基于數(shù)字孿生的包裝車間監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究

摘"要：在數(shù)字孿生技術(shù)迅速發(fā)展且與制造業(yè)結(jié)合愈發(fā)緊密的背景下，針對(duì)包裝車間生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、故障診斷等需求，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字孿生的包裝車間監(jiān)測(cè)平臺(tái)。從車間元素、運(yùn)行邏輯、生產(chǎn)狀態(tài)多個(gè)方向?qū)Πb車間實(shí)體對(duì)象進(jìn)行孿生建模?；赥CP/IP的數(shù)據(jù)采集傳輸，現(xiàn)實(shí)物理行為的虛擬環(huán)境仿真，孿生車間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了包裝車間設(shè)備狀態(tài)、包裝工藝流程的三維可視化監(jiān)測(cè)。最后通過(guò)某常溫非化學(xué)小型物品包裝生產(chǎn)車間驗(yàn)證了該方案的可行性，為數(shù)字孿生技術(shù)在包裝制造領(lǐng)域提供了可參考的方案。

關(guān)鍵詞：包裝車間；數(shù)字孿生；孿生建模；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)；可視化監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391.9""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research"on"Packaging"Workshop"Monitoring

Platform"Based"on"Digital"Twins

ZHU"Xuanyi1，2，LU"Yujun1，XIN"Hao1，2

（1.School"of"mechanical"engineering，Zhejiang"Scitech"University，"Hangzhou，"Zhejiang"310018，China;

2.Longgang"Research"Institute"of"Zhejiang"SciTech"University，"Wenzhou，"Zhejiang"325802，China）

Abstract：Under"the"background"of"rapid"development"of"digital"twin"technology"and"increasingly"close"integration"with"manufacturing"industry，"a"packaging"workshop"monitoring"platform"based"on"digital"twin"is"designed"to"meet"the"needs"of"realtime"visual"monitoring，"data"analysis，"and"fault"diagnosis"of"production"status"in"packaging"workshops."Twin"modeling"of"packaging"workshop"entity"objects"from"multiple"directions"including"workshop"elements，"operational"logic，"and"production"status."Based"on"TCP/IP"data"collection"and"transmission，"virtual"environment"simulation"of"real"physical"behavior，"realtime"driving"of"twin"workshop"data，"and"other"technologies，"threedimensional"visual"monitoring"of"packaging"workshop"equipment"status"and"packaging"process"flow"has"been"achieved."Finally，"the"feasibility"of"this"solution"was"verified"through"a"certain"room"temperature"non"chemical"small"item"packaging"production"workshop，"providing"a"reference"solution"for"digital"twin"technology"in"the"field"of"packaging"manufacturing.

Key"words：packaging"workshop;"digital"twin;"twin"modeling;"realtime"data"driven;"visual"monitoring

包裝是實(shí)現(xiàn)品牌創(chuàng)新、迅速提升市場(chǎng)占有速度和占有率以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方法之一，其幾乎與所有產(chǎn)業(yè)都有著強(qiáng)相關(guān)性。但包裝環(huán)節(jié)目前存在數(shù)字化程度低、缺乏智能有效的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)運(yùn)維手段和難以有效掌握包裝車間的實(shí)時(shí)狀態(tài)等問(wèn)題，影響了車間的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)節(jié)拍。

數(shù)字孿生是能夠?qū)⑽锢硎澜绾托畔⑹澜缛诤辖换サ氖侄蝃1]。數(shù)字孿生技術(shù)的迅速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)包裝車間三維可視化監(jiān)測(cè)提供了全新的思路，推動(dòng)了智能車間在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工作車間現(xiàn)場(chǎng)的透明、高效、智能[2-3]。

對(duì)于構(gòu)建數(shù)字孿生車間，各領(lǐng)域的專家在自身的研究領(lǐng)域發(fā)表了大量與其相關(guān)的成果與進(jìn)展[4-5]。陶飛等[6-7]詳細(xì)闡述了數(shù)字孿生車間。段明皞等[8]針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配車間的孿生監(jiān)控提出了有效的解決方法。周成等[9]和魏一雄等[10]將智能制造車間與數(shù)字孿生技術(shù)有效結(jié)合。趙浩然等[11]在多層次上對(duì)孿生監(jiān)控進(jìn)行了分析，提出了一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的監(jiān)控模式。劉志峰等[12]設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生調(diào)度云平臺(tái)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和大數(shù)據(jù)分析有效解決了動(dòng)態(tài)擾動(dòng)問(wèn)題。孫元亮等[13]提出了面向數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)。

上述研究在智能制造和孿生車間方面取得了豐碩成果。然而在制造業(yè)包裝加工過(guò)程中的應(yīng)用還處于早期階段，缺失統(tǒng)一且可復(fù)用的數(shù)字孿生模型以及具體的建模方法，也缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集傳輸方案，造成數(shù)據(jù)管理和使用效率低下，產(chǎn)生“數(shù)據(jù)信息孤島”，影響包裝生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)交互和故障分析等。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文在已有研究基礎(chǔ)上，以包裝車間為對(duì)象，提出了一種基于數(shù)字孿生的包裝車間實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，建立了包括三維模型、運(yùn)行邏輯模型等工作車間數(shù)字孿生體，設(shè)計(jì)了以TCP/IP技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集傳輸方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)包裝車間運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)測(cè)，為工作人員判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供了數(shù)據(jù)支撐。最后通過(guò)某常溫非化學(xué)的小型物品包裝車間進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

1"包裝車間數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝車間運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)流程的有效管理，必須建立一個(gè)高效簡(jiǎn)明的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)將包裝車間的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合監(jiān)測(cè)，消除數(shù)據(jù)信息孤島，并進(jìn)行三維效果顯示。生產(chǎn)管理人員可以依靠此系統(tǒng)充分把控車間生產(chǎn)狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行狀況，即時(shí)調(diào)整生產(chǎn)策略。隨著數(shù)字孿生技術(shù)在近幾年的發(fā)展完善，且不斷地與制造業(yè)進(jìn)行融合，為生產(chǎn)車間建立三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)提供了新思路。

構(gòu)建包裝車間的數(shù)字孿生體需要構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的三維模型，并對(duì)物理包裝車間的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，建立數(shù)據(jù)傳輸和交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體層到孿生虛擬層的數(shù)字實(shí)時(shí)映射。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建包裝車間的三維可視化監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體高效、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)思路，本監(jiān)測(cè)平臺(tái)分為物理層、數(shù)據(jù)層、虛擬層、應(yīng)用層，具體如圖1所示。

（1）物理層：物理層由包裝設(shè)備、多種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等組成。在物理層進(jìn)行測(cè)量、采集得到相應(yīng)的設(shè)備基本參數(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、產(chǎn)線物料信息等，為搭建和驅(qū)動(dòng)虛擬層提供前提條件。

（2）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)各部分互聯(lián)互通的樞紐，是平臺(tái)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)層用于包裝車間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理，這些收集到的數(shù)據(jù)一部分流入虛擬層作為孿生模型的數(shù)據(jù)源，一部分為應(yīng)用層的故障警示和數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。

（3）虛擬層：虛擬層是物理層在虛擬空間的數(shù)字映射，主要包括包裝設(shè)備的幾何尺寸、各機(jī)構(gòu)的約束關(guān)系、具體的顏色材質(zhì)以及物理實(shí)體運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、運(yùn)行邏輯等。虛擬層通過(guò)基礎(chǔ)執(zhí)行層采集的數(shù)據(jù)，利用邏輯腳本實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)孿生模型，真實(shí)重現(xiàn)車間的種種生產(chǎn)活動(dòng)，反映包裝機(jī)車間的動(dòng)態(tài)特征和靜態(tài)特征。

（4）應(yīng)用層：應(yīng)用層基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬孿生包裝車間，用戶通過(guò)應(yīng)用層與孿生監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)包裝車間三維可視化以及包裝設(shè)備物理動(dòng)作的仿真和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。形成了面向包裝車間的虛擬監(jiān)測(cè)平臺(tái)，滿足了相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障警示、數(shù)據(jù)入庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)查詢等需求。

2"包裝車間監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)字孿生場(chǎng)景的構(gòu)建

2.1"基于Petri網(wǎng)的包裝機(jī)工作車間運(yùn)行邏輯建模

Petri網(wǎng)（PN）最早由Petri"C"A于1962年在他的博士論文中提出[14]，Petri網(wǎng)結(jié)合庫(kù)所、變遷和有向弧等圖形，通過(guò)可視化表達(dá)方式直觀地構(gòu)建和描述系統(tǒng)模型及其運(yùn)行邏輯，特別是離散系統(tǒng)模型[15-17]，因此可以清晰地反映工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，適合用來(lái)構(gòu)建邏輯模型。本節(jié)基于邏輯Petri網(wǎng)理論，以某包裝車間為對(duì)象，將其連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程離散化，分成多個(gè)加工階段，以面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷雽?duì)各階段分別建模。

邏輯Petri網(wǎng)模型依據(jù)包裝車間的結(jié)構(gòu)、加工邏輯和工藝等信息，基于庫(kù)所、變遷等元素順序遞歸組合，如圖2所示。

其中，①～⑤分別對(duì)應(yīng)包裝機(jī)生產(chǎn)的5個(gè)生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)，庫(kù)所S、P的集合表示生產(chǎn)線上各機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)。S1～S5為包裝機(jī)各系統(tǒng)的準(zhǔn)備動(dòng)作狀態(tài)，S1表示物料準(zhǔn)備進(jìn)料與分料，S5表示切膜系統(tǒng)準(zhǔn)備切膜；P1～P5為包裝機(jī)各系統(tǒng)的動(dòng)作完成狀態(tài)，P1表示物料進(jìn)料與分料完成狀態(tài)，P5表示切膜完成狀態(tài)。變遷T的集合表示生產(chǎn)過(guò)程中引起待處理件相應(yīng)變化的操作，T1～T5表示待處理件進(jìn)入不同包裝節(jié)點(diǎn)時(shí)的變遷，T6～T9表示生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)間的緩沖傳送帶變遷，負(fù)責(zé)將上一節(jié)點(diǎn)中的加工件傳送到下一生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)包裝車間生產(chǎn)線開始運(yùn)行時(shí)，物料準(zhǔn)備進(jìn)料與分料（S1），當(dāng)物料與分料完成后（P1），物料感應(yīng)進(jìn)入包裝區(qū)的過(guò)程T1才能進(jìn)行，最后進(jìn)入緩沖傳送帶T7，然后進(jìn)行下一包裝單元直到包裝完成。依據(jù)包裝車間構(gòu)建的邏輯，Petri網(wǎng)模型囊括了生產(chǎn)行為邏輯和相應(yīng)的工藝流程，為物理工作車間與孿生包裝車間的虛實(shí)映射提供了基礎(chǔ)。庫(kù)所和變遷的具體含義如表1、表2和表3所示。

2.2"包裝車間三維場(chǎng)景模型

包裝車間三維場(chǎng)景模型的搭建是包裝車間監(jiān)測(cè)平臺(tái)的重要環(huán)節(jié)，由于工作車間物理設(shè)備數(shù)量眾多、類型多樣，不同模型間存在各種聯(lián)系，本文為了提高模型的準(zhǔn)確度和建模效率，降低模型管理的復(fù)雜性，對(duì)包裝車間的場(chǎng)景模型進(jìn)行梳理。以整體包裝車間為父對(duì)象，在父對(duì)象的包含下將各模型以相應(yīng)的單元進(jìn)行分類，得到各子對(duì)象，在完成具有父子關(guān)系的場(chǎng)景層次分析后，使用Solidworks軟件從子對(duì)象開始建立模型并最終構(gòu)建了具有父子層次關(guān)系的包裝車間三維場(chǎng)景模型，具體分層如圖3所示。由下圖可知，包裝車間三維模型可以形式化為：

3Dpw=∑ni=1FDi∪∑oi=1PFj∪∑pk=1PPk∪∑ql=1FC1∪∑rm=1FUm

式中：3Dpw表示包裝車間三維場(chǎng)景模型，F(xiàn)Di表示進(jìn)料與分料單元，n表示該單元下所有模型的數(shù)量；PFj表示包裝膜輸送單元，o表示該單元下所有模型數(shù)量；PPk表示預(yù)包裝與熱收縮單元，p表示該單元下所有模型數(shù)量，F(xiàn)Cl表示切膜單元，l表示該單元下所有模型數(shù)量，F(xiàn)Um表示控制單元，m表示該單元下所有模型數(shù)量。這種層級(jí)關(guān)系完美地與實(shí)際生產(chǎn)包裝的層次關(guān)系相對(duì)應(yīng)，方便了模型歸類和后續(xù)模型。

2.3"基于物理產(chǎn)線與邏輯模型的包裝車間數(shù)字孿

生環(huán)境

孿生包裝車間場(chǎng)景是物理包裝車間的虛擬映射。通過(guò)邏輯Petri網(wǎng)模型剖析包裝車間的運(yùn)行邏輯，將模型中的庫(kù)所、變遷與孿生模型相映照，并根據(jù)邏輯Petri網(wǎng)進(jìn)行模型分組、分級(jí)，形成各設(shè)備間的位置關(guān)聯(lián)和運(yùn)行行為關(guān)聯(lián)[18]。同時(shí)為了搭建具有較高真實(shí)感的孿生場(chǎng)景，選擇Unity軟件作為搭建平臺(tái)。

在搭建孿生場(chǎng)景過(guò)程中，把2.2節(jié)中建立好的三維模型導(dǎo)入3ds"Max中進(jìn)行模型的輕量化處理，之后將處理好的模型放入U(xiǎn)nity的應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)Petri網(wǎng)的運(yùn)行邏輯進(jìn)行相應(yīng)的排列，構(gòu)建各模型的父子層級(jí)關(guān)系，并為場(chǎng)景添加物理效果和光源，增強(qiáng)包裝車間模型渲染效果和場(chǎng)景光照效果。

完成初步的孿生場(chǎng)景搭建后，為改善數(shù)字孿生包裝車間的可視化效果和流暢度，優(yōu)化使用體驗(yàn)，通過(guò)包體積優(yōu)化、Shader優(yōu)化、LOD優(yōu)化等技術(shù)，降低每幀的渲染時(shí)間，合理分配模型面數(shù)，減少?gòu)?fù)雜計(jì)算，實(shí)現(xiàn)孿生系統(tǒng)的性能優(yōu)化。最后依托Unity軟件平臺(tái)構(gòu)建UI界面，實(shí)現(xiàn)包裝車間監(jiān)測(cè)平臺(tái)與用戶的交互。具體的交互協(xié)同開發(fā)流程如圖4所示。

3"實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的可視化數(shù)字孿生平臺(tái)

3.1"多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸

針對(duì)車間數(shù)控設(shè)備常用的數(shù)據(jù)采集方法包括PLC點(diǎn)信號(hào)法、宏程序法、DNC法、網(wǎng)絡(luò)以及OPC規(guī)范等方法[19-21]。上述采集方法均能對(duì)相應(yīng)的加工設(shè)備進(jìn)行有效采集，但存在的一些缺陷使得這些方法并不適配本文的包裝車間監(jiān)測(cè)平臺(tái)。因此在數(shù)據(jù)采集階段，本文選擇基于SMACQ開發(fā)包對(duì)Smacq數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行二次開發(fā)得到數(shù)據(jù)采集與傳輸服務(wù)端。在數(shù)據(jù)傳輸階段，考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性，將采集到的多源數(shù)據(jù)通過(guò)Socket協(xié)議進(jìn)行傳輸，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生模型，并將處理完畢的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。具體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與傳輸流程如圖5所示。

3.2"虛實(shí)車間的數(shù)據(jù)映射

依據(jù)物理包裝車間內(nèi)的固有數(shù)據(jù)完成孿生模型的初步構(gòu)建后，還需將包裝過(guò)程中不斷變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如傳送帶的傳送速度、包裝機(jī)封口的溫度、封口刀具的滾動(dòng)速度等實(shí)時(shí)地傳輸?shù)教摂M監(jiān)測(cè)平臺(tái)。因此通過(guò)C#腳本運(yùn)行3.1節(jié)中開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與交互服務(wù)端來(lái)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)経nity3D中。然后基于邏輯模型和三維模型，在多個(gè)維度上完成包裝車間生產(chǎn)活動(dòng)的虛實(shí)映射，如圖6所示。

1）車間固有數(shù)據(jù)映射

通過(guò)數(shù)據(jù)層獲取物理車間的固有數(shù)據(jù)，如車間結(jié)構(gòu)布局?jǐn)?shù)據(jù)、設(shè)備配置數(shù)據(jù)、包裝設(shè)備的層次數(shù)據(jù)，對(duì)虛擬車間的結(jié)構(gòu)和設(shè)備進(jìn)行布局，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)車間固有數(shù)據(jù)的映射。

2）設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)映射

以數(shù)據(jù)層傳輸?shù)臐L刀切膜轉(zhuǎn)速、各傳送帶輸送速度、包裝封口溫度等數(shù)據(jù)為孿生模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)源，對(duì)孿生模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)車間設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的映射。

3）物料動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)映射

物料在包裝車間的不同加工階段具有不同的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，依據(jù)加工階段和數(shù)據(jù)層采集的物料位置信息確定物料在虛擬車間所處的位置，并匹配相應(yīng)的物料模型置于虛擬空間，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)車間物料動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的映射。

3.3"監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的包裝車間在常溫環(huán)境下進(jìn)行工作，包裝對(duì)象主要為非化學(xué)小型物品，如小型鐵盒、小型塑料物體、小型木制工藝品等。該包裝車間的包裝設(shè)備主要由進(jìn)料與分料單元、包裝膜輸送單元、預(yù)包裝與熱收縮單元、切膜單元和控制單元構(gòu)成。進(jìn)料與分料單元對(duì)物料進(jìn)行分離、輸送等一系列處理，輸送包裝膜單元完成包裝膜在不同位置的流轉(zhuǎn)和輸送，預(yù)包裝與熱收縮單元實(shí)現(xiàn)物料的初步封閉和物料的熱收縮封閉存儲(chǔ)，切膜單元實(shí)現(xiàn)包裝成品的單獨(dú)分離，控制單元控制包裝設(shè)備的整體運(yùn)行。多單元協(xié)同將物料和包裝膜制成合格獨(dú)立成品，孿生平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下，如圖7和圖8所示。

（1）首先在獲得包裝設(shè)備的設(shè)備尺寸、布局和工藝流程等信息，基于Solidworks軟件建立輸送帶、加工設(shè)備、物料等車間元素的幾何模型并進(jìn)行校準(zhǔn)，確保模型在幾何尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系等方面和物理實(shí)體的一致。其次，在3DMax軟件內(nèi)，對(duì)幾何模型賦予表面顏色、材質(zhì)等特征并轉(zhuǎn)換為Unity兼容的FBX格式，導(dǎo)入U(xiǎn)nity軟件完成孿生場(chǎng)景的布局和優(yōu)化。

（2）利用TCP/IP技術(shù)實(shí)現(xiàn)包裝設(shè)備轉(zhuǎn)速、物流單元坐標(biāo)、包裝封口的溫度、刀具切割分離速度等數(shù)據(jù)的采集和傳輸。基于C#腳本語(yǔ)言定義虛擬層中各模型的運(yùn)行邏輯、動(dòng)作行為。設(shè)計(jì)UI界面和包裝機(jī)整體監(jiān)測(cè)、局部監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)模式。在此基礎(chǔ)上，接入數(shù)據(jù)以驅(qū)動(dòng)虛擬包裝設(shè)備并展示包裝車間狀態(tài)信息。物理車間開始運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)采集服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)流傳遞到虛擬層，設(shè)備啟動(dòng)事件觸發(fā)后，孿生模型在數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下開始運(yùn)行。數(shù)據(jù)展示框?qū)⑽锪蠣顟B(tài)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)速、封口溫度、控制參數(shù)等）以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖表的形式進(jìn)行顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)存儲(chǔ)以便隨時(shí)查看。與此同時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，針對(duì)出現(xiàn)的設(shè)備運(yùn)行異常情況以警告彈窗的形式顯示。

4"系統(tǒng)驗(yàn)證

研究對(duì)象為某常溫非化學(xué)小型物品包裝車間。本系統(tǒng)測(cè)試采用的計(jì)算機(jī)配置如下：CPU為AMD"Ryzen7"5800H、內(nèi)存為16"GB、顯卡為NVIDIA"GeForce"RTX"3060。經(jīng)上線測(cè)試，監(jiān)控畫面的幀率平均穩(wěn)定在30"FPS，CPU占用率在35%以下。加工制造單元設(shè)備采集頻率在100"ms/次情況下，其孿生模型響應(yīng)時(shí)間普遍在750"ms以下。物理車間到虛擬車間映射的整體延遲在1"s之內(nèi)，監(jiān)控畫面可以流暢顯示。其主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。

1）視頻監(jiān)控

監(jiān)測(cè)平臺(tái)提供了多個(gè)監(jiān)控視角，能夠有效地對(duì)包裝車間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。包括主體視角、左視角、右視角和入料視角、預(yù)包裝視角和切膜視角。其中，整體監(jiān)控視角對(duì)整個(gè)包裝車間進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)工作車間的全流程監(jiān)控；入料視角是針對(duì)物料進(jìn)料流程進(jìn)行監(jiān)控；預(yù)包裝視角是以預(yù)包裝單元為監(jiān)控對(duì)象；切膜視角是對(duì)切膜流程進(jìn)行監(jiān)控。整體監(jiān)控視角如圖9所示。

2）數(shù)據(jù)可視化

將采集到的各個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化，以便工作人員觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，為包裝設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估，如圖10和圖11所示。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)存儲(chǔ)，工作人員可隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)，為包裝設(shè)備的故障診斷提供基礎(chǔ)，如圖12所示。

4）故障警示

當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生故障，基于傳感器閾值、檢測(cè)算法等約束對(duì)生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估判斷，如出現(xiàn)包裝膜用量耗盡、生產(chǎn)空包率過(guò)高、皮帶打滑等異常將發(fā)出警示，方便工作人員查找故障原因，如圖13所示。

5"結(jié)"論

以某常溫非化學(xué)小型物品包裝車間為研究對(duì)象，運(yùn)用三維建模軟件建立并優(yōu)化了包裝車間三維模型，利用邏輯Petri網(wǎng)理論，構(gòu)建了包裝車間的邏輯模型，采用Unity3D構(gòu)建虛實(shí)交互的包裝車間監(jiān)測(cè)平臺(tái)。本監(jiān)測(cè)平臺(tái)將數(shù)字孿生技術(shù)與包裝生產(chǎn)相結(jié)合，不僅還原了真實(shí)的物理場(chǎng)景，提高了包裝車間的加工效率和生產(chǎn)節(jié)拍，而且能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)異常與故障，有效地避免了危險(xiǎn)的發(fā)生。為包裝車間遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)提供了解決方案，而且對(duì)實(shí)現(xiàn)包裝加工智能化升級(jí)具有積極作用。

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