方榮輝，楊淑群，蘭寧

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201600）

0 引言

隨著先進(jìn)制造業(yè)的大力發(fā)展，將人工智能技術(shù)和云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與其深度融合的產(chǎn)物——智能制造，成為世界各國制造業(yè)發(fā)展的共同趨勢和戰(zhàn)略目標(biāo)。與傳統(tǒng)制造相比，智能制造具備自律能力，搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為，不僅可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同的目標(biāo)，更能夠體現(xiàn)人在制造系統(tǒng)中的核心價值；采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，借助音像與傳感等裝置，展示現(xiàn)實(shí)生活中的制造過程與產(chǎn)品，具有自組織、自學(xué)習(xí)以及自維護(hù)等功能。因此，智能制造作為新型生產(chǎn)方式和制造技術(shù)，以物理生產(chǎn)系統(tǒng)及其對應(yīng)的各層級數(shù)字孿生映射融合為基礎(chǔ)，建立起具有動態(tài)感知、實(shí)時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行功能的智能工廠，可實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、綠色、安全的制造與服務(wù)[1]。

其中大部件制造的快速崛起，使得各領(lǐng)域的大部件設(shè)備不斷地朝著高安全、長壽命、高可靠、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方向發(fā)展，促進(jìn)了大部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷優(yōu)化、新材料的研究開發(fā)以及新制造工藝的應(yīng)用。針對工業(yè)大部件的巡航，我國的研究尚處于起步階段，理論成果和實(shí)際應(yīng)用并不充分，主要在依靠人工巡視的基礎(chǔ)上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，使用無人機(jī)進(jìn)行巡航拍攝，如圖1所示，但是仍無法做到數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸，對于工業(yè)大部件的全生命周期無法做到全程監(jiān)測管理，達(dá)不到真正意義上的智能化。

針對上述問題，本文以大飛機(jī)為例，利用數(shù)字孿生技術(shù)對無人機(jī)巡航的過程進(jìn)行研究，以數(shù)字化的方式創(chuàng)建無人機(jī)實(shí)體的虛擬模型，并借助坐標(biāo)數(shù)據(jù)模擬無人機(jī)在物理環(huán)境中的行為，建立人機(jī)協(xié)同交互的虛實(shí)反饋以及數(shù)據(jù)同步分析，在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)操作無人機(jī)巡航的模擬，為工業(yè)大部件的批產(chǎn)提速提供保障。

1 數(shù)字孿生發(fā)展

數(shù)字孿生作為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、智慧城市以及CPS等先進(jìn)理念的一種使能技術(shù)和方法，被企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和科研人員廣泛關(guān)注。其中，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)科學(xué)中心基于數(shù)字孿生對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命進(jìn)行預(yù)測，將影響飛行的結(jié)構(gòu)偏差以及溫度計算模型與超高保真的飛機(jī)虛擬模型相結(jié)合[2]。美國國家航空航天局在飛機(jī)的健康管理中將物理環(huán)境系統(tǒng)與其建立的虛擬環(huán)境系統(tǒng)相結(jié)合，應(yīng)用數(shù)字孿生對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)測與消除[3]。

同時，各領(lǐng)域的專家在自身的研究領(lǐng)域中引入數(shù)字孿生的概念，發(fā)表了大量與其相關(guān)的研究進(jìn)展和成果。文獻(xiàn)[4]簡述了數(shù)字孿生技術(shù)作為智能制造的基本要素，在產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)生命周期中的應(yīng)用，并總結(jié)分析其在智慧城市建設(shè)方面的主要應(yīng)用特點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]中介紹了人工智能等新技術(shù)如何與傳統(tǒng)的制造工業(yè)及其生產(chǎn)鏈進(jìn)行融合，展開討論智能制造是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要前提，而數(shù)字孿生又是智能制造的源動力，最后舉出歐美發(fā)達(dá)國家的幾個成功案例，提出利用智能技術(shù)解決制造問題的重要性。劉志峰等人基于數(shù)字孿生構(gòu)建零件的智能制造車間調(diào)度云平臺，實(shí)現(xiàn)工業(yè)零件實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控與診斷[6]。劉瀟翔等人利用數(shù)字孿生和數(shù)字紐帶構(gòu)建智慧設(shè)計仿真的航天控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中物理實(shí)體和數(shù)字孿生體之間數(shù)據(jù)雙向交互[7]。董雷霆等人運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建虛擬飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型，通過多源數(shù)據(jù)交互，反映并預(yù)測真實(shí)環(huán)境中飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)體在全生命周期內(nèi)的行為與性能[8]。

如今在各個領(lǐng)域中都能看到數(shù)字孿生的影子，通過搭建虛擬環(huán)境來清晰感知物理環(huán)境中的變化，該技術(shù)理念將持續(xù)影響著智能制造、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的未來發(fā)展。

2 無人機(jī)巡航系統(tǒng)

本文提出的基于數(shù)字孿生的無人機(jī)巡航系統(tǒng)由物理模型、邏輯模型、仿真模型和數(shù)據(jù)模型相互耦合和演化而成，采用物理實(shí)體結(jié)構(gòu)模型、幾何模型和材料模型的多尺度、多層次集成，將物理世界中的物理實(shí)體在虛擬空間進(jìn)行全要素重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)虛擬空間無人機(jī)巡航場景的對象孿生、過程孿生和性能孿生，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 用戶域

第一層是使用數(shù)字孿生體的用戶域，操作人員可通過全景展示大屏等設(shè)備實(shí)時監(jiān)測無人機(jī)的飛行狀態(tài)。首先，在展示模型上選擇全景入口，并從服務(wù)器中獲取對應(yīng)的全景素材以及無人機(jī)的運(yùn)動數(shù)據(jù)，將全兩者組合起來，模擬仿真后再疊加；其次，將虛擬的數(shù)據(jù)信息應(yīng)用到真實(shí)世界中，使得虛擬世界的無人機(jī)可以沿著真實(shí)世界的運(yùn)動軌跡同步進(jìn)行，并且通過全景展示大屏顯示出來，提高模型的真實(shí)性的同時，能夠很好地提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的用戶體驗(yàn)增強(qiáng)藝術(shù)效果、質(zhì)感和立體感。

2.2 數(shù)字孿生體

第二層是與物理實(shí)體目標(biāo)對象對應(yīng)的數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生體由場景信息系統(tǒng)與無人機(jī)數(shù)字孿生體構(gòu)成，通過數(shù)字孿生體的運(yùn)轉(zhuǎn)和無人機(jī)真實(shí)的狀態(tài)信息，準(zhǔn)確地與場景信息系統(tǒng)進(jìn)行匹配，為控制人員提供無人機(jī)所處位置、姿態(tài)等巡航位置信息。其中，無人機(jī)數(shù)字孿生體由三維建模、控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，如圖2所示，旨在通過構(gòu)建無人機(jī)巡航場景在虛擬空間中的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實(shí)體之間的信息交互與虛擬監(jiān)控。

圖2 無人機(jī)數(shù)字孿生體

2.2.1 三維建模模塊

無人機(jī)數(shù)字孿生體的三維建模模塊由高精度場景仿真系統(tǒng)和高精度大部件仿真系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

高精度場景仿真系統(tǒng)利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以智能制造中無人機(jī)巡航的工業(yè)大部件為仿真目標(biāo)，對無人機(jī)的巡航路線進(jìn)行虛擬仿真，提供場景和主要設(shè)備、系統(tǒng)的三維模型及各個系統(tǒng)之間的連接關(guān)系。

高精度大部件仿真系統(tǒng)包含工業(yè)大部件以及無人機(jī)的三維建模。實(shí)現(xiàn)虛擬空間中工業(yè)大部件和無人機(jī)的模型構(gòu)建并定義兩者物理實(shí)體的幾何屬性、運(yùn)動屬性和功能屬性。其中，工業(yè)大部件三維模型（以國產(chǎn)大飛機(jī)模型為例）如圖3所示，無人機(jī)三維模型如圖4所示。

圖3 工業(yè)大部件三維模型

圖4 無人機(jī)三維模型

2.2.2 控制系統(tǒng)模塊

控制系統(tǒng)是無人機(jī)數(shù)字孿生體的核心模塊，通過OPC UA、TCP/UDP、Web Service通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、遠(yuǎn)程通信和多源動態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時更新，通過人機(jī)接口和數(shù)據(jù)庫接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界的實(shí)時交互及同步反饋。其中，控制系統(tǒng)的核心功能由體驗(yàn)位權(quán)限、數(shù)據(jù)及交互、參展體驗(yàn)位三部分構(gòu)成。

體驗(yàn)位權(quán)限分為主體驗(yàn)權(quán)限位和副體驗(yàn)權(quán)限位。其中，主體驗(yàn)權(quán)限位可以控制無人機(jī)的起飛、返航、前進(jìn)和后退等功能。

數(shù)據(jù)及交互部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界和物理世界中無人機(jī)姿態(tài)及控制數(shù)據(jù)的一致性，在巡航過程中的數(shù)據(jù)將通過服務(wù)器實(shí)時傳輸，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的數(shù)字孿生。其中，無人機(jī)的巡航數(shù)據(jù)包含無人機(jī)的起始位置、巡航高度、上升速度、降落速度、返航點(diǎn)、工作的起始與終止時間以及無人機(jī)上搭載相機(jī)在巡航過程中的角度，最終以可視化圖表和可視化曲線的方式直觀呈現(xiàn)出來。

參展體驗(yàn)位為參展人員提供虛擬現(xiàn)實(shí)器，可觀看實(shí)時捕捉的故障點(diǎn)及巡航數(shù)據(jù)。參展體驗(yàn)分為巡航學(xué)習(xí)模式和巡航體驗(yàn)?zāi)Ｊ?。巡航學(xué)習(xí)模式包含無人機(jī)巡航視頻、專家資料庫介紹視頻以及巡航操作視頻；在巡航體驗(yàn)?zāi)Ｊ街?，無人機(jī)有固定的巡航路徑和時間規(guī)劃，可跟隨無人機(jī)觀察其巡航狀態(tài)。

2.3 控制實(shí)體

第三層是連接數(shù)字孿生體和物理實(shí)體的控制實(shí)體。無人機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)基于配套控制服務(wù)器進(jìn)行開發(fā)，構(gòu)成無人機(jī)控制實(shí)體，通過服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的同步運(yùn)行，完成對無人機(jī)的控制與相關(guān)信息的通信。

2.4 現(xiàn)實(shí)物理域

第四層是與數(shù)字孿生體對應(yīng)的物理實(shí)體目標(biāo)對象所處的現(xiàn)實(shí)物理域。具備高精度巡航控制系統(tǒng)和云臺設(shè)計的無人機(jī)以及其搭載的用于巡航拍攝的高清數(shù)碼相機(jī)構(gòu)成無人機(jī)系統(tǒng)，即數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)中的現(xiàn)實(shí)物理域，實(shí)現(xiàn)物理世界中無人機(jī)真實(shí)巡航信息和工業(yè)大部件真實(shí)狀態(tài)的采集。

3 案例應(yīng)用

下面針對某國產(chǎn)大飛機(jī)的巡航流程，應(yīng)用基于數(shù)字孿生的無人機(jī)巡航系統(tǒng)的案例。首先采用大疆M210無人機(jī)，搭載一體化云臺相機(jī)組成現(xiàn)實(shí)物理域；其次以數(shù)據(jù)庫為Mysql的服務(wù)器作為控制實(shí)體；之后利用Maya和Unity等開發(fā)工具進(jìn)行虛擬仿真，構(gòu)建數(shù)字孿生體；最后，通過用戶域?qū)邮盏降膶?shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 物理世界的無人機(jī)巡航

在物理世界中，無人機(jī)將按照預(yù)設(shè)好的路線對大飛機(jī)進(jìn)行巡航，共分為以下五個步驟。第一步，在制造車間建立坐標(biāo)系，便于確定無人機(jī)巡航的位置信息。第二步，在無人機(jī)巡航前安裝雙目相機(jī)以及高清數(shù)碼相機(jī)，其中，雙目相機(jī)用以測量巡航的高度，高清數(shù)碼相機(jī)用于采集大飛機(jī)表面圖像。第三步，使用Onboard-SDK調(diào)整無人機(jī)云臺的角度，進(jìn)而控制相機(jī)拍攝清晰的大飛機(jī)表面圖像。第四步，設(shè)定無人機(jī)巡航的路線及超參數(shù)。其中，超參數(shù)包括無人機(jī)巡航的高度、速度、起飛點(diǎn)以及返航點(diǎn)等。預(yù)設(shè)的無人機(jī)巡航路線如圖5所示，無人機(jī)按照O→A→B→C→B→D→E→D→F→G→F→A→O的路線進(jìn)行飛行。第五步，無人機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)好的路線進(jìn)行巡航，在巡航的過程中對大飛機(jī)進(jìn)行拍攝并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸回服務(wù)器。

圖5 無人機(jī)預(yù)設(shè)的巡航路線

3.2 數(shù)字世界的無人機(jī)巡航

本系統(tǒng)的運(yùn)行軟件由建模工具AlgDesigner V3.0開發(fā)而成。該工具將整個實(shí)驗(yàn)過程抽象為統(tǒng)一的虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)件、底層數(shù)學(xué)模型、邏輯機(jī)制等共性關(guān)鍵性技術(shù)，形成可擴(kuò)展的虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)件庫，為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺提供后臺邏輯支撐運(yùn)算，在前臺利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建可視化的實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)邏輯，達(dá)到支持演示、交互、計算、設(shè)計的一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖6所示。

圖6 虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

運(yùn)行無人機(jī)巡航系統(tǒng)軟件，初始界面如圖7所示，左下角的數(shù)據(jù)控制框中有三種控制無人機(jī)巡航的方式。

圖7 軟件運(yùn)行界面

第一種方式，自主設(shè)定無人機(jī)巡航的三維坐標(biāo)值，輸入完畢之后點(diǎn)擊確認(rèn)，數(shù)字世界無人機(jī)將飛行到相應(yīng)的坐標(biāo)位置，同時物理世界的無人機(jī)將飛行到相應(yīng)位置；

第二種方式，利用系統(tǒng)軟件提供預(yù)設(shè)好的12個固定坐標(biāo)點(diǎn)，分別為A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、E點(diǎn)、F點(diǎn)、G點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)、J點(diǎn)、K點(diǎn)、L點(diǎn)和M點(diǎn)，隨機(jī)選擇任一坐標(biāo)點(diǎn)并確認(rèn)，無人機(jī)將飛行到對應(yīng)坐標(biāo)位置；

第三種方式，通過系統(tǒng)軟件提前預(yù)設(shè)好的巡航方式，即圖5所示的無人機(jī)巡航路線，點(diǎn)擊進(jìn)入飛行路線，物理世界和數(shù)字世界的無人機(jī)將同時根據(jù)預(yù)設(shè)好的巡航路線開始巡航。

4 結(jié)語

在大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的支撐下，數(shù)字孿生逐漸趨向成熟化。本文將數(shù)字孿生技術(shù)理念應(yīng)用在無人機(jī)巡航工業(yè)大部件的過程中，不僅獲得無人機(jī)以及工業(yè)大部件的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時通過大量傳感器獲得實(shí)時數(shù)據(jù)。

目前數(shù)字孿生技術(shù)在有限場景中應(yīng)用廣泛，但隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)，精密機(jī)械的不斷增加，數(shù)字孿生能夠發(fā)揮重要價值的應(yīng)用場景將持續(xù)增多，其性價比也將不斷提高，從而激發(fā)企業(yè)去探索新的途徑來優(yōu)化設(shè)計、制造和服務(wù)。