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基于数字孪生的智能车间建设方案

随着新一代信息技术与制造技术的深度融合发展，制造业的生产方式正在发生深刻变革，为实现制造业中的设备信息能及时汇总处理，从而驱动整个制造业更加智能化的发展。为实现对车间／产线现场设备工作状态信息，加工工艺参数信息，车间物料周转过程、工件工艺质量信息、加工过程中的能源损耗信息等的在线监测、分析与故障预警，有必要建设一个生产过程监测系统，全面实现车间设备和生产执行情况的集中监测、预警管理，实现生产过程的透明可控。

1、研究内容

本文的主要研究内容是对产线的三维实时监控的研究，其中最重要的就是对数字孪生的研究，生产线数字孪生主要是对物理机床的传感器、状态、加工等数据等进行采集、处理与融合，构建生产线实时和历史数据模型，以实现物理机床电气系统的数字化映射。数字孪生体虚拟模型可以直观地体现数控机床的物理实体实际外观状态，一个精确、逼真的数字孪生体虚拟模型可以为工人提供强烈的沉浸感。三维实时监控可以对生产线物理实体的加工过程和全生命周期进行全面了解与掌控，为生产线的调试、报警预警、远程操控提供平台。

2、关键技术研究

2.1数据建模技术

对数据进行分析建模是数字孪生技术的重要基础，通过使用数字孪生技术与数据建模结合在一起，能够在数字空间中对产线的运行过程进行同步映照。利用工业物联网结合物理实体产线的实际运行数据，对产线数字孪生体进行模型构建、运动链接、环境搭建，利用产线的数字孪生体对物理机床的整个生命周期进行仿真、监控、调试以及控制等操作，完成虚实相融、以虚概实的数字化。

2.2制造实时数据监控技术

制造实时数据采集与监控以产线的数字孪生技术作为基础，囊括了现场生产的物理生产层面和生产工艺层面的映射。在现场生产的物理层面，主要研究加工中的多源异构数据的可视化映射，实现车间的可视化监控；在生产工艺层面，研究了基于数字孪生的生产线上的制造数据实时仿真计算方法，完成机床实时生产数据与生产工艺相融合，从而实现基于数字孪生层面的数据监控展示。

2.3大数据驱动状态预警技术

工业生产领域的自动化程度越来越高，但仍存在大量无法量化甚至决策者无法知晓的不确定性因素，这些不确定性因素导致了决策和生产管控的困难。目前比较成熟的大数据驱动状态预警技术就是要提供一种透明化的工具和解决方案，具有对不确定性进行拆解和量化的能力，进而能客观地估算出在生产过程中机床设备的运行状态和利用率，实现工厂生产过程中的可视化、透明化管理，使管理者实现“知情”决策。

3、智能化车间建设方案设计

基于“数字双胞胎”的概念，实现车间设备真实运行情况和产品生产过程的虚拟实时同步映射，将生产计划与执行状况、生产现场状况、车间生产、消耗、质量、设备、能耗等主要管理业务的关键指标进行监控、预警分析。

3.1系统功能架构

本方案成功使用现行的各种先进技术，在各个层面对工厂制造的信息进行表达和阐述。通过数据中转系统获得生产过程中的各种数据（产品质量数据、工件工艺参数、车间生产进度信息）、车间设备的数据（加工状态、故障参数）、生产相关业务信息数据（排产计划、工艺参数、物料运转数据）借助数据中台实现生产线物理运行状态与生产线虚拟孪生模型的实时数据传输，把真实的现场运行状态数据传输到虚拟系统。在车间生产运行的实时和历史数据积累的基础上，对设备的实时运行情况进行仿真分析处理、故障预警等，帮助优化提升产线，系统总体架构如图1所示。

图1系统总体架构

3.2技术架构和功能设计

本项目采用B／S架构，利用3D绘图协议技术可实现客户端用户随时随地远程在线访问，数字孪生服务支持Windows／linux系统部署运行，可适配工业互联网云平台，同时也支持服务私有化部署。数字孪生底层开发依托Unity3D引擎，通过集成物理仿真、网络通讯服务、图形界面引擎、粒子系统、音频管理、脚本等各种模块插件，自主研发基于离散事件的仿真引擎，实现数字孪生系统仿真模型场景搭建、生产实时数据接入、虚拟物理实时在线映射、生产仿真模拟分析等核心功能，功能设计部分主要通过如下几点进行设计。

3.2.1生产线设备虚实映射

在仿真建模和数据接入的基础上，实现实体产线与虚拟产线的真实映射与实时交互，完成实体产线、虚拟产线的全过程、全要素、所有数据的采集和融合。在已经建立的数据模型的驱动下，完成车间生产线上各个生产要素的管理、生产计划制定、产品生产过程中的控制等在实体产线、虚拟产线的镜像化运行，能实现在指定目标和有约束的条件下完成车间生产全过程的智能化管控。

用户通过交互设备与虚拟环境中的对象进行自然的、实时的交互。实现对虚拟仿真技术在数字化工厂中的应用，包括产线、机台的三维仿真展示和导航，可以根据三维模型进行组态和配置后实现三维展示效果，包括旋转、缩放、自动路径漫游和手动漫游等；实现设备运行仿真功能，在设备的仿真动态展示中