吳琦，張勝文，國明義，曹佑忍

(江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212100)

0 前言

隨著智能制造浪潮的掀起，數(shù)字化車間物流管理方式逐漸智能，有效提高物流工作的效率及準確性，但是仍有很大的改進空間[1]，表現(xiàn)在各部門間的信息交流不夠充分，對配送物料的需求信息溝通不及時，導致車間生產(chǎn)所需的物料不能滿足車間裝配生產(chǎn)運行的需求，并且物料配送過程不夠透明，一定程度上造成了工位物料到達時間不準確影響后續(xù)裝配工作。另外，在對車間的實時監(jiān)控方面，當前可使用的監(jiān)控手段局限性較大[2]。車間主要利用攝像頭形式進行監(jiān)控，視角固定，監(jiān)控范圍有限，缺少全方位的監(jiān)控管理。因此，提出一種數(shù)字孿生驅(qū)動的車間物流配送實時監(jiān)控方法，全方位監(jiān)控車間物流配送情況，提高車間物料配送的效率，通過構建數(shù)字孿生車間與物理車間交互映射，實現(xiàn)車間物流智能化。

近年來，基于數(shù)字孿生的實時監(jiān)控技術備受國內(nèi)外學者的關注，也取得了一定的成果。ZHAO等[3]提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生的安全管理追蹤解決方案框架，并開發(fā)一種室內(nèi)安全跟蹤機制，用于識別異常狀態(tài)并實時獲取精確的位置信息。PAN等[4]提出一種多層云計算數(shù)字孿生系統(tǒng)，用于同步生產(chǎn)物流系統(tǒng)的實時監(jiān)控、決策和控制，在具有完整實時信息的物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動生產(chǎn)物流同步系統(tǒng)中，物理層發(fā)生的動態(tài)可以被準確、實時地捕捉，而數(shù)字層則可以有效地評估其對系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的負面影響。吳錢昊[5]通過數(shù)字孿生技術并結合生產(chǎn)車間設備監(jiān)控的實際需求，在現(xiàn)有生產(chǎn)設備管理技術的基礎上進行優(yōu)化，以提高生產(chǎn)車間設備監(jiān)管系統(tǒng)的智能程度。周成等人[2]提出一種基于數(shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型，以解決制造車間監(jiān)控透明度低、方式單一、實時性差等問題。吳鵬興等[6]基于AutomationML和OPC UA的數(shù)據(jù)建模和傳輸方式、事件驅(qū)動的虛實映射方法，實現(xiàn)了車間實時監(jiān)控。段明皞等[7]為了完成裝配過程的全方位數(shù)據(jù)監(jiān)控，建立了發(fā)動機裝配實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了裝配線數(shù)字化運行。趙浩然等[8]提出了實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬車間同步運行模式，在Unity3D上開發(fā)了多層次協(xié)同展示的三維可視化監(jiān)控模型。姜康等人[9]在Unity3D上進行了基于虛擬現(xiàn)實技術和信息集成技術的虛擬車間狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的實例驗證。曹偉等人[10]用RFID的車間數(shù)據(jù)采集方法并以事件為驅(qū)動運行，建立離散制造車間多層次監(jiān)控模型。

綜上，國內(nèi)外的學者在數(shù)字孿生車間實時監(jiān)控方向上取得了一些成果，但車間的監(jiān)控界面交互性差，無法全方位多層次反映物理車間的真實細節(jié)情況等不足依舊存在。為此，本文作者對車間物流方面開展數(shù)字孿生驅(qū)動的車間物流實時監(jiān)控技術研究，圍繞其系統(tǒng)框架，研究系統(tǒng)關鍵模塊，并開發(fā)了車間物流可視化實時監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架

本文作者設計一種數(shù)字孿生驅(qū)動的車間物流要素實時監(jiān)控系統(tǒng)，在滿足精準配送和節(jié)約配送資源的前提下，實現(xiàn)物理車間與虛擬車間迭代優(yōu)化，集成車間物流配送要素、數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控車間物流配送情況，達到車間物流管控最優(yōu)。具體如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生車間框架

物理實體層是實現(xiàn)系統(tǒng)的基礎。結合應用系統(tǒng)層需求，物理層包括傳感器 、射頻識別系統(tǒng)等采集資源，無線網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡資源，AGV、起重機、叉車等運輸資源以及在制品、零部件等產(chǎn)品資源。物理層中運輸載體按照配送方案配送物料完成下達的運輸任務，其中采集模塊負責采集車間的配送需求信息、運輸載體信息，將配送過程中的實時信息通過網(wǎng)絡模塊上傳至數(shù)據(jù)層，對數(shù)據(jù)進行分析處理，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動來控制運輸載體工作。

孿生模型層是物理層在虛擬空間的實時映射。從幾何模型、動作模型、行為模型3個方面對虛擬車間進行模型搭建，將孿生模型動態(tài)交互與融合實現(xiàn)對物理層的真實刻畫與描述。整個虛擬層能將物理車間運輸過程在虛擬層進行真實映射，包括運輸設備活動、物料運輸過程等。虛擬層在滿足精準配送情況下對配送過程進行仿真優(yōu)化與監(jiān)控，并不斷對模型進行修正來保證孿生層與虛擬層各種配送要素活動的一致與準確。

孿生數(shù)據(jù)層是監(jiān)控體系的物理層與虛擬層的橋梁[11]，存儲車間運行過程中的數(shù)據(jù)并進行交互傳輸處理。孿生數(shù)據(jù)主要包括運輸設備的屬性(設備型號、設備狀態(tài))、設備運行數(shù)據(jù)(傳感器數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)以及優(yōu)化和監(jiān)測數(shù)據(jù))以及物料數(shù)據(jù)(物料型號、狀態(tài))等。在配送物料活動中，不斷地完善和修正數(shù)據(jù)，形成強大的數(shù)據(jù)模型，是虛擬層動態(tài)映射的基礎與支柱。

應用系統(tǒng)層是系統(tǒng)功能的集合，包括智能倉儲、精準配送、實時監(jiān)控等功能。物理層各類運輸設備協(xié)調(diào)運輸，在與虛擬層交互的過程中產(chǎn)生大量的孿生數(shù)據(jù)傳輸給服務層，服務層通過孿生數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)對車間配送情況的分析與監(jiān)視。車間配送過程中，有大量的數(shù)據(jù)需存儲與處理，對車間模型修正，滿足對配送要素全過程的實時監(jiān)控，進行全方位的仿真分析以提供合適的配送方案。

基于數(shù)字孿生車間框架與傳統(tǒng)可視化監(jiān)控不同的是：數(shù)字孿生驅(qū)動的車間實時監(jiān)控是在不斷積累物理車間運行過程中的實時數(shù)據(jù)，結合車間配送物料過程，不斷完善數(shù)字孿生中的物流信息模型和仿真分析模型并反饋于物理車間，體現(xiàn)車間配送要素運行邏輯與演化，實現(xiàn)孿生車間與物理車間的虛實交互。數(shù)字孿生驅(qū)動的車間物流實時監(jiān)控實現(xiàn)過程總結為：虛擬車間搭建、數(shù)據(jù)交互、監(jiān)控結果輸出3個方面。為了準確描述車間的物流配送過程，采集車間配送各要素信息數(shù)據(jù)，既包括配送過程所需的運輸載體、物料、操作人員等關鍵信息，又包括各類配送過程中生成的實時數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要用于實現(xiàn)孿生車間與物理車間的虛實映射。具體表現(xiàn)為在虛擬層中通過幾何模型展示物理車間各要素，并通過為車間中的要素賦予動作指令表現(xiàn)配送物料的動態(tài)過程，以及通過各要素的運行邏輯對車間配送過程進行仿真及監(jiān)控，并將運行情況及時反饋于物理車間，并及時調(diào)整，孿生車間與物理車間信息交互，并在系統(tǒng)輸出模塊中實現(xiàn)車間運行情況監(jiān)控及對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及分析，使得車間配送效率達到最優(yōu)。

2 系統(tǒng)模塊設計

2.1 虛擬系統(tǒng)模塊

虛擬系統(tǒng)從幾何、動作、規(guī)則模型方面進行虛擬場景的搭建，實現(xiàn)對物理車間配送過程的實時映射，提供良好的可視化體驗。虛擬系統(tǒng)模塊可以表示為

Msys={M，P，Tsys}

(1)

Tsys={Tgea，Tact，Trul}

(2)

式中：Msys為車間配送模型；M為車間工藝要素孿生模型；P為車間其他孿生模型；Tsys為物流要素孿生模型；Tgea為物流要素幾何模型；Tact為物流要素動作模型；Trul為物流要素規(guī)則模型。具體解釋如下所示：

(1)幾何模型Tgea。是建立虛擬車間的基礎，對車間虛擬模型中的各要素包括配送設備、燈光、傳感器、工位、物料等靜態(tài)要素進行建模，完成對車間整體模型要素的搭建。

(2)動作模型Tact。物理車間內(nèi)不斷進行的物流配送工作，是由運輸載體進行配送物料的動態(tài)過程。比如車間AGV的前進、后退、卸貨，起重機的移動、抓取、放下等操作。

(3)規(guī)則模型Trul。在配送過程中設備的狀態(tài)發(fā)生改變，是由于車間配送任務是由不同的指令下達，通過事件驅(qū)動車間運輸設備工作[12]，以實現(xiàn)更深層次的虛擬車間的建模工作。

2.2 數(shù)據(jù)交互模塊

車間配送監(jiān)控系統(tǒng)運行是通過數(shù)據(jù)的驅(qū)動，利用傳輸協(xié)議雙向通信方式建立數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)展示層之間的聯(lián)系，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院蛯崟r性[11-13]。數(shù)據(jù)實時交互架構如圖2所示。數(shù)據(jù)展示層向數(shù)據(jù)處理層發(fā)送數(shù)據(jù)請求，并將處理層返回的數(shù)據(jù)進行渲染以實現(xiàn)車間運輸狀態(tài)的更新。數(shù)據(jù)處理層響應上層請求，為相應的服務提供數(shù)據(jù)來源，并接收采集層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集層將物流數(shù)據(jù)等存儲到SQL Sever數(shù)據(jù)庫中，當服務器接收指令后，會執(zhí)行相關操作并將結果返回給服務器，服務器返回數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理層進行數(shù)據(jù)格式處理等操作。上述操作形成閉環(huán)以確保數(shù)據(jù)實時交互的高效性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動車間物流運行[14]。

圖2 數(shù)據(jù)實時交互架構

其中，數(shù)據(jù)主要來源包括物料數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。物料數(shù)據(jù)包括物料的數(shù)量、型號、位置等，及物料倉儲中的出入庫信息。倉儲數(shù)據(jù)將與其他車間物料數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。運輸設備數(shù)據(jù)包括車間運輸設備的基本信息包括型號、設備參數(shù)等。運行狀態(tài)信息包括設備運行過程中的工作速度、載物情況等狀態(tài)。生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)任務信息及生產(chǎn)狀態(tài)信息。其他數(shù)據(jù)包括人員信息數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容見圖3。

圖3 配送數(shù)據(jù)類型

2.3 系統(tǒng)服務模塊

系統(tǒng)服務模塊具有較強的交互性和展示性，可以根據(jù)系統(tǒng)需求提供相應功能，文中的系統(tǒng)服務模塊包括車間監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理和分析、運輸情況顯示。對數(shù)據(jù)進行交互、處理、更新等操作，完成對車間場景、物流、工藝的映射并顯示。具體車間可視化監(jiān)控內(nèi)容如圖4所示。

圖4 車間可視化監(jiān)控

實時監(jiān)控功能可以實現(xiàn)車間配送過程全方位、多角度的監(jiān)控，分別是：全局視角、局部視角和追蹤視角。全局視角實現(xiàn)自由視圖模式下的車間漫游，操作者可隨意選擇視角，使用鍵盤、鼠標操作視角方向，實現(xiàn)在車間中的自由漫游。局部視角實現(xiàn)在固定位置進行定點監(jiān)視。追蹤視角用于配送過程的車輛，在車輛配送過程中進行視野跟隨，不需要用戶操作就可以對車間配送進行監(jiān)視。

數(shù)據(jù)管控功能，包括對運輸設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、物料追溯數(shù)據(jù)、設備維修故障數(shù)據(jù)等進行管理及分析。根據(jù)優(yōu)化理念，分析配送最優(yōu)方案、統(tǒng)計車間內(nèi)配送設備在運行時間內(nèi)的異常情況并分析，以便在配送過程中出現(xiàn)擾動情況時做出配送方案的調(diào)整。通過數(shù)據(jù)分析，管理者可以更直觀地了解車間配送情況，調(diào)整配送進度。

運輸情況顯示功能是將運輸載體的運輸情況進行展示分析，包括各AGV的運輸物料及裝載率，根據(jù)AGV配送至各工位的情況更新運輸物料及裝載率，結合車間監(jiān)控實現(xiàn)對車間AGV配送的全方位監(jiān)控。

系統(tǒng)服務模塊根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)對物流方面進行監(jiān)控。根據(jù)采集系統(tǒng)收集的各種實時數(shù)據(jù)，分析車間中配送設備的運行狀態(tài)，并對車間物流、工位的裝配工藝及車間整體映射，實現(xiàn)了物流監(jiān)控的要素管理透明化，提高車間的物流運行效率。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

以某船用柴油機混流裝配車間為例驗證系統(tǒng)的有效性。該車間共有11個工位，分為部裝、預裝及總裝工位，裝配車間的主要運輸車輛為AGV和起重機。利用SolidWorks對車間內(nèi)要素進行三維建模，并將模型通過3DMax轉(zhuǎn)化為.FBX格式模型文件，最后將模型導入到Unity3D中。具體車間俯視圖及車間內(nèi)部場景如圖5、圖6所示。并建立實時數(shù)據(jù)庫，存儲車間運行過程中的數(shù)據(jù)尤其配送過程中的數(shù)據(jù)，最后在Unity3D中結合C#編程建立實時監(jiān)控系統(tǒng)[12]。系統(tǒng)的具體功能如圖7所示。

圖5 車間俯視圖

圖6 車間內(nèi)部場景

物流配送顯示主要針對AGV運輸過程的監(jiān)視，包括AGV所運輸?shù)奈锪闲畔?、所在工位及AGV的裝載率等，當AGV到達某一工位時，則顯示該AGV在該工位的配送信息。數(shù)據(jù)分析主要顯示車間的整體配送情況，主要包括年月日的運輸車輛配送情況、車間物料分布情況、車間年產(chǎn)值等。監(jiān)視功能區(qū)中對于AGV的監(jiān)控采用了追蹤視角，隨著AGV配送物料進行視線跟隨，對于車間中的特定位置進行監(jiān)控，如工位、緩存區(qū)等采用局部視角進行監(jiān)控，通過鍵盤H操作進行視角切換，方便監(jiān)控物料到達各工位的配送情況及緩存區(qū)的物料情況；車間漫游監(jiān)控通過使用鍵盤中的W、A、S、D進行場景的前后左右視角移動，另外鼠標的左鍵有加速移動功能，鼠標的右鍵為視角的旋轉(zhuǎn)。具體控制方法如表1所示。

Unity3D運行結果如圖8所示。點擊物流配送功能，當AGV到達某工位時，能在功能欄中顯示配送信息，并且視角都隨著AGV漫游。點擊數(shù)據(jù)分析功能，車間配送情況圖表分析具體情況見圖9，通過操作鍵盤及鼠標實現(xiàn)車間場景漫游及場景切換。通過該系統(tǒng)的初步驗證，目前基本可以實現(xiàn)車間物流運輸情況的數(shù)據(jù)采集、配送情況的動態(tài)映射、車間運行數(shù)據(jù)的分析等功能，有效解決傳統(tǒng)車間的物流管控困難、可視化程度不高、配送物料追蹤困難等問題，并且虛擬車間與物理車間高度映射，虛實交互效果較好。

圖8 系統(tǒng)某時刻運行情況

4 總結

本文作者面向生產(chǎn)車間物流智能發(fā)展需求，為解決車間物流監(jiān)控透明度低、監(jiān)控手段單一、實時性差等問題，提出一種數(shù)字孿生驅(qū)動的車間物流實時監(jiān)控方法，設計數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬車間運行模式。首先，根據(jù)實際配送需求，設計監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求。然后，研究監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術，針對車間中信息時變性，提出利用實時數(shù)據(jù)庫存儲車間配送信息方法。最后以某柴油機裝配車間為例，在監(jiān)控系統(tǒng)中采用多種視角、圖表分析、事件觸發(fā)顯示等方式進行全方位、全要素的動態(tài)監(jiān)控。采用該監(jiān)控系統(tǒng)顯著提高了車間物流的透明度、實時性、交互性，從而為復雜產(chǎn)品裝配車間物流智能監(jiān)控提出一種解決思路。