任靖輝，張進(jìn)思

1.云南永昌硅業(yè)股份有限公司，云南昆明，650000；2.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，云南昆明，650031

0 引言

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是傳統(tǒng)工廠順應(yīng)信息化、智能化飛速發(fā)展趨勢的必由之路，也是工廠應(yīng)對數(shù)據(jù)日趨增長、安全生產(chǎn)管理日趨精細(xì)化的有力抓手。公司積極響應(yīng)國家發(fā)展信息化、智能化的號召，啟動了基于數(shù)字孿生技術(shù)的安全生產(chǎn)工藝流程管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用實(shí)踐項目。數(shù)字孿生技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺和人工智能等新時代信息技術(shù)一樣，為傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)變提供了巨大的動力，通過對工業(yè)制造過程和結(jié)果的量化分析、梳理和總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生作為突破性的應(yīng)用技術(shù)框架，將會成為實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)乃至智能制造的必要方法，值得深入和全面地展開研究[1-2]。

針對公司存在信息數(shù)據(jù)孤島、動態(tài)數(shù)據(jù)融合分析能力弱、缺少統(tǒng)一數(shù)據(jù)可視化門戶等問題，通過多種新一代信息技術(shù)手段的應(yīng)用，公司建立了一套符合企業(yè)未來智能工廠生產(chǎn)管控需求、集成性高、技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定的數(shù)字孿生可視化信息平臺，以滿足工廠對外宣傳展示、關(guān)鍵部位信息化監(jiān)測等功能，從而輔助整個工廠的生產(chǎn)管控，賦能傳統(tǒng)制造，提升企業(yè)的智能制造管理水平。

1 總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要分為三層，如圖1所示，即硬件設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺應(yīng)用層?？紤]到后期與工廠內(nèi)部其他信息系統(tǒng)的擴(kuò)展與集成問題，構(gòu)建基于B/S架構(gòu)的數(shù)字孿生信息應(yīng)用平臺能夠更好地滿足后續(xù)的擴(kuò)展要求和集成要求。在軟件架構(gòu)的技術(shù)選型上，考慮建立前后端分離架構(gòu)的軟件平臺，三維部分使用Unity進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，再將Unity工程以WEBGL平臺發(fā)布，通過js和Unity平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)三維場景用戶交互。依托于工廠現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器等提供的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源，將現(xiàn)有監(jiān)控攝像頭、現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行接入，獲取實(shí)時動態(tài)監(jiān)控信息，進(jìn)行分析及可視化展示[3]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計分層圖

2 數(shù)字孿生三維場景構(gòu)建

利用Blender三維建模軟件，通過無人機(jī)航拍等輔助建模手段，建立工廠三維模型。將建模完成的三維場景導(dǎo)出“.FBX”格式文件。本項目使用Unity作為三維引擎，它是一個跨平臺、全面整合的專業(yè)三維引擎。通過Unity引擎中的粒子特效、3D漫游、碰撞檢測、場景切換等功能模塊實(shí)現(xiàn)廠房的虛擬呈現(xiàn)和人機(jī)交互功能[4-5]，如圖2所示。

圖2 開發(fā)過程中的三維場景圖

3 傳感器接入

工廠現(xiàn)有傳感器種類較多，諸如用于監(jiān)測壓力的傳感器、用于監(jiān)測溫度的傳感器以及用于監(jiān)測電流電壓的傳感器等?，F(xiàn)有傳感器的接口服務(wù)較為完善，提供了直接對接硬件通信的接口服務(wù)和對接平臺的接口服務(wù)等多種方式。本項目采用通過http協(xié)議對接傳感器平臺接口的方式，向傳感器目標(biāo)服務(wù)器發(fā)起http請求，解析返回的json數(shù)據(jù)[6-7]。

在傳感器數(shù)據(jù)獲取方面，若直接通過前端頁面向傳感器目標(biāo)服務(wù)器發(fā)起ajax請求，也可實(shí)現(xiàn)獲取傳感器數(shù)據(jù)。但考慮到系統(tǒng)建成后的門戶頁面將提供工廠內(nèi)部不同網(wǎng)段的設(shè)備訪問。一方面，打通工廠不同網(wǎng)段之間的網(wǎng)絡(luò)互相訪問有一定工作量，同時加大了網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度；另一方面，將各網(wǎng)段打通會帶來新的網(wǎng)絡(luò)安全隱患，增加傳感器網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的安全風(fēng)險[8]。所以，本系統(tǒng)服務(wù)器使用單獨(dú)的網(wǎng)口與傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，通過后端服務(wù)器向傳感器目標(biāo)服務(wù)器發(fā)起請求后得到數(shù)據(jù)供相應(yīng)業(yè)務(wù)模塊使用。

4 監(jiān)控攝像頭接入

本項目建設(shè)涉及通過WEB界面調(diào)取現(xiàn)有監(jiān)控攝像頭畫面的功能，但現(xiàn)有工廠存在多個品牌的監(jiān)控設(shè)備。通過對現(xiàn)有監(jiān)控攝像頭軟件平臺進(jìn)行研究，主要發(fā)現(xiàn)如下問題。（1）若通過攝像頭廠商提供的安裝于Windows系統(tǒng)的專用客戶端播放監(jiān)控畫面，可能出現(xiàn)WEB端不能及時打開并調(diào)出監(jiān)控專用客戶端監(jiān)控畫面的問題、WEB端不能一次性調(diào)出特定攝像頭單一畫面問題、因可視化演示電腦未安裝監(jiān)控專用客戶端（或客戶端異常）導(dǎo)致的無法及時播放監(jiān)控畫面問題等，影響用戶體驗(yàn)。（2）若通過攝像頭廠商提供的WEB端軟件平臺播放監(jiān)控畫面，可能出現(xiàn)每次查看監(jiān)控需輸入賬號密碼查看的體驗(yàn)問題、部分廠商的平臺需安裝插件才能播放流媒體視頻問題等等。（3）會出現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境無法與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信的問題；工廠內(nèi)部各個網(wǎng)段有嚴(yán)格的劃分，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是單獨(dú)的一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，若使用監(jiān)控廠商自帶的播放平臺，要求播放端一定要處于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。

綜上問題分析，構(gòu)建一個流媒體平臺用于統(tǒng)一接入并解析不同廠商攝像頭流媒體視頻數(shù)據(jù)非常有必要，用于實(shí)現(xiàn)通過WEB頁面無插件打開監(jiān)控視頻流畫面，直接點(diǎn)擊WEB可視化界面中的攝像頭點(diǎn)位圖標(biāo)，即可查看實(shí)時監(jiān)控畫面情況，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)[9-10]。用于構(gòu)建流媒體平臺有多種技術(shù)手段，本項目采用WebRTC技術(shù)手段，提供實(shí)時的流媒體播放服務(wù)[11]。利用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，避免傳統(tǒng)的客戶端-服務(wù)器模式下的延遲和緩沖問題，使得視頻內(nèi)容可以幾乎實(shí)時地傳輸和播放[12]。

5 生產(chǎn)工藝模塊

生產(chǎn)工藝模塊旨在對硅工藝生產(chǎn)流程進(jìn)行模擬演示，通過Unity引擎的動畫系統(tǒng)和粒子系統(tǒng)，對工業(yè)硅生產(chǎn)的配料、冶煉、出硅、精煉、澆筑、精整、煙氣處理等流程在三維空間中進(jìn)行示意模擬，并配有各流程解說音頻，繪聲繪色地展示生產(chǎn)工藝過程。

6 WEB和Unity交互

數(shù)據(jù)孿生信息系統(tǒng)的構(gòu)建涉及大量的用戶交互開發(fā)。本項目是基于B/S架構(gòu)的瀏覽器端應(yīng)用，在系統(tǒng)設(shè)計時，綜合考慮可擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)安全性等問題。所有對后端發(fā)起的http請求，都由WEB前端發(fā)起，便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接口請求設(shè)計及定義、統(tǒng)一身份及權(quán)限認(rèn)證、統(tǒng)一接口數(shù)據(jù)安全管理等。雖然Unity中也可使用C#腳本實(shí)現(xiàn)發(fā)起http請求獲取接口數(shù)據(jù)，但需同樣考慮用戶認(rèn)證和權(quán)限問題，且WEB端和Unity端都定義接口，不方便統(tǒng)一管理[13]。

在從后端服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)進(jìn)而顯示到三維場景中的業(yè)務(wù)模塊上，統(tǒng)一在WEB前端向后端發(fā)起請求，WEB前端拿到數(shù)據(jù)后，再根據(jù)Unity官方推薦的“從JavaScript調(diào)用Unity腳本函數(shù)”方法，通過js調(diào)用三維空間物體中綁定的C#腳本中public方法函數(shù)，實(shí)現(xiàn)WEB向Unity的數(shù)據(jù)通信[14]。

在點(diǎn)擊三維空間中的物體并聯(lián)動觸發(fā)WEB前端行為的業(yè)務(wù)模塊上，通過為點(diǎn)擊物體設(shè)置Box Collider組件，在C#腳本中檢測用戶鼠標(biāo)的點(diǎn)擊觸發(fā)物體操作，根據(jù)Unity官方推薦的“從Unity腳本調(diào)用JavaScript函數(shù)”方法，將被點(diǎn)擊物體的相關(guān)信息發(fā)送到WEB端的JavaScript函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)Unity向WEB前端的數(shù)據(jù)通信[15]。

7 結(jié)論

本文結(jié)合具體實(shí)踐，基于數(shù)字孿生技術(shù)，從平臺總體設(shè)計到三維場景構(gòu)建和生產(chǎn)工藝業(yè)務(wù)模塊，再到傳感器和監(jiān)控攝像頭的接入聚合管理、WEB端和Unity數(shù)據(jù)交互，闡述了工廠數(shù)字孿生可視化信息系統(tǒng)的基本思路，體現(xiàn)了在系統(tǒng)建設(shè)過程中對系統(tǒng)整體性、可擴(kuò)展性、易用性、網(wǎng)絡(luò)安全性等方面的思考，為現(xiàn)代工業(yè)化在數(shù)字孿生可視化、監(jiān)控攝像頭和傳感器接入等方面提供可行的解決方案。