CN114967494A - 基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统 - Google Patents
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Abstract
基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，包括设备层、边缘层、系统层和应用层，设备层包括实际车间的各种生产设备，边缘层包括数据采集模块和设备控制模块，主要功能为采集设备数据和收发控制指令。系统层包括数据处理模块、数据存储模块、数据分析模块、数据通讯模块、逻辑功能模块和事件处理模块。应用层包括信息展示模块、数字孪生仿真模块和3D可视化交互模块，能够接收设备数据信息实现数据大屏展示，也可进行3D仿真，下达控制指令。其中3D可视化交互模块对主要功能进行了封装设计，方便开发人员使用与维护。系统具有良好的跨平台性和扩展性，能够满足快速搭建数字孪生车间的需求，降低开发成本，有效验证生产车间布局的合理性和工艺流程的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及工业互联网及数字孪生相关技术，具体涉及一种基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统。
背景技术
制造业是推进国家工业化和现代化的基础产业，在我国社会经济发展中起主导作用，然而在当前制造产业国际竞争日渐激烈，消费市场个性化需求不断增长的背景下，离散制造企业往往在快速响应客户新需求、柔性化定制生产等方面存在困难。企业生产线普遍存在管理设计缺陷导致的工艺布局不合理、产品质量不稳定、设备资源重复投入和生产监管水平低等问题，亟需向信息化方向转型。
在制造业向信息化转型过程中，对制造企业生产资源进行数字化建模管理是一种有效的手段。通过数字化途径，增强生产线的柔性，优化生产车间的设备布局，利用生产数据优化生产设计方案，其中关键在于虚拟仿真技术的应用。借助3D开发技术，搭建生产线的数字化模型和可视化仿真环境，在虚拟的信息空间中完成生产线的设计与优化，从而提高工业仿真效率、降低仿真场景搭建成本、提高制造业的数字化仿真监管水平。
工业领域的生产仿真是指使用可视化的3D模型模拟生产线的实际运行，直观展示生产过程的工艺流程、资源调度等情况。通过仿真结果，暴露生产线存在的问题，从而进行针对性的结构调整、布局设计等操作，最终达到优化生产的目标。但是当前主流的工业仿真软件，仍存在很多局限性，包括软件系统依赖具体平台运行，无法跨平台远程使用；面向仿真场景单一，缺乏灵活性，无法快速响应新的需求；软件系统本身占用资源较多，不够轻量化，不易拓展；缺少数据分析模块，无法提取隐藏价值；系统开发方法大多基于流程化，不易移植，开发流程长，代码难以复用和维护等问题。因此，工业仿真相关软件系统亟需发展升级。
针对上述问题，在成熟的互联网相关技术基础上，设计实现基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，对提高工业仿真效率、降低仿真场景搭建成本、填补相关领域的研究空缺具有十分重要的意义。该仿真分析系统基于模块化开发，提高代码复用率，方便开发人员维护与扩展；细化仿真场景力度，将关注点由整体场景转移至各个设备模型，从模型出发，面向不同场景，自定义搭建数字车间仿真场景；创建设备模型和仿真场景保存机制，方便资源共享；开放外部数据的接入口，以数字孪生的思想，使用数据驱动场景运行，搭配辅助监控设备，进行实时生产监控；整理分析总结生产数据，通过可视化图表的形式，帮助生产分析。
随着数字孪生概念的普及，当前社会对数字孪生车间的研究也日渐深入，国内外很多企业都着手研发适用于工业生产的数字孪生车间仿真系统。国外比较流行的3D制造仿真软件有芬兰的Visual Components和德国的PDPS等，这些软件功能强大，能够实现生产车间的仿真，但是这些软件都需要基于PC端运行，不具备跨平台性，而且使用成本高，上手操作难，难以满足一些中小型企业快速仿真的需求。国内也有很多学者在积极探索数字孪生车间实现方式。叶磊等人提出了基于数字孪生的前纺丝车间运行架构，对数字孪生车间的整体架构进行了阐述，并在Unity中进行了验证(叶磊.基于数字孪生的前纺丝车间运行架构[J].制造业自动化,2021,43(06):130-133.)，但是这种系统同样存在软件的平台限制性，无法跨平台访问。对于专利号CN113495542A设计的基于WebGL的工业机器人智能生产线仿真系统，虽然使用WebGL技术将数字车间的渲染模块部署在了云端，支持跨平台访问，但是其前端代码耦合程度较高，不易移植与维护，仅做到了前后端的分离开发，没有实现前端3D渲染模块与页面代码的分离，且WebGL技术较为复杂，需要开发人员有良好的图形学基础与编程基础，开发成本有待优化。本系统主要以模块化的思想进行开发，各个功能模块分别进行开发设计，实现轻量化的云端数字孪生车间仿真系统，以极低的开发成本满足用户快速编辑模型、搭建自定义场景、进行实时仿真监控分析的需求。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述问题，提供一种基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统。
本发明主要以模块化的思想进行开发，对各个功能模块进行了封装，不仅前后端分离开发，应用层的3D可视化交互模块也进行了再封装，降低代码耦合度，方便开发人员的使用与维护；系统采用B/S架构部署在云端，设备可以通过浏览器进行跨平台访问；该系统可以在浏览器中渲染3D场景，用于生产车间的数字化展示与仿真；用户可以在浏览器中任意上传模型，并且进行自定义编辑，编辑好的模型可以存入模型库备用；用户可以使用模型库中的模型进行车间场景的自定义搭建，可以极大程度的还原实际生产车间，调整好的数字车间也可以保存至工业场景库备用；用户可以在浏览器中以3D的视角全方面的查看设备模型以及数字车间场景，并且可以手动驱动设备模型的运动进行仿真；该系统提供对外的数据接口，可以接收实际生产车间的设备状态数据，并且对场景中相应的设备模型进行驱动，从而实现生产车间的数字孪生仿真；该系统可以对生产过程中的数据进行统计分析处理，除了能够展示生产车间的运行状态以外，还可以利用大数据分析技术对生产过程进行分析，提取数据隐藏价值，优化生产流程。
本发明为解决现有技术问题所采用的技术方案是：
基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，其特征在于：包括设备层、边缘层、系统层和应用层；
所述设备层包括实际生产车间的生产设备，通过与边缘层连接可以上传设备数据，接收系统的控制指令；
所述边缘层包括数据采集模块和设备控制模块，通过OPC UA协议与设备层进行数据传输，可以实时采集生产设备的信息和运行状态数据，并将设备数据传输至系统层数据处理模块，也可接收系统层事件处理模块下发的控制指令，通过PLC对生产设备发出控制信号进行控制；
所述系统层包括数据处理模块、数据存储模块、数据分析模块、数据通讯模块、逻辑功能模块和事件处理模块；
数据处理模块，接收到数据采集模块采集到的设备数据后，对设备数据进行分类清洗处理，统一格式后传输至数据存储模块；
数据存储模块，接收到数据处理模块处理完成的设备数据，分类进行存储。对于关系型数据如设备的基础信息，存储至关系型数据库MySQL；对于非关系型数据如设备的运行状态，存储至非关系型数据库Redis；对于设备模型文件，存储至文件存储系统；
数据分析模块，读取数据存储模块中的数据，采用大数据算法进行数据分析，提取有用价值，将分析结果发送至数据通讯模块；
数据通讯模块，接收来自数据分析模块的分析结果和来自数据存储模块的设备数据，将设备运行状态的实时数据通过MQTT消息服务器进行传输，将设备信息、分析结果通过Axios协议发送给应用层数字孪生仿真模块；也可接收来自数字孪生仿真模块传输的控制指令，转发给逻辑功能模块；
逻辑功能模块，接收数据通讯模块传输的控制指令，通过逻辑功能处理转化成具体的控制指令，传输至事件处理模块；
事件处理模块，接收逻辑功能模块传输的控制指令，与边缘层设备控制模块通讯，下发控制指令；
所述应用层包括数字孪生仿真模块、信息展示模块和3D可视化交互模块；
数字孪生仿真模块接收系统层数据通讯模块的数据，经处理后，将设备数据信息传输至信息展示模块进行展示，也可驱动3D可视化交互模块进行3D仿真；
信息展示模块，接收数字孪生仿真模块的数据，以数据大屏的形式进行展示；
3D可视化交互模块，对主要功能模块进行了封装设计，能够在浏览器中进行3D渲染，支持用户上传设备模型并进行在线编辑，支持用户自定义搭建数字车间场景，提供交互功能进行查看，能够接收数字孪生仿真模块的指令通过数据驱动进行同步仿真。
优选地，所述的生产设备包括机械臂、传送带、加工车间。
本发明能够满足快速搭建数字孪生车间的需求，在虚拟场景中对设备模型进行调试仿真，能够有效验证生产车间布局的合理性、生产工艺的可行性。
本发明系统基于B/S架构部署在云端，采用WebGL技术在浏览器中进行3D渲染，具有良好的跨平台性，用户通过浏览器即可进行访问。
本发明在代码方面对3D可视化交互模块的主要功能进行了封装设计，在实现目标功能的基础上对代码进行优化，大大减少了开发过程中的代码量，方便开发人员进行开发与维护，同时也增强了代码的可移植性，封装后的函数库，降低了开发成本，简化了开发流程；。
本发明系统支持用户上传、编辑模型，设置模型的运动学规则，调整好的模型可以保存至云端设备模型库；系统支持用户搭建自定义场景，搭建好的场景可以保存至云端工业场景库。
本发明系统可以接收实际生产车间设备的实时数据，对数字场景中的模型进行驱动，实现数字车间和实际车间的同步仿真；也可下发控制指令，通过数字车间控制实际车间的设备运动。
本发明的数据分析模块采用大数据分析算法对生产过程中的数据进行分析，能够提高数据价值利用率，优化生产工艺。
本发明的优点和积极效果是：
该系统采用模块化的开发思想，对基于WebGL的3D引擎three.js进行了封装，简化了代码量，增强了代码的可移植性，与前端代码解耦，在满足系统需求的基础上，方便开发人员进行开发与维护；该系统部署在云端，不依赖于具体的操作系统，用户可以使用任意设备通过浏览器进行访问，具有跨平台性；该系统具有极高的自由度，支持用户自由上传模型，随意搭建场景，能够满足用户快速搭建场景进行可视化仿真的需求；该系统通过采集、处理和分析数据，提高了生产过程中数据的利用率，能够加强制造业的数字化、信息化与智能化程度；该系统通过数据通讯实现了数字车间与实际车间的同步仿真，搭配辅助监控设备，满足了用户对车间进行远程可视化监控的需求。
本发明的优点是：基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，使用时只需要浏览器即可进行访问，用户可以上传模型，搭建场景，连接数据通讯进行同步仿真，远程监控生产车间的运行状况；使用本系统可以快速地进行场景搭建，验证车间布局的合理性，也可进行仿真调试，验证生产流程的可行性，降低生产过程的调试成本与风险；场景的同步仿真与数据的分析展示可以让用户对生产车间有更直观的监控，能够提高用户对车间的整体管控水平。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明的系统运行环境图。
图3为本发明的3D可视化交互模块功能封装图。
图4为本发明搭建的设备模型库图。
图5为本发明搭建的工业场景库图。
图6为本发明的数字孪生仿真图。
图7为本发明的数据分析展示图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，其系统结构图如图1所示，系统运行环境如图2所示。系统由设备层、边缘层、系统层和应用层组成，设备层包含生产车间的各种设备，边缘层包括数据采集模块和设备控制模块，系统层包括数据处理模块、数据存储模块、数据分析模块、数据通讯模块、逻辑功能模块和事件处理模块，应用层包括信息展示模块、数字孪生仿真模块和3D可视化交互模块。设备层的数据被边缘层采集后传输至系统层，系统层对数据进行处理、存储、分析后传输至应用层，应用层可以展示设备信息，也可进行3D仿真，搭建数字孪生车间，还可以下发控制指令，经系统层处理后传输至边缘层进行控制。
本发明专利的具体实施方式如下：
设备层为实际生产车间的设备，包括机械臂、传输带和加工车床，通过现场总线与边缘层建立物理连接，进行数据的双向传输。
边缘层包括数据采集模块和设备控制模块。数据采集模块使用OPC UA服务器进行数据传输，设备控制模块为PLC设备，可以接收系统层的控制指令，控制设备层的设备。
系统层后端使用java编程语言，采用主流的SpringBoot框架进行开发，主要实现了数据处理模块、数据存储模块、数据分析模块、数据通讯模块、逻辑功能模块和事件处理模块。数据处理模块，接收到设备数据后进行清洗处理，统一格式，生成实体对象便于后续操作；数据存储模块，接收到处理好的数据，分类进行存储，对于设备的基础信息数据，如设备名称、设备型号、设备ID等，存入到关系型数据库MySQL，保证数据之间的逻辑关联性，对于设备运行过程中的状态数据，如机械臂位姿、传送带开关状态、加工车床的运行状态等，以键值对的形式存入到非关系型数据库Redis，满足快速实时读写的需求；数据分析模块，既能对数据进行基本的统计分析，又能运行大数据分析算法提取数据价值，优化生产流程；数据通讯模块，对于不需要频繁读取的设备信息数据，通过Axios与前端应用层进行通讯，对于需要频繁读取的设备状态数据，通过MQTT消息服务器进行实时通讯；逻辑功能模块，根据应用层发来的控制指令，执行相应的逻辑功能，转化为对应的事件控制指令传输给事件处理模块；事件处理模块，接收到逻辑功能模块发来的控制指令，将控制指令下发给边缘层设备控制模块。
应用层前端以Web网页端为展示窗口，使用html、css、JavaScript编程语言，采用Vue框架进行开发。包含数字孪生仿真模块、信息展示模块和3D可视化交互模块。
数字孪生仿真模块，包含多种逻辑功能，能够将数据信息传输给信息展示模块进行展示，也可驱动3D可视化交互模块进行实时3D仿真。
3D可视化交互模块，使用JavaScript编程语言，基于WebGL框架，对主要功能进行了模块化封装设计，包括3D渲染、界面显示、模型编辑、场景搭建、鼠标交互、数据驱动，如图3所示。
3D渲染功能是指在浏览器中渲染3D场景，能够以立体的视角，全方位的查看设备模型和数字车间场景。与传统3D仿真软件不同，本系统无需安装软件，用户只需通过浏览器即可进行访问，具有良好的跨平台性。
界面显示功能是指数字车间场景中一些功能按钮和信息标签的显示，能够提高用户的交互体验，
模型编辑功能支持用户上传各种文件格式的模型，包括主流的STL、FBX、glTF以及OBJ等格式，上传的模型可以通过3D渲染功能进行立体展示，用户可以在线对模型进行调整，包括设置坐标系、改变材质纹理、设置连接关系、设置运动学仿真规则等等。用户调整好的模型能够统一以JSON的形式保存至云端数据库，加入到设备模型库，方便共享与调用。如图4所示，用户可以检索设备模型库中的模型，能够查看各个模型的基本信息，预览渲染效果，也可将模型文件下载至本地。
场景搭建功能支持用户自定义搭建数字车间场景，用户可以向场景里导入设备模型库中的模型，设置模型的位置、角度、缩放等参数，用户可以自由调试场景中的模型，比如调节机械臂关节角、设置夹爪工具的工作状态、设置传送带传送距离等等，来进行初步的仿真，模拟还原真实生产车间的场景。用户调整好的场景也可以JSON的形式保存在云端数据库，加入到工业场景库中，方便共享与调用。如图5所示，用户可以检索工业场景库中的场景，查看各个场景的基本信息，预览渲染效果，进行再次编辑，也可将场景文件下载至本地。
鼠标交互功能是指用户可以通过鼠标与数字车间场景进行交互，包括调整视角、选择设备模型查看信息、点击功能按钮进行调试等交互操作。
数据驱动功能可以用实际生产车间设备的状态数据驱动数字车间设备模型运动，用户只需设置好指定的模型运动关节，搭配好数据通讯接口就能实现同步仿真的效果，如图6所示。
信息展示模块，使用ElementUI组件化开发，搭配Echarts，以大数据看板的形式将系统中一些关键信息进行统计，并以可视化图表的形式展示，如图7所示。图表数据按照一定频率更新，用户可以实时了解到接入系统中设备的运行信息。
以上是整个系统的运行情况，模块化的设计思想不仅让前后端分离，更是让各个功能模块解耦，优化了代码量，提高了程序的可移植性，方便使用与维护；B/S的系统架构将系统部署在云端，不依赖具体操作平台，增强了系统的跨平台性；设备模型库、工业场景库的存在方便用户进行快速搭建车间场景，大幅节约了仿真时间与成本；3D渲染模块让用户能够立体直观地观察车间的运行状况，配合数据分析的展示，提高了用户对车间的管控程度；云端数据库及消息服务器的存在为数据的高效通讯提供了保障，实现了数字车间与实际车间的双向连接。整个系统使得数字孪生车间的搭建变得更方便、更简单、更有效，为制造业的数字化、信息化、网络化转型提供了技术支持。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (7)
1.基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，其特征在于：包括设备层、边缘层、系统层和应用层；
所述设备层包括实际生产车间的各种生产设备，通过与边缘层连接可以上传设备数据，接收系统的控制指令；
所述边缘层包括数据采集模块和设备控制模块，通过OPC UA协议与设备层进行数据传输，可以实时采集生产设备的信息和运行状态数据，并将设备数据传输至系统层数据处理模块，也可接收系统层事件处理模块下发的控制指令，通过PLC对生产设备发出控制信号进行控制；
所述系统层包括数据处理模块、数据存储模块、数据分析模块、数据通讯模块、逻辑功能模块和事件处理模块；
数据处理模块，接收到数据采集模块采集到的设备数据后，对设备数据进行分类清洗处理，统一格式后传输至数据存储模块；
数据存储模块，接收到数据处理模块处理完成的设备数据，分类进行存储。对于关系型数据如设备的基础信息，存储至关系型数据库；对于非关系型数据如设备的运行状态，存储至非关系型数据库；对于设备模型文件，存储至文件存储系统；
数据分析模块，读取数据存储模块中的数据，采用大数据算法进行数据分析，提取有用价值，将分析结果发送至数据通讯模块；
数据通讯模块，接收来自数据分析模块的分析结果和来自数据存储模块的设备数据，将设备运行状态的实时数据通过MQTT消息服务器进行传输，将设备信息、分析结果通过Axios协议发送给应用层数字孪生仿真模块；也可接收来自数字孪生仿真模块传输的控制指令，转发给逻辑功能模块；
逻辑功能模块，接收数据通讯模块传输的控制指令，通过逻辑功能处理转化成具体的控制指令，传输至事件处理模块；
事件处理模块，接收逻辑功能模块传输的控制指令，与边缘层设备控制模块通讯，下发控制指令；
所述应用层包括数字孪生仿真模块、信息展示模块和3D可视化交互模块；
数字孪生仿真模块接收系统层数据通讯模块的数据，经处理后，将设备数据信息传输至信息展示模块进行展示，也可驱动3D可视化交互模块进行3D仿真；
信息展示模块，接收数字孪生仿真模块的数据，以数据大屏的形式进行展示；
3D可视化交互模块，对主要功能模块进行了封装设计，能够在浏览器中进行3D渲染，支持用户上传设备模型并进行在线编辑，支持用户自定义搭建数字车间场景，提供交互功能进行查看，能够接收数字孪生仿真模块的指令通过数据驱动进行同步仿真。
2.根据权利要求书1所述的基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，其特征在于：所述的生产设备包括机械臂、传送带、加工车间。
3.根据权利要求书1所述的基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，其特征在于：系统基于B/S架构部署在云端，采用WebGL技术在浏览器中进行3D渲染，具有良好的跨平台性，用户通过浏览器即可进行访问。
4.根据权利要求书1所述的基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，其特征在于：在代码方面对3D可视化交互模块的主要功能进行了封装设计，在实现目标功能的基础上对代码进行优化，大大减少了开发过程中的代码量，方便开发人员进行开发与维护，同时也增强了代码的可移植性，封装后的函数库，降低了开发成本，简化了开发流程。
5.根据权利要求书1所述的基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，其特征在于：系统支持用户上传、编辑模型，设置模型的运动学规则，调整好的模型可以保存至云端设备模型库；系统支持用户搭建自定义场景，搭建好的场景可以保存至云端工业场景库。
6.根据权利要求书1所述的基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，其特征在于：系统可以接收实际生产车间设备的实时数据，对数字场景中的模型进行驱动，实现数字车间和实际车间的同步仿真；也可下发控制指令，通过数字车间控制实际车间的设备运动。
7.根据权利要求书1所述的基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，其特征在于：数据分析模块采用大数据分析算法对生产过程中的数据进行分析，能够提高数据价值利用率，优化生产工艺。
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