CN109829174A - 虚实同步验证平台的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚实同步验证平台的实现方法，包含以下步骤：S1、利用三维建模软件对真实工厂进行虚拟建模，生成工厂三维模型；S2、将工厂三维模型导入3dmax软件中，进行模型轻量化操作；S3、将完成模型轻量化操作的工厂三维模型导入三维仿真引擎，完成三维虚拟工厂的搭建，所述的三维虚拟工厂中包含一台或多台虚拟设备；S4、采集真实工厂中设备的运转信息，生成控制命令，并传输至三维仿真引擎；S5、三维虚拟工厂中的虚拟设备根据控制命令进行运动，以实现与真实工厂中的设备同步运行。本发明可以对工厂进行提前布局、对生产过程和加工工程进行模拟以及对物流系统进行模拟。

Description

虚实同步验证平台的实现方法

技术领域

本发明涉及一种信息物理系统，具体涉及一种虚实同步验证平台的实现方法。

背景技术

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，简称CPS）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统。CPS通过3C技术（Computer、Communication、Control）的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务，其通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效及实时协同，具有重要而广泛的应用前景。

CPS被定义为支撑两化深度融合的一套综合技术体系，这套综合技术体系包含硬件、软件、网络、工业云等一系列信息通信和自动控制技术，这些技术的有机组合与应用，构建起一个能够将物理实体和环境精准映射到信息空间并进行实时反馈的智能系统，作用于生产制造全过程、全产业链、产品全生命周期，重构制造业范式。

CPS的本质就是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。

数字双胞胎是CPS中的一个重要概念，它是制造系统的“事先诸葛亮”，用于从虚拟的世界来改善现实世界。数字化双胞胎也被称为数字孪生，就是以数字化方式在虚拟空间中为物理空间中的物理对象创建虚拟模型，来模拟其在现实环境中的行为。数字双胞胎可用于生产、系统监控和诊断预测，通过时间机器按关键时间点采集数据，提高预测的准确性。数字双胞胎还对分布各地的集群进行比较，能够在智能制造的系统平台上从根本上发现各种故障的原因和提高生产力的手段。

数字化双胞胎的实现有两个必要条件，即一套集成的软件工具和三维形式表现。

“数字化双胞胎”已成为制造企业迈向工业4.0的解决方案。方案提出者可以支持企业进行涵盖其整个价值链的整合及数字化转型，为从产品设计、生产规划、生产工程、生产实施直至服务的各个环节打造一致的、无缝的数据平台，形成基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像。

数字化双胞胎模型具有模块化、自治性和连接性的特点，可以从测试、开发、工艺及运维等角度，打破现实与虚拟之间的藩篱，实现产品全生命周期内生产、管理、连接的高度数字化及模块化。

然而，现有技术中的数字化双胞存在以下缺陷：

1）数字化双胞胎仅仅只是从物理空间的设备上获得信号，其实时性相对较低；

2）大多数的数字化双胞胎主要是对设备的信号进行展示；

3）很多数字化双胞胎因性能原因仅仅只有一台设备，而非一条生产线、一个工厂，不能全面反映工厂的实际情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚实同步验证平台的实现方法，在三维软件中建立真实工厂的虚拟三维模型，并利用采集到的信号控制虚拟三维模型中的设备运动，与真实工厂中的设备运动同步，可以对工厂提前布局、对生产过程和加工工程进行模拟、对物流系统进行模拟等等。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种虚实同步验证平台的实现方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、利用三维建模软件对真实工厂进行虚拟建模，生成工厂三维模型；

S2、将工厂三维模型导入3dmax软件中，进行模型轻量化操作；

S3、将完成模型轻量化操作的工厂三维模型导入三维仿真引擎，完成三维虚拟工厂的搭建，所述的三维虚拟工厂中包含一台或多台虚拟设备；

S4、采集真实工厂中设备的运转信息，生成控制命令，并传输至三维仿真引擎；

S5、三维虚拟工厂中的虚拟设备根据控制命令进行运动，以实现与真实工厂中的设备同步运行。

较佳地，所述的三维建模软件为Solidworks或UG中的一种。

较佳地，所述的步骤S1中包含：

S1.1、根据真实工厂的二维布局图对工厂进行搭建；

S1.2、将二维布局图转化为三维布局图。

较佳地，所述的步骤S2中包含：

S2.1、将工厂三维模型导入3dmax软件中；

S2.2、利用3dmax软件中的操作命令对工厂三维模型进行简化，以减少模型的顶点数和面数；

S2.3、将简化后的工厂三维模型转换成预设格式类型，并导入三维仿真引擎，并在三维仿真引擎中搭建三维虚拟工厂。

较佳地，所述的三维仿真引擎为Unity3d。

较佳地，所述的预设格式类型为fbx格式或obj格式。

较佳地，所述的设备的运转信息包含设备的状态数据信号及设备的运动数据信号。

较佳地，所述的设备的运转信息由数据采集设备直接采集或者由制造执行系统传输的调度信号。

较佳地，所述的步骤S4中设备的运转信息通过MQTT协议传输。

较佳地，所述的步骤S4中还包含：

S4.1、在三维虚拟工厂中，利用波动图或实时动态曲线图展示所述的设备的运转信息。

本发明一种虚实同步验证平台的实现方法与现有技术相比具有以下优点：

本发明将工厂三维模型进行模型轻量化工作，可减轻虚拟空间中的渲染任务，让平台运行时的性能更加优秀；

本发明将二维真实工厂的布局转化为直观的三维布局，可更加清晰的了解整个真实工厂的构成和工作情况；

本发明将三维虚拟工厂中的虚拟设备与真实工厂中的设备同步运行，可以对真实工厂进行实时监控，还可以清晰完整的了解整个真实工厂的生产过程和产品的生产周期；

利用本发明可以清晰的了解设备的几何尺寸、结构、性能与行为状态等信息；

采用本发明在虚拟空间中对准备建造的柔性线进行建模，利用模拟信号，在虚拟空间中进行合理布局、避免工位干涉、合理化生产节拍等工作，可以提前发现设计中的问题，减少实际生产、建造过程中方案的更改，以节约成本。

附图说明

图1为本发明一种虚实同步验证平台的实现方法的流程图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。

数字双胞胎的概念，就是工厂运行的十字连接和服务的软件决定一个企业的成败。数字双胞胎是虚拟资产，物理和虚拟东西两样东西，通过传感器反应物理的状态，通过模型优化的信息返回现实世界，数字双胞胎还可以用于监控争端和预测，数字模型使物理现象的积累，提高了预见性，物理世界各种产品产生了数据，虚拟世界是数字模型产生的模型，这个信息可用来改善物理世界。针对此，本发明公开了一种虚实同步验证平台的实现方法，包含以下步骤：

S1、利用三维建模软件对真实工厂进行虚拟建模，生成工厂三维模型。

步骤S1具体地包含：

S1.1、根据真实工厂的二维布局图对工厂进行搭建；

S1.2、将二维布局图转化为三维布局图。

在本发明中，较佳地，利用Solidworks或UG等三维建模软件对真实工厂进行虚拟建模工作。在三维建模软件中，根据真实工厂的二维布局图搭建出虚拟工厂，将二维真实工厂的布局转化为直观的三维布局，可更加清晰的了解整个真实工厂的构成和工作情况。

S2、将工厂三维模型导入3dmax软件中，进行模型轻量化操作。

步骤S2具体地包含：

S2.1、将工厂三维模型导入3dmax软件中；

S2.2、利用3dmax软件中的操作命令对工厂三维模型进行简化，以减少模型的顶点数和面数；

S2.3、将简化后的工厂三维模型转换成预设格式类型，并导入三维仿真引擎，并在三维仿真引擎中搭建三维虚拟工厂。

S3、将完成模型轻量化操作的工厂三维模型导入三维仿真引擎，完成三维虚拟工厂的搭建，所述的三维虚拟工厂中包含一台或多台虚拟设备。

在本发明中，较佳地，真实工厂中包含的设备主要有机器人（六轴机械臂）、AGV小车、立体仓库、铣床、CNC设备等，由多个设备进行组合形成一条流水线，多条流水线组成一个车间，再由多个车间组合成一个真实工厂，将真实工厂中的设备在三维虚拟工厂中进行还原；优选地，所述的三维仿真引擎为Unity3d，所述的预设格式类型为fbx格式或obj格式。

S4、采集真实工厂中设备的运转信息，生成控制命令，并传输至三维仿真引擎。

在本实施例中，步骤S4还包含：S4.1、在三维虚拟工厂中，利用波动图或实时动态曲线图展示所述的设备的运转信息，与真实设备的运转状态进行对比，在虚拟三维空间中，我们可以更加清楚的看到所有我们需要的信号。

在本实施例中，较佳地，所述的设备的运转信息包含设备的状态数据信号及设备的运动数据信号；优选地，所述的设备的运转信息由数据采集设备直接采集或者由制造执行系统（MES系统）传输的调度信号，一般采用MQTT协议进行传输。

S5、三维虚拟工厂中的虚拟设备根据控制命令进行运动，以实现与真实工厂中的设备同步运行，依此，可以对真实工厂进行实时监控，还可以清晰完整的了解整个真实工厂的生产过程和产品的生产周期。

基于本发明，可以对工厂提前布局、对生产过程和加工工程进行模拟、对物流系统进行模拟等等。采用虚实同步验证平台，可以加速工厂的建设过程，提前发现不合理的地方，可加大生产力，优化成本。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种虚实同步验证平台的实现方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、利用三维建模软件对真实工厂进行虚拟建模，生成工厂三维模型；

S2、将工厂三维模型导入3dmax软件中，进行模型轻量化操作；

S3、将完成模型轻量化操作的工厂三维模型导入三维仿真引擎，完成三维虚拟工厂的搭建，所述的三维虚拟工厂中包含一台或多台虚拟设备；

S4、采集真实工厂中设备的运转信息，生成控制命令，并传输至三维仿真引擎；

S5、三维虚拟工厂中的虚拟设备根据控制命令进行运动，以实现与真实工厂中的设备同步运行。

2.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述的三维建模软件为Solidworks或UG中的一种。

3.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述的步骤S1中包含：

S1.1、根据真实工厂的二维布局图对工厂进行搭建；

S1.2、将二维布局图转化为三维布局图。

4.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述的步骤S2中包含：

S2.1、将工厂三维模型导入3dmax软件中；

S2.2、利用3dmax软件中的操作命令对工厂三维模型进行简化，以减少模型的顶点数和面数；

S2.3、将简化后的工厂三维模型转换成预设格式类型，并导入三维仿真引擎，并在三维仿真引擎中搭建三维虚拟工厂。

5.如权利要求1或4所述的实现方法，其特征在于，所述的三维仿真引擎为Unity3d。

6.如权利要求1或4所述的实现方法，其特征在于，所述的预设格式类型为fbx格式或obj格式。

7.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述的设备的运转信息包含设备的状态数据信号及设备的运动数据信号。

8.如权利要求1或6所述的实现方法，其特征在于，所述的设备的运转信息由数据采集设备直接采集或者由制造执行系统传输的调度信号。

9.如权利要求1或6所述的实现方法，其特征在于，所述的步骤S4中设备的运转信息通过MQTT协议传输。

10.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述的步骤S4中还包含：

S4.1、在三维虚拟工厂中，利用波动图或实时动态曲线图展示所述的设备的运转信息。