基于DT/AR技術(shù)的智能工廠信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢云星

摘要：現(xiàn)代智能工程中，信息系統(tǒng)具備一定復(fù)雜性和多樣性。隨著云計(jì)算以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)提出智能制造2025規(guī)劃，促進(jìn)我國(guó)生產(chǎn)制造行業(yè)的智能化發(fā)展。在DT/AR技術(shù)的應(yīng)用下，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的精確抓取、數(shù)據(jù)采集等，有效促進(jìn)全生命周期的智能生產(chǎn)，進(jìn)而提升產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：DT/AR技術(shù)；智能工廠；信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算等相關(guān)新型信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用下，我國(guó)在智能化發(fā)展方面也取得了一定進(jìn)展，智能化這一概念也逐漸應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中去，進(jìn)一步促進(jìn)了我國(guó)工業(yè)園區(qū)以及企業(yè)的智能化發(fā)展。智能工程的出現(xiàn)和應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)化、信息化發(fā)展進(jìn)程，工業(yè)企業(yè)發(fā)展中也開始實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。智能工程的建立需要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中所有資源、信息、人員及物品等的互聯(lián)，在內(nèi)部互聯(lián)基礎(chǔ)上，也需要實(shí)現(xiàn)外部互聯(lián)，以此確保在工廠管理中可以顯著降低管理人數(shù)，甚至實(shí)現(xiàn)“無(wú)人”管理，在此過(guò)程中最重要的是信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文在DT/AR技術(shù)的應(yīng)用背景下，分析了智能工程信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

一、DT/AR技術(shù)

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，引領(lǐng)著的工程智能化以及信息化發(fā)展潮流，在其先進(jìn)數(shù)據(jù)收集、模型建構(gòu)以及實(shí)時(shí)映射技術(shù)的應(yīng)用下，能夠建構(gòu)一個(gè)可視化監(jiān)控平臺(tái)，在數(shù)字工廠中的應(yīng)用有助于提升工廠運(yùn)行維護(hù)效率，降低企業(yè)運(yùn)行成本，同時(shí)促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）有助于促進(jìn)真實(shí)世界信息和虛擬世界信息之間的“無(wú)縫”集成，在觀看者眼中，可以將虛擬物體看作為是現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)重要組成，以此實(shí)現(xiàn)感官上的認(rèn)同。在現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用中，也開始在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中應(yīng)用，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)場(chǎng)景的單獨(dú)管理，實(shí)現(xiàn)交互式可視化管理，以此實(shí)施工廠管理。

二、系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

在DT/AR技術(shù)的應(yīng)用下， 智能工程信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架詳情見圖1.在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要將其分成四部分，具體為：設(shè)備層，即為車間中能夠?qū)嵤?shù)據(jù)采集的物理實(shí)體，為工廠中的AGV小車、數(shù)控車床、傳感器、工業(yè)機(jī)器人以及加工中心等，主要是可以為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)原始數(shù)據(jù)，主要是采集、傳輸相關(guān)底層數(shù)據(jù)以及感知數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集中，在實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)施采集后，也可以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及追溯管理，具體的數(shù)據(jù)類型為物理庫(kù)存、設(shè)備狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及管理，能夠?yàn)樯蠈討?yīng)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)孿生體，重點(diǎn)是針對(duì)產(chǎn)品、加工工藝、生產(chǎn)線建構(gòu)相應(yīng)的數(shù)字孿生體，結(jié)合具體的設(shè)備、生產(chǎn)闡述定義具體的數(shù)字孿生體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)關(guān)于具體產(chǎn)品和生產(chǎn)線的數(shù)字孿生；產(chǎn)線應(yīng)用服務(wù)層，能夠結(jié)合工廠生產(chǎn)運(yùn)行中的實(shí)際業(yè)務(wù)需求，仿真分析相應(yīng)的制造工藝，并進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控和實(shí)時(shí)監(jiān)控管理等，不但可以輔助智能工廠的生產(chǎn)監(jiān)控工作，也可以為其設(shè)備維修提供支持。

三、功能實(shí)現(xiàn)

（一）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和管理

在系統(tǒng)中，可以實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)為控制數(shù)據(jù)以及傳感器數(shù)據(jù)，其中在控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中，在此過(guò)程中PLC為主要控制器，基于工廠的生產(chǎn)線以太網(wǎng)和OPC服務(wù)器，也就可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)采集，且對(duì)其實(shí)施處理。系統(tǒng)上層可以結(jié)合自身需求調(diào)用OPC服務(wù)接口，進(jìn)而采集實(shí)際生產(chǎn)線中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；在傳感器數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，是基于TCP協(xié)議，封裝處理工廠生產(chǎn)過(guò)程中的機(jī)床振動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)信息，且對(duì)其實(shí)施處理轉(zhuǎn)向?yàn)榻y(tǒng)一格式，依照具體流程實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸。Socket數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)中，是建立在Iava語(yǔ)言基礎(chǔ)上，在獲取傳感器數(shù)據(jù)所采集制作而成的數(shù)據(jù)包時(shí)候，即可以全方面分析傳感器不同方向振動(dòng)數(shù)據(jù)。

這一系統(tǒng)應(yīng)用中，能夠同時(shí)采集500+參數(shù)的工程信息，實(shí)時(shí)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)實(shí)施加工以及處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)統(tǒng)一方式為“元數(shù)據(jù)+流數(shù)據(jù)”，其中元數(shù)據(jù)也就是要求對(duì)關(guān)鍵字段實(shí)施定義后，才能夠存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，這一數(shù)據(jù)還需要實(shí)現(xiàn)和流數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；流數(shù)據(jù)也就是要求定義數(shù)據(jù)信息，具體的數(shù)據(jù)類型為時(shí)間戳等信息?；谠獢?shù)據(jù)關(guān)鍵字段，在數(shù)據(jù)庫(kù)中可以迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的檢索分析，并返回實(shí)現(xiàn)和一行、多行數(shù)據(jù)信息匹配，在此過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于生產(chǎn)過(guò)程中具體數(shù)據(jù)的保存和追溯管理。

（二）數(shù)字孿生體

創(chuàng)建數(shù)字孿生體中，詳情見圖2，可以將其分成四個(gè)步驟：建模，在建模過(guò)程中是建立在3dsmax上，實(shí)現(xiàn)對(duì)SolidWork模型導(dǎo)入后，實(shí)現(xiàn)對(duì)所創(chuàng)建模型輪廓的捕捉，基于這些信息實(shí)施模型建構(gòu)，在此方式的應(yīng)用下有助于減少所建構(gòu)模型的點(diǎn)和面數(shù)量。具體實(shí)施過(guò)程中，首先將SolidWork模型保存，相應(yīng)的保存格式為“.IGS”，完成后即可以將其導(dǎo)入到3dsmax中。建模過(guò)程中，各個(gè)對(duì)象都要單獨(dú)建模，具體的建模過(guò)程與上一致，針對(duì)各對(duì)象編輯相應(yīng)的樣條線，以此完成模型建構(gòu)。完成建模后，還需要將原模型刪除，以此更好地展示出來(lái)原模型的數(shù)字孿生體；貼圖，是基于三維模型貼圖上，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的渲染，以此提升真實(shí)感。在具體實(shí)施過(guò)程中，則是拍照記錄物體實(shí)體外觀，在PS技術(shù)的應(yīng)用下處理所拍攝的圖片，圖片保存格式為.jpg格式，最后將其在3dsmax三維對(duì)象中上傳，代表完成了相應(yīng)的模型外觀貼圖處理；動(dòng)作定義，具體為定義3dsmax模型的相關(guān)動(dòng)作。在動(dòng)作定義中，是和具體設(shè)備的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)類型相結(jié)合，進(jìn)而完成相應(yīng)的動(dòng)作定義；發(fā)布WebGL，完成模型建構(gòu)、貼圖以及動(dòng)作定義后，結(jié)合相關(guān)設(shè)備類型、分辨率大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體格式的定義，完成后也就能夠?qū)嵤┌l(fā)布。在實(shí)際發(fā)布中，PC端和大屏展示發(fā)布可直接調(diào)用WenGL格式，通過(guò)移動(dòng)端發(fā)布的可以直接實(shí)施aqk格式安裝。

數(shù)字孿生中最為重要的是實(shí)時(shí)映射技術(shù)，在此技術(shù)的應(yīng)用下可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于工廠數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集，且將其和數(shù)字孿生模型實(shí)施實(shí)時(shí)對(duì)比和映射，在此過(guò)程中可以動(dòng)態(tài)反映以及模擬分析真實(shí)工廠狀態(tài)。實(shí)時(shí)映射技術(shù)可以有效捕捉工廠運(yùn)行中的相關(guān)動(dòng)態(tài)，對(duì)于所捕捉到的工廠信息能夠直接映射到工廠的數(shù)字孿生體中。例如，如果工廠運(yùn)行中某個(gè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有所改變，在實(shí)時(shí)映射技術(shù)的應(yīng)用下可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于數(shù)字孿生體中相關(guān)設(shè)備信息的及時(shí)更新，針對(duì)所捕捉到的設(shè)備信息變化也可以直接反饋到監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)于工廠管理者來(lái)講也就能夠及時(shí)掌握相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化，了解設(shè)備運(yùn)行情況，便于管理者及時(shí)制定相應(yīng)決策。綜上可以看出，實(shí)時(shí)映射技術(shù)在應(yīng)用中，主要作用即為實(shí)現(xiàn)工廠現(xiàn)實(shí)狀態(tài)和虛擬模型狀態(tài)的同步變化，并及時(shí)反饋相關(guān)信息，為管理者管理以及決策制定提供重要依據(jù)?；诖耍梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控平臺(tái)功能進(jìn)一步進(jìn)行拓展，不但可以呈現(xiàn)出相關(guān)數(shù)據(jù)，也可以對(duì)這些數(shù)據(jù)實(shí)施分析、預(yù)測(cè)以及優(yōu)化。系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)映射技術(shù)可以為管理者及時(shí)提供相關(guān)數(shù)據(jù)，管理者通過(guò)這些數(shù)據(jù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中所存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)其可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施預(yù)測(cè)，制定相應(yīng)的干預(yù)對(duì)策。

另外為確保數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)同步性，核心技術(shù)之一即為數(shù)據(jù)建模仿真技術(shù)。這一技術(shù)在應(yīng)用中則是迅速采集生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合具體數(shù)據(jù)實(shí)施模型建構(gòu)?；诖丝梢栽谝欢ㄖ芷趦?nèi)仿真分析相應(yīng)的生產(chǎn)線各項(xiàng)性能指標(biāo)，仿真所得新的性能質(zhì)保也就可以對(duì)之前的性能指標(biāo)進(jìn)行覆蓋。在此過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)在當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)的分析，且將其和對(duì)應(yīng)時(shí)間的仿真性能指標(biāo)實(shí)施分析，以此實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的比較、分析，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)為管理者最終決策提供依據(jù)。此過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)交互的同步，在此過(guò)程中才是真正地實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

（三） AR配置軟件開發(fā)

在AR配置軟件中，是基于OSG（Open Scene Graph）技術(shù)，完成相應(yīng)的AR程序參數(shù)設(shè)置。在軟件開發(fā)中主要為三個(gè)設(shè)置頁(yè)面，分別為：①AR參數(shù)配置頁(yè)面，即為配置完成相應(yīng)的AR程序參數(shù)，重點(diǎn)為標(biāo)識(shí)卡跟蹤插件、標(biāo)識(shí)卡信息等，完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置后實(shí)施保存；②拆裝動(dòng)畫規(guī)劃頁(yè)面。虛擬模型是OpenFlight格式文件，重點(diǎn)是模型結(jié)構(gòu)層次的dof節(jié)點(diǎn)及其運(yùn)動(dòng)類型，依照具體情況完成相應(yīng)的模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定，對(duì)于相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定均需要配置說(shuō)明文本，保存相應(yīng)的拆裝動(dòng)畫腳本文件；③儀表界面規(guī)劃頁(yè)面。基于開源可視化庫(kù)ECharts的web頁(yè)面完成相應(yīng)的虛擬儀表應(yīng)用設(shè)計(jì)，具體即為JavaScrip上所建構(gòu)的數(shù)據(jù)可視化圖表庫(kù)，具體為折線圖、餅圖等。在具體應(yīng)用過(guò)程中，將虛擬儀表URL輸入后，在瀏覽窗口中導(dǎo)入相應(yīng)的儀表界面，輸入二維碼，也就可以結(jié)合具體需求調(diào)整位姿參數(shù)、儀表等，調(diào)整完成后對(duì)其實(shí)施保存，并配置相應(yīng)的儀表規(guī)劃腳本文件，即可以保存。

在AR軟件中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維注冊(cè)為核心技術(shù)之一，主要作用是跟蹤和定位現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的相關(guān)物體變化，實(shí)現(xiàn)虛擬物體在真實(shí)場(chǎng)景中的逐步疊加，建立相應(yīng)的透視關(guān)系，本次系統(tǒng)共構(gòu)建三種跟蹤庫(kù)，分別為：ARToolKitPius、ARToolKit以及QR二維碼跟蹤。以下對(duì)QR二維碼跟蹤的注冊(cè)流程實(shí)施分析。其中QR二維碼跟蹤是1994年Denso公司研發(fā)的一種技術(shù)，和傳統(tǒng)條碼相比，主要特點(diǎn)即為信息容量大、保密防偽性強(qiáng)以及可靠性高等，將其作為AR標(biāo)識(shí)卡，先要定位以及識(shí)別圖像中的二維碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維碼定位和解碼算法的集成，系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用中即可以直接調(diào)用。

四、關(guān)鍵技術(shù)

（一）系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)采集效率問(wèn)題

在系統(tǒng)中的數(shù)字孿生開發(fā)中，最為重要的是為數(shù)字孿生體提供流暢服務(wù)，基于此最初對(duì)采集頻率進(jìn)行設(shè)置中將其設(shè)置為50次/s，在實(shí)際運(yùn)行中，若發(fā)現(xiàn)采集頻率過(guò)高，需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)低，不然容易導(dǎo)致服務(wù)器發(fā)生崩潰情況，甚至可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法刷新；若發(fā)現(xiàn)采集頻率過(guò)低，也需要及時(shí)將其調(diào)高，不然容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，也就會(huì)導(dǎo)致數(shù)字孿生體服務(wù)會(huì)出現(xiàn)卡頓、畸形問(wèn)題。所以在確定具體的采集頻率的時(shí)候，可以多次嘗試，以此確定最佳采集頻率。在本系統(tǒng)運(yùn)行中，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為10—15次/s，不但能夠獲取流程的系統(tǒng)運(yùn)行效果，同時(shí)也可以取得良好的展示效果。

（二）系統(tǒng)應(yīng)用中的工件精確抓取

在智能工廠應(yīng)用中，生產(chǎn)線上物理工件放置位置通常精確度不夠，容易發(fā)生偏移。機(jī)器人實(shí)施工件抓取中，也就能夠基于攝像頭判定具體的物體位置，以此確保實(shí)現(xiàn)精確抓取。然而虛擬環(huán)境下，在傳感器的應(yīng)用下也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)工件實(shí)際物體位置的精確判定，在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以實(shí)時(shí)對(duì)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以此產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用，可以發(fā)現(xiàn)動(dòng)畫中的抓取位置和工件位置存在一定偏差，也就是不能夠?qū)崿F(xiàn)精確抓取。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)相應(yīng)的工件抓取動(dòng)作的時(shí)候，也就是基于實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)械臂動(dòng)作，確保能夠準(zhǔn)確達(dá)到工件位置，若發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂目標(biāo)位置和工件位置有所偏差，也就可以額外增加運(yùn)動(dòng)，以此達(dá)到動(dòng)作中的實(shí)際位置。在此過(guò)程中，相關(guān)動(dòng)作控制具備連貫性，且有助于顯著降低實(shí)際偏差，實(shí)際上觀察者對(duì)于位置的移動(dòng)很難發(fā)現(xiàn)，在此過(guò)程中也就容易導(dǎo)致數(shù)字孿生中的精確抓取無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此需要結(jié)合機(jī)械臂實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)關(guān)于工件標(biāo)準(zhǔn)位置的具體計(jì)算，以此確?？梢詫?shí)現(xiàn)工件的精準(zhǔn)抓取。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上，在本次研究中，可以發(fā)現(xiàn)智能工廠的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠數(shù)字化、虛擬化以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而為工廠管理提供新的發(fā)展空間。在以上分析中發(fā)現(xiàn)，基于DT/AR技術(shù)的智能工廠信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的精確抓取、數(shù)據(jù)采集等，有效促進(jìn)全生命周期的智能生產(chǎn)，進(jìn)而提升產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。在這一系統(tǒng)支持下，能夠?yàn)楣S管理者提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持以及決策依據(jù)，有效把控工廠實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，為工廠高效生產(chǎn)以及精細(xì)管理提供重要解決方法。

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