三維數(shù)字化工廠可視系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

寧 鑫，劉偉潔，杜彥霞

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，河北 唐山 063000）

三維數(shù)字化工廠可視化系統(tǒng)是根據(jù)虛擬制造的原理，使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的生命周期中制造，裝配，質(zhì)量控制和測(cè)試以及其他功能階段，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間，減少資金投入，明顯提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 目前數(shù)字化工廠技術(shù)的研究情況

數(shù)字化工廠就是指使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將工廠集成過(guò)程的所有要素進(jìn)行采集映射，從而針對(duì)制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的改善。該項(xiàng)技術(shù)主要是根據(jù)制造企業(yè)的生產(chǎn)模式，根據(jù)其設(shè)計(jì)、制造、經(jīng)營(yíng)、管理和銷(xiāo)售情況，使數(shù)據(jù)交換成本減少，提高制造企業(yè)的管理效率。近年來(lái)有更多的科研人員都想要依靠先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)鏡像映射的方式將離線現(xiàn)實(shí)工廠和在線虛擬工廠表現(xiàn)出來(lái)。

2 三維數(shù)字化工廠可視化系統(tǒng)的必要性

工廠廣泛使用的三維設(shè)計(jì)軟件和監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要采用獨(dú)立模式，只能在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或計(jì)算機(jī)上使用相應(yīng)的軟件顯示三維模型或監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。特別是一些專(zhuān)門(mén)的3D設(shè)計(jì)軟件，許可證的購(gòu)買(mǎi)成本非常高，如果大規(guī)模安裝這類(lèi)軟件可能會(huì)明顯增加運(yùn)營(yíng)和管理成本。由于智能終端越來(lái)越復(fù)雜，以往使用特定軟件的工廠數(shù)字化系統(tǒng)已經(jīng)完全不能適應(yīng)當(dāng)下的行業(yè)管理者的要求，為更好的促進(jìn)發(fā)展，整個(gè)制造行業(yè)需要建立完善的跨平臺(tái)工廠數(shù)字化管理系統(tǒng)。通過(guò)建立數(shù)字化工廠系統(tǒng)平臺(tái)，能促進(jìn)三維設(shè)計(jì)模型可視化與實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)可視化的有效集成，同時(shí)利用可視化系統(tǒng)，用戶(hù)可以瀏覽工廠的三維場(chǎng)景，并實(shí)時(shí)連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，得到工廠的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3 三維數(shù)字化工廠可視化系統(tǒng)

3.1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)下基本所有的客戶(hù)端軟件中三維設(shè)計(jì)軟件和監(jiān)控系統(tǒng)軟件都采用的是C/S模式。但是隨著Web技術(shù)的不斷發(fā)展優(yōu)化，柔性B/S模型的使用范圍也越來(lái)越廣。本文主要是根據(jù)B/S模式設(shè)計(jì)和研發(fā)出有效的改善方案，主要包括業(yè)務(wù)邏輯層、表示層、數(shù)據(jù)層和服務(wù)層。其中服務(wù)層是系統(tǒng)的核心部分，首先，工廠可視化管理系統(tǒng)的全部業(yè)務(wù)功能都屬于業(yè)務(wù)邏輯層，虛擬制造平臺(tái)可以幫助工業(yè)設(shè)備企業(yè)建立設(shè)計(jì)端的模型、仿真端的模型、制造端的模型、服務(wù)端的模型等。通過(guò)利用三維激光掃描技術(shù)，逆向建模得出3D模型，通過(guò)模型優(yōu)化和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入至虛擬制造臺(tái)當(dāng)中。

利用C#腳本實(shí)現(xiàn)交互功能，并作為基于WebGL的三維Web應(yīng)用程序發(fā)布，利用JavaScript，WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)瀏覽器3D模型的繪制和功能層的交互層。其次，工廠可視化管理系統(tǒng)就是通過(guò)表示層進(jìn)行系統(tǒng)錄入以及查詢(xún)，系統(tǒng)的用戶(hù)界面可以通過(guò)網(wǎng)站進(jìn)行自主訪問(wèn)，選擇對(duì)應(yīng)的功能，將用戶(hù)的數(shù)據(jù)要求通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯層傳輸?shù)椒?wù)層，然后和下層的數(shù)據(jù)層相互作用，將用戶(hù)的各類(lèi)要求服務(wù)提示給網(wǎng)站方面的用戶(hù)。然后整個(gè)管理系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)所需要的全部數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)都是由數(shù)據(jù)層顯示出來(lái)的，包括要傳輸?shù)?D場(chǎng)景中的模型數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)備信息。本文設(shè)立的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是MySQL，整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，傳感器歷史數(shù)據(jù)和信息，設(shè)備基本信息，設(shè)備樹(shù)結(jié)構(gòu)，設(shè)備特性曲線，工單信息，維修記錄等。

圖1 三維可視化工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 三維可視化模塊

三維可視化模塊主要包括自由漫游、自動(dòng)漫游、主動(dòng)安全提示等部分。其中自由漫游模塊和自動(dòng)漫游模塊主要是為用戶(hù)提供沉浸式漫游的體驗(yàn)效果，讓用戶(hù)通過(guò)自由漫游模式能實(shí)時(shí)查看到工廠的數(shù)據(jù)變化；另外，用戶(hù)漫游到危險(xiǎn)設(shè)備周?chē)鷧^(qū)域時(shí)主動(dòng)安全提示模塊會(huì)根據(jù)該區(qū)域安全性對(duì)用戶(hù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)提示；值得注意的是，基于達(dá)索系統(tǒng)的虛擬制造平臺(tái)支持異構(gòu)CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化功能，優(yōu)化了其三維可視化模塊。這意味著，用戶(hù)無(wú)論是使用Creo或是NX，在將其保存到虛擬制造平臺(tái)后，平臺(tái)會(huì)對(duì)模型自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)化的持久化存儲(chǔ)。在使用與平臺(tái)有關(guān)的其他APP，例如工藝、仿真等軟件時(shí)，完全不需要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，這一較大變化，不僅使得三維可視化模塊得到了優(yōu)化，還使得三維數(shù)字化工廠可視系統(tǒng)更加的先進(jìn)。

3.3 數(shù)據(jù)可視化模塊

靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)屬于三維數(shù)字化工廠的主要部分，信息的來(lái)源均為MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括組件信息和設(shè)計(jì)信息等內(nèi)容，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)則包括測(cè)點(diǎn)報(bào)警模塊和測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊，其中三維數(shù)字化工廠運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)值等重要信息，用戶(hù)都可以通過(guò)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行觀測(cè)。而報(bào)警模塊能有效提高三維數(shù)字化工廠對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的利用效果，還能及時(shí)分析出可能存在的安全隱患和危險(xiǎn)，從而和三維場(chǎng)景進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，如果三維數(shù)字化工廠在運(yùn)行過(guò)程中有設(shè)備數(shù)值和規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)有一定差異，那么就會(huì)觸發(fā)警報(bào)進(jìn)行提示。警報(bào)觸發(fā)后不僅能快速的告知設(shè)備位置和設(shè)備型號(hào)，同時(shí)還會(huì)將該設(shè)備代碼和設(shè)備名稱(chēng)等信息顯示出來(lái)，從而方便安全管理人員掌握更多的有效信息，提供工作效率。

3.4 系統(tǒng)管理模塊

權(quán)限管理、測(cè)點(diǎn)維護(hù)等都屬于系統(tǒng)管理模塊，用于幫助系統(tǒng)維護(hù)和管理。同時(shí)根據(jù)不同類(lèi)型的用戶(hù)系統(tǒng)制定相應(yīng)的權(quán)限，基礎(chǔ)用戶(hù)只能進(jìn)行個(gè)人賬戶(hù)信息查詢(xún)，高級(jí)用戶(hù)則可以對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行修改。設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)都是通過(guò)許多測(cè)點(diǎn)采集整理的，為實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)維護(hù)，高級(jí)用戶(hù)能隨時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理，從而也能進(jìn)一步保障系統(tǒng)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)和工廠內(nèi)的測(cè)點(diǎn)一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，數(shù)字化工廠可視化系統(tǒng)正在不斷升級(jí)優(yōu)化。在虛擬數(shù)字信息規(guī)劃平臺(tái)下，憑借全方位的分析能力，豐富的數(shù)據(jù)資源和先進(jìn)的虛擬運(yùn)營(yíng)環(huán)境，打造全新的工廠商業(yè)化生產(chǎn)模式。因此，數(shù)字化工廠的研究和分析對(duì)企業(yè)進(jìn)入先進(jìn)生產(chǎn)領(lǐng)域具有重要意義。