限,用戶只能訪問自己權(quán)限內(nèi)的頁面;同時對用戶進(jìn)行信息認(rèn)證和密碼驗(yàn)證,正確匹配用戶信息即可放行訪問,保證系統(tǒng)操作的安全性。
(2)應(yīng)用層與領(lǐng)域?qū)?/p>
應(yīng)用層負(fù)責(zé)系統(tǒng)的應(yīng)用邏輯,向用戶提供數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)檢索等各項(xiàng)業(yè)務(wù)相關(guān)的服務(wù)內(nèi)容,主要作用是將各種業(yè)務(wù)功能和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的人機(jī)交互方式呈現(xiàn)給用戶,方便用戶獲取所需信息。
領(lǐng)域?qū)迂?fù)責(zé)系統(tǒng)的領(lǐng)域邏輯,利用應(yīng)用層業(yè)務(wù)知識和規(guī)則,來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層業(yè)務(wù)流程與業(yè)務(wù)需求,體現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)的核心價值。
(3)數(shù)據(jù)層
數(shù)據(jù)層是為前面層級提供數(shù)據(jù)服務(wù)的層級,將數(shù)據(jù)持久化到物理存儲中,接受處理所有數(shù)據(jù)相關(guān)訪問請求,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互傳輸。
完成車體孿生模型的構(gòu)建和數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)工作后,還需要通過測試用例和試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能是否完備、數(shù)據(jù)計(jì)算是否準(zhǔn)確。
針對系統(tǒng)功能完備性測試方面,通過合適的測試用例,在指定的測試環(huán)境下對系統(tǒng)的訪問、登錄、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)字孿生和試驗(yàn)檢測報告生成導(dǎo)出等功能,從多個方面、多個步驟進(jìn)行了測試,共計(jì)13個測試用例。最后所有測試用例均通過,測試用例實(shí)際執(zhí)行結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致。
針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確性測試方面,從歷史靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取5次試驗(yàn)的全部數(shù)據(jù),導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)出系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù),并與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)相對比,經(jīng)過整理統(tǒng)計(jì)后,得出其差值維持在0.00~0.03范圍內(nèi),實(shí)際使用中該范圍在用戶的接受范圍內(nèi),可以滿足用戶的實(shí)際需求。
測試表明,本文所研究的車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠完成上述方案中所設(shè)計(jì)的所有核心功能,且能正確處理數(shù)據(jù),驗(yàn)證了本系統(tǒng)具有一定的可用性、可靠性和準(zhǔn)確性。
面對車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)中積累的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)所隱藏的潛在價值,本文將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,提出了車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的數(shù)字孿生系統(tǒng)研究框架,并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目案例,通過構(gòu)建車體數(shù)字孿生模型,提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)與被試車體間的結(jié)合度和歷史數(shù)據(jù)的追溯能力;通過設(shè)計(jì)車體靜強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精細(xì)化處理分析和管理,解決了數(shù)據(jù)無意義堆積問題,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源關(guān)聯(lián)流通和后續(xù)服務(wù)的聯(lián)動,從而提升了產(chǎn)品的開發(fā)速度,提高了生產(chǎn)、服務(wù)的有效性。
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Research on Data Analysis of Car Body Static Strength Test Based on Digital Twin
DIAO Xueyang,DING Jianming
( State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)
The static strength test of the car body is a necessary test to check whether the structuralperformance of the car body meets the standards. In this paper, the digital twin technology is applied to the analysis and correlation of the static strength test of the car body to realize the interactive integration between data and virtual car body. It is beneficial to solve some problems, such as the dispersion and confusion of data, the lack of correlation of data, the weak combination between data and its original car body. Therefore, based on the connotation of "virtual real combination" of digital twin technology in this paper, the overall framework of digital twin system for the data analysis of the car body static strength is established. Firstly, drew the three-dimensional virtual model of car body by UG software, analyzed the basic transformation of model in space and built the digital twin model of car body by combining with Three.js framework. Secondly, clarified the design objectives and requirements of the management system, and proposed the overall framework of the data analysis and management system for car body static strength test. Finally, by using test cases to test function test and data test of the whole system, the functional feasibility and calculation accuracy of the system was verified. The system can improve the effectiveness of production and service.
the car body static strength test;digital twin;data analysis
U270.1+4
A
10.3969/j.issn.1006-0316.2022.09.009
1006-0316 (2022) 09-0057-06
2022-04-06
企業(yè)合作項(xiàng)目:車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用軟件開發(fā)(R110220H01123)
刁雪洋(1997-),男,重慶人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閿?shù)字孿生,E-mail:diaoxy0112@qq.com;丁建明(1981-),男,四川平昌人,博士,副研究員,主要研究方向?yàn)闄C(jī)電設(shè)備的智能控制與大數(shù)據(jù)可視化研究。