CN116415386A - 一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统 - Google Patents
一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116415386A CN116415386A CN202111637604.3A CN202111637604A CN116415386A CN 116415386 A CN116415386 A CN 116415386A CN 202111637604 A CN202111637604 A CN 202111637604A CN 116415386 A CN116415386 A CN 116415386A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- data
- production line
- real
- model
- equipment
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 188
- 238000012800 visualization Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 40
- 238000007726 management method Methods 0.000 claims description 28
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 16
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 238000013523 data management Methods 0.000 claims description 8
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 6
- 230000008447 perception Effects 0.000 claims description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 4
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000013144 data compression Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004886 process control Methods 0.000 abstract 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 37
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000013499 data model Methods 0.000 description 3
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 239000012792 core layer Substances 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000013439 planning Methods 0.000 description 1
- 238000009417 prefabrication Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000013468 resource allocation Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000012384 transportation and delivery Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F16/00—Information retrieval; Database structures therefor; File system structures therefor
- G06F16/90—Details of database functions independent of the retrieved data types
- G06F16/904—Browsing; Visualisation therefor
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F16/00—Information retrieval; Database structures therefor; File system structures therefor
- G06F16/90—Details of database functions independent of the retrieved data types
- G06F16/906—Clustering; Classification
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
- G06K17/00—Methods or arrangements for effecting co-operative working between equipments covered by two or more of main groups G06K1/00 - G06K15/00, e.g. automatic card files incorporating conveying and reading operations
- G06K17/0022—Methods or arrangements for effecting co-operative working between equipments covered by two or more of main groups G06K1/00 - G06K15/00, e.g. automatic card files incorporating conveying and reading operations arrangements or provisions for transferring data to distant stations, e.g. from a sensing device
- G06K17/0029—Methods or arrangements for effecting co-operative working between equipments covered by two or more of main groups G06K1/00 - G06K15/00, e.g. automatic card files incorporating conveying and reading operations arrangements or provisions for transferring data to distant stations, e.g. from a sensing device the arrangement being specially adapted for wireless interrogation of grouped or bundled articles tagged with wireless record carriers
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/04—Manufacturing
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Economics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Marketing (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,包括如下步骤:通过传感技术感知产线底层信息数据;利用建模软件对产线进行高保真建模,还原产线三维特征;利用仿真平台构建基于生产现场数据驱动的数字孪生模型;建立有效的数据集成与传输通道,通过孪生产线系统实时接收物理实体产线的生产数据;利用数字空间与物理空间的映射关系完成实时生产的过程控制。实现透明化生产,促进智能制造的发展。
Description
技术领域
本发明涉及智能制造领域,尤其涉及一种基于实时数据驱动的数字孪生产线系统架构及其可视化监控方法。
背景技术
制造业作为一个国家立业之本,经济支撑,有着重要地位。目前,我国制造业正处于转型升级的关键时期,新一代信息技术(如物联网、云计算、人工智能等)的快速发展给制造业带来了新的高质量发展契机。产线是制造业组织生产的基本执行单元,随着产品生产的多样化,对于制造业的要求也有了显著提高,产品不仅要在保证按期交付的同时满足用户高品质的需要。在这种情况下,对生产线的实时生产流程的把控显得尤为重要。为了提高生产人员对于生产环节的监控力度,不仅需要对于底层设备状态信息、生产作业情况、生产过程中的异常信息进行采集与分析,还要对于生产线资源进行合理的配置与调度。数字孪生技术的出现完美地解决了上述问题,其不仅可以通过物联网技术感知下层设备人员信息,同时建立标准的通信网络解决实时数据信息的管理与传输问题,另外建立实体生产线的数字孪生体直观地把控生产线的运行状态。
产线数字孪生系统的实现具有以下难点:
(1)设备底层海量异构数据的整合与处理;(2)统一格式的数据信息的传递;(3)建立生产线的实时数字孪生体来实现物理生产线的生产过程动态同步。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明提供了一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,解决了现有数字孪生系统中异构数据处理,设备模型动作驱动等关键技术。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,包括:
实体设备层,包括产线系统的底层硬件对象;
数据感知层,连接实体设备层,采集产线现场多种工业设备硬件对象的底层数据源、车间现场实时状态数据;
数据管理层,连通数据感知层与功能业务层,用于数据集成与实时交互,对采集数据进行预处理、分类、冗余清理,通过实时数据库与历史数据库对数据进行存储管理;
功能业务层,围绕人员、设备、物料以及环境因素建立静态三维模型,通过仿真软件进行动态工艺仿真,实现全要素的设备信息实时虚拟静态映射,以及结合信息集成管控平台进行孪生模型的同步动态映射;
系统展示层,用于向PC端、移动端、Web端以及虚拟现实终端设备提供数字孪生产线的全要素三维可视化展示。
所述硬件对象包括工作人员、产线机器设备、车间物理环境、生产物料。
所述数据感知层采集的产线底层数据源包含工况数据、设备数据、环境数据。
所述产线底层数据源采用人工录入方式、条形码扫描设备,RFID扫描设备,传感器设备进行识别采集。
所述数据管理层对采集数据进行预处理、分类、冗余清理,包括:
a.进行数据压缩、过滤;
b.将采集到的数据分类为静态数据、动态数据以及中间数据;
c.对冗余数据进行清理;
其中,静态数据用于追溯产品生产过程;将从产线底层数据源采集到的异构数据进行分类,将工况数据中的工单信息、物料信息、产线编号,设备数据中的设备静态参数,环境数据中的静态信息归类为静态数据,用于静态展示生产场景;
动态数据用于进行产线生产过程的实时监控,辅助进行产线系统调度以及管理;将生产过程中产线的动态数据,涵盖工况数据中的工单分配信息,设备数据中的实时运行数据,环境数据中的动态信息,归类为动态数据,用于进行产线生产过程的实时监控,辅助进行产线系统调度以及管理;
中间数据用于将原始异构的底层数据源进行统一处理获取的数据类型。
所述数据管理层采用OPC UA进行底层数据与上位机的安全信息传输;将采集的数据进行标准格式统一,对下汇总底层产线现场多源异构数据,对上上传数据至孪生空间数据服务平台用于驱动模型对实体空间的映射,还用于对生产现场的数据进行写入实现反向控制。
所述围绕人员、设备、物料以及环境因素建立静态三维模型,实现全要素的设备信息实时虚拟静态映射,包括:
利用三维建模软件对车间实体场景进行等比例的虚拟模型创建,用于还原产线生产环境;依据实际产线运转情况进行设备模型动作的预编辑;所述虚拟三维模型包括静态模型、动态模型;静态模型,用于三维展现实体产线静态对象特征,通过建模软件创建的三维模型与静态数据联合驱动,直观进行产线全方位的三维展示;动态模型,用于展现产线的动态对象特征,将预定义对象动作行为特征与动态数据进行结合,实时展现产线动态生产过程;
根据实际制造车间的层次关系,在仿真软件中对创建的三维模型进行父子关系编辑,将三维模型按照分解的系统层次进行父子匹配建模以及模型的归类;所述模型归类包括系统层级、设备层级、单元层级下的各类模型;
进一步的,系统层级中包含产线的机械手系统、库存系统、加工系统、运输系统以及员工系统;设备层级包含机床模型、机器人模型、AGV小车模型、工作人员模型、工件模型、货架模型以及车间厂房模型;单元层级包含传感器模型,控制器模型,伺服电机模型。
在仿真软件中设置控制模型运动的脚本文件并与模型进行绑定,得到可驱动的数字化运动模型。
所述通过仿真软件进行动态工艺仿真,实现孪生模型的同步动态映射,包括:
通过仿真软件制作设备信息面板,用于显示车间生产运行状态的状态信息,进行人员管理、物流管理、计划管理;
进一步的,所述设备信息面板是通过与数据库进行绑定,利用柱状图、折线图、饼状图、雷达图方式直观呈现产线现场关键数据信息;
将每台设备的动作独立成一套离散的动画序列,将复杂的模型动作模块化,实时获取设备运行关键节点的动作启停信息,通过关键的数据点信息来驱动离散模型的动作行为。
所述系统展示层引入虚拟现实、增强现实方法用于直观展示与资源调度、人员管理操作。
设备终端采用PC,移动端,HTC vive终端设备。
本发明具有以下优点及有益效果:
1.针对于当前孪生产线的研究现状,围绕人、机、料、环建立五层实时数据驱动的数字孪生产线架构。
2.通过数据采集与物联网技术实现底层数据的上传工作,并通过孪生产线平台进行数据处理与存储。
3.建立完备的孪生系统数字空间与物理空间的实时映射体系,通过实体设备的实时数据驱动孪生数字产线的动态生产工程。
4.通过仿真软件构建高保真度的产线场景还原,并通过各种终端设备进行模拟产线的展示。
5.通过构建的体系架构可以实现产品全生命周期的过程管理,保证管理人员对于当前生产过程的可观、可感与可控,方便对于产线工作人员的调度,优化物料资源调配,直观地监控设备运行状态,最大限度地提升产品生产效率与产品生产质量。
附图说明
图1是为本发明实施例提供的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线系统架构。
图2是为本发明实施例提供的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线系统可视化监控方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
如图1,一种基于实时数据驱动的数字孪生产线系统架构包括:
构建多层次的数字孪生产线架构可分为5个层次:实体设备层,数据感知层、数据管理层、功能业务层与可视化展示层。
实体设备层包含数字孪生产线系统的实体信息部分,涵盖工作人员(操作人员、管理人员等)、产线机器(传送带、机械臂等)、车间环境(产线湿度、温度等)、生产物料(产品、原材料等)。
数据感知层是系统的基础部分。通过解决产线现场多种工业设备的数据接入获取车间现场实时状态数据,生产制造是信息不断变化的复杂过程,现场数据具有多源、海量、异构等特点。
产线底层数据源包含工况数据、设备数据、环境数据等,是驱动孪生模型的主要数据来源。工况数据涵盖人员信息、质量数据、生产执行数据、物料信息等;设备数据包括设备的状态信息,加工工艺参数,加工任务的完工信息与在制品状态信息等;环境数据包含产线的湿度、温度等。
数据管理层,将从产线底层数据源采集到的异构数据进行分类,将工况数据中的工单信息、物料信息、产线编号等,设备数据中的设备静态参数等,环境数据中的静态信息归类为静态数据,用于静态展示生产场景;将生产过程中产线的动态数据,涵盖工况数据中的工单分配信息,设备数据中的实时运行数据等,环境数据中的动态信息,归类为动态数据,用于进行产线生产过程的实时监控,辅助进行产线系统调度以及管理。功能方面:一方面实现底层数据与上层数据的实时通信,确保数字空间与实体空间的交互基础;另一方面,对于采集的数据进行数据预处理与集成,对于原始数据进行分类,对于现场冗余数据进行清理,通过实时数据库与历史数据库对采集的数据进行存储管理。系统指定一段时间长度作为数据有效期,实时数据库存储有效期内的生产线状态数据,超出有效期的数据通过历史数据库进行存储。
功能业务层,围绕人员、设备、物料以及环境等因素,实现全要素的设备信息实时映射,从三维模型构建出发,构建产线设备、物料、环境高保真模型,通过仿真软件进行工艺仿真,结合信息集成管控平台进行孪生模型的同步映射。明确设备动作驱动的数据接口,三维/二维可视化产线构建,通过状态看板进行人员管理、物流管理、计划管理等。
三维虚拟产线的建立是孪生产线搭建的核心部分,一方面通过建模技术进行产线的静态建模,利用轻量化技术对于构建的复杂模型进行简化,使模型在满足展示要求的前提下,更加流畅地进行渲染工作。另一方面,需要完成对模型对象的三维可视化仿真交互属性定义及模型数据驱动建模,从而实现数字空间与物理空间的实时映射。
功能业务层是本架构的核心层级,通过该层设计实现通过产线实时状态信息驱动虚拟产线模型的动态生产活动,同步生产流程模拟;另外,通过整合历史数据库与实时数据库数据进行生产过程的效能评估,并将各路数据信息进行二维数据看板的可视化显示。综上全部二维/三维信息都将推送至系统展示层进行多终端展示。
系统展示层将围绕PC端,移动端,Web端以及虚拟现实等终端设备进行数字孪生产线系统的全方位三维展示。引入虚拟现实、增强现实等科技手段,提升展示效果的直观性与易操作性。使管理人员不必亲自前往生产车间也可以进行生产的资源调度、人员管理等。
如图2所示,本发明的可视化监控方法包括如下步骤:
步骤1:多源异构数据的实时采集,通过获取现场的不同设备、不同传感器的信息,建立工业现场数据网络。确定数据传输方案,将采集到的海量多源异构数据,接入传输网络,实现数据的集成与上传。
步骤1.1:孪生系统的底层数据来自真实的物理空间,数据类型多样,包含各种现场设备运行数据、数据库等。由于数据源通讯方式、接口和数据类型的差异性较大。为了对数据进行统一化管理,要根据实体空间的数据源,建立统一规则的数据模型,将数据模型与数据源进行连接。
步骤1.2:建立生产现场与仿真场景的数据连接通道,实现工业现场的静态数据和动态数据与孪生系统的实时交互。一方面捕获产线静态数据进行系统管理,另一方面获取动态数据驱动孪生模型的运动。
步骤1.3:将构建的服务端接入到局域网、互联网及工业互联网中,为远程客户端的接入提供支撑。不同层次的用户和管理者可以在不同的地点以不同的工具进行远程访问。
优选地,所述步骤1.1中,产线现场数据采集可采用人工录入方式、利用条形码技术,RFID技术,传感器技术自动识别采集等。数据可以分为静态数据、动态数据以及中间数据等。静态数据可用于追溯产品生产过程,包含产线工人编号、物料信息以及产线编号等;动态数据可用于进行产线生产过程的实时监控,可以辅助进行产线系统调度以及管理等。动态数据包括在实际生产过程中产生的实时数据,涵盖设备运转参数,工单派发信息以及人员位置信息等。中间数据是将原始底层异构数据进行统一处理获取的数据类型。
优选地,所述步骤1.2中,采用OPC UA进行底层数据与上位机的安全信息传输,同时可以将采集的数据进行标准统一与信息建模。对下可以进行底层产线现场多源异构数据汇总,对上可以将数据上传至孪生空间数据服务平台,驱动模型对实体空间的映射,也可对生产现场的数据进行写入实现反向控制。
优选地,所述步骤1.3中,对于上传至数据中心的数据采用数据压缩、过滤等手段进行预处理,对于冗余无用的底层数据进行筛选与清理,缓解上层数据存储与仿真空间的数据处理压力,通过网络通信将数据传输至数据服务器,利用数据库进行数据的存储。
步骤2:根据对产线场景的分析,构建系统的三维虚拟场景模型,按照不同层次结构进行三维建模,形成对应的父子关系,完成制造车间与其虚拟空间的静态映射。
步骤2.1:利用三维建模软件对车间实体场景进行一比一的虚拟三维模型创建,尽可能地还原产线生产环境,保证真实。同时依据实际产线运转情况进行设备模型动作的预编辑。
步骤2.2:在仿真软件中对创建的三维模型进行父子关系编辑,以便更好地与实际制造车间的层次关系相结合,将三维模型按照分解的系统层次进行父子匹配建模以及模型的归类。
步骤2.3:在仿真软件中编写脚本文件并与模型进行绑定,使其可以控制模型的运动,得到可驱动的数字化运动模型,为后面物理车间实时数据驱动虚拟车间模型运动做准备。
优选地,所述步骤2.1中,物理产线包含静态对象(厂房、供料区等)和动态对象(传送带、机器人等)。对应于物理实体产线,在数字孪生产线系统中建立静态与动态模型,静态模型展现实体产线静态对象特征,通过建模软件创建的三维模型与静态数据联合驱动,可直观进行产线全方位的三维展示;动态模型展现产线的动态对象特征,将预定义对象动作行为特征与动态数据进行结合,实时展现产线动态生产过程。其中运动对象行为特征举例如下:机械臂的抓取动作,传送带的输送等。另外在建模方面,通过预制体技术与场景光源优化方法降低中央处理器与图形处理器的运算压力;通过LOD技术优化产线场景模型。
三维模型的渲染始终是孪生系统建立最消耗系统资源的部分。为了减少模型渲染对整个系统造成的影响,在仿真软件中对三维模型按照其需要的精细程度进行了分类处理,对于不同类别的三维模型进行不同精细程度的建模,在保证能够高保真地还原产线系统的基础上,尽可能多的减少三维模型的顶点数及平面数。
优选地,所述步骤2.2中,虚拟场景采用资源树的形式进行管理,体现场景模型层级关系,所有资源节点都是根节点的子节点,子物体是父物体的子节点,这种描述方式更加直观。在孪生产线系统的资源层次可以分为系统层级,设备层级以及单元层级。系统层级中包含产线的机械手系统、库存系统、加工系统、运输系统以及员工系统等;设备层级包含机床模型、机器人模型、AGV小车模型、工作人员模型、工件模型、货架模型以及车间厂房模型;单元层级是指设备层级的基础构成单元模型,包含传感器模型,控制器模型,伺服电机模型等。
优选地,所述步骤2.3中,虚拟车间运行模式以车间三维模型动态映射为基础,以在制品在车间中的作业全过程为观察点,在事件驱动车间状态变化的基础上建立物流、设备和产品3个层次的三维映射规则。通过工件物流信息进行生产全过程建模,针对于设备级模型建模,围绕设备的启停信号建立设备模型与实体设备的动态映射关系,针对于产品信息对应于实体标签信息,驱动工件模型变化。
步骤3:将获取的数据模型驱动信息数据与设备状态信息数据传输到功能业务层,展开孪生空间的实时三维动态映射构建,通过采集的数据信息驱动设备虚拟单元。
步骤3.1:将用以显示车间生产运行状态的状态信息,采用设备信息面板的方式进行显示处理,对每个设备以及它们的采集内容,通过仿真软件制作数据信息看板,然后将所得到的状态信息在看板中显示出来。
步骤3.2:将用以驱动数字模型设备的驱动信息与生产模型一一对应。通过实时数据信息,结合工艺流程以及各设备的运行动作,借由仿真软件,通过控制脚本来实现生产运行状态的全流程动态仿真。
步骤3.3:产线正常运行中产生的设备状态信息与动作驱动信息引入了订阅机制进行处理。一方面对于实时性要求不高,不需要实时显示的数据信息,采用订阅事件的方式进行处理。对于实时性要求较高的驱动数据采用实时获取的方式。
步骤3.4:利用动作序列库与实时数据相结合进行虚拟模型动作的精准控制,以此解决由于网络延迟,数据冗余导致的模型动作滞后问题。
优选地,所述步骤3.1中,建立二维/三维设备信息展示看板,通过与数据库进行绑定,利用柱状图、折线图、饼状图、雷达图等方式直观呈现产线现场关键数据信息。
优选地,所述步骤3.2中,设备模型的动作编辑可以通过二种方式实现。一方面可以将设备工作行为逐帧预制成一套完整的行为动画,动作只需要接收一组启停信号即可完成驱动。这种处理方式相对简单可以有效地降低虚拟设备的仿真复杂度,减少硬件处理压力。但是系统灵活性不足,无法对于实际的生产过程进行准确的还原,仿真的鲁棒性较差。另一方面,可以将每台设备的动作独立成一套离散的动画序列,将复杂的模型动作模块化,孪生产线需要不断获取设备运行关键的节点的动作启停信息,通过关键的数据点信息来驱动这一离散的动作行为。这种方式计算开销较大,需要获取的数据节点数量较多,但是可以较为真实地反映产线的实际运转情况,对于实际生产环节的指导意义更为有效。
本专利采用第二种方式实现孪生设备模型的动态驱动,选取更为适宜的数据结构存储驱动信息,在每个设备模型上创建脚本驱动设备动作,在保证数据接入效率的同时驱动设备模型动态运行。
优选地,所述步骤3.3中,驱动设备运动的信息对于实时性、准确性要求较高,需要实时接收处理;针对于设备状态信息,通过设置几类事件进行触发,如用户点击设备模型,点击虚拟HMI界面等进行展示,只有在发出查看请求时才会发送到系统,并显示在可视化界面上。
优选地,所述步骤3.4中,产线生产仿真过程中,设备动作模型通过关键点数据驱动。当孪生空间接收到动作启停信号时即可实现模型动作的开始与停止。但是由于网络等客观因素,对于仿真环境中的产线模型动作与现实设备存在一定程度的延迟。因此,系统在一方面获取驱动信息的同时,也会获取到设备实时位置点信息,并于当前孪生场景中的设备模型进行比对,获取状态偏差,经由反馈控制器,实时控制调节孪生空间中虚拟产线行为状态以确保虚拟设备运行状态的准确性。
步骤4:根据人机交互需求,开发界面,创建面板信息,完成实时三维可视化监控,并发布至用户。
步骤4.1:在仿真软件中构建用户操作界面,进行权限配置,确保系统可以按照用户不同的职能进行权限分配。
步骤4.2:将数字孪生系统独立打包,发布至PC端、移动端、Web端以及虚拟现实终端(例如HTC vive终端设备)多种展示方式。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制。应当指出的是,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干形变和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,包括:
实体设备层,包括产线系统的底层硬件对象;
数据感知层,连接实体设备层,采集产线现场多种工业设备硬件对象的底层数据源、车间现场实时状态数据;
数据管理层,连通数据感知层与功能业务层,用于数据集成与实时交互,对采集数据进行预处理、分类、冗余清理,通过实时数据库与历史数据库对数据进行存储管理;
功能业务层,围绕人员、设备、物料以及环境因素建立静态三维模型,通过仿真软件进行动态工艺仿真,实现全要素的设备信息实时虚拟静态映射,以及结合信息集成管控平台进行孪生模型的同步动态映射;
系统展示层,用于向PC端、移动端、Web端以及虚拟现实终端设备提供数字孪生产线的全要素三维可视化展示。
2.根据权利要求1所述的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,所述硬件对象包括工作人员、产线机器设备、车间物理环境、生产物料。
3.根据权利要求2所述的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,所述数据感知层采集的产线底层数据源包含工况数据、设备数据、环境数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,所述产线底层数据源采用人工录入方式、条形码扫描设备,RFID扫描设备,传感器设备进行识别采集。
5.根据权利要求3所述的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,所述数据管理层对采集数据进行预处理、分类、冗余清理,包括:
a.进行数据压缩、过滤;
b.将采集到的数据分类为静态数据、动态数据以及中间数据;
c.对冗余数据进行清理;
其中,静态数据用于追溯产品生产过程;将从产线底层数据源采集到的异构数据进行分类,将工况数据中的工单信息、物料信息、产线编号,设备数据中的设备静态参数,环境数据中的静态信息归类为静态数据,用于静态展示生产场景;
动态数据用于进行产线生产过程的实时监控,辅助进行产线系统调度以及管理;将生产过程中产线的动态数据,涵盖工况数据中的工单分配信息,设备数据中的实时运行数据,环境数据中的动态信息,归类为动态数据,用于进行产线生产过程的实时监控,辅助进行产线系统调度以及管理;
中间数据用于将原始异构的底层数据源进行统一处理获取的数据类型。
6.根据权利要求1所述的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,所述数据管理层采用OPC UA进行底层数据与上位机的安全信息传输;将采集的数据进行标准格式统一,对下汇总底层产线现场多源异构数据,对上上传数据至孪生空间数据服务平台用于驱动模型对实体空间的映射,还用于对生产现场的数据进行写入实现反向控制。
7.根据权利要求1所述的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,所述围绕人员、设备、物料以及环境因素建立静态三维模型,实现全要素的设备信息实时虚拟静态映射,包括:
利用三维建模软件对车间实体场景进行等比例的虚拟模型创建,用于还原产线生产环境;依据实际产线运转情况进行设备模型动作的预编辑;所述虚拟三维模型包括静态模型、动态模型;静态模型,用于三维展现实体产线静态对象特征,通过建模软件创建的三维模型与静态数据联合驱动,直观进行产线全方位的三维展示;动态模型,用于展现产线的动态对象特征,将预定义对象动作行为特征与动态数据进行结合,实时展现产线动态生产过程;
根据实际制造车间的层次关系,在仿真软件中对创建的三维模型进行父子关系编辑,将三维模型按照分解的系统层次进行父子匹配建模以及模型的归类;所述模型归类包括系统层级、设备层级、单元层级下的各类模型。
在仿真软件中设置控制模型运动的脚本文件并与模型进行绑定,得到可驱动的数字化运动模型。
8.根据权利要求1所述的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,所述通过仿真软件进行动态工艺仿真,实现孪生模型的同步动态映射,包括:
通过仿真软件制作设备信息面板,用于显示车间生产运行状态的状态信息,进行人员管理、物流管理、计划管理;
将每台设备的动作独立成一套离散的动画序列,将复杂的模型动作模块化,实时获取设备运行关键节点的动作启停信息,通过关键的数据点信息来驱动离散模型的动作行为。
9.根据权利要求1所述的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,所述系统展示层引入虚拟现实、增强现实方法用于直观展示与资源调度、人员管理操作。
10.根据权利要求9所述的一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统,其特征在于,设备终端采用PC,移动端,HTC vive终端设备。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111637604.3A CN116415386A (zh) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | 一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111637604.3A CN116415386A (zh) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | 一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN116415386A true CN116415386A (zh) | 2023-07-11 |
Family
ID=87053082
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202111637604.3A Pending CN116415386A (zh) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | 一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN116415386A (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117097717A (zh) * | 2023-08-16 | 2023-11-21 | 浙江远算科技有限公司 | 一种用于仿真结果的文件传输优化方法、系统和电子设备 |
CN117475431A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-01-30 | 君华高科集团有限公司 | 一种基于数字孪生技术的食品安全监管方法及系统 |
-
2021
- 2021-12-29 CN CN202111637604.3A patent/CN116415386A/zh active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117097717A (zh) * | 2023-08-16 | 2023-11-21 | 浙江远算科技有限公司 | 一种用于仿真结果的文件传输优化方法、系统和电子设备 |
CN117097717B (zh) * | 2023-08-16 | 2024-03-22 | 浙江远算科技有限公司 | 一种用于仿真结果的文件传输优化方法、系统和电子设备 |
CN117475431A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-01-30 | 君华高科集团有限公司 | 一种基于数字孪生技术的食品安全监管方法及系统 |
CN117475431B (zh) * | 2023-12-27 | 2024-03-15 | 君华高科集团有限公司 | 一种基于数字孪生技术的食品安全监管方法及系统 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109375595B (zh) | 一种车间可视化监控方法、装置及设备 | |
CN111857065B (zh) | 基于边缘计算和数字孪生的智能生产系统和方法 | |
CN112818446B (zh) | 一种智能车间数字孪生系统的构建方法 | |
CN112731887B (zh) | 石化无人值守装卸线数字孪生智能监控系统及方法 | |
CN108009739B (zh) | 一种智能机加车间生产计划与调度一体化方法 | |
Saturno et al. | Proposal of an automation solutions architecture for Industry 4.0 | |
CN113887016A (zh) | 一种基于数字孪生的船舶数字化车间仿真方法与系统 | |
CN113093680A (zh) | 一种基于数字孪生技术的fims系统架构设计方法 | |
Lin et al. | Concept design of a system architecture for a manufacturing cyber-physical digital twin system | |
CN109976296A (zh) | 一种基于虚拟传感器的车间生产过程可视化系统及构建方法 | |
Yusupbekov et al. | Development and improvement of systems of automation and management of technological processes and manufactures | |
CN109214723A (zh) | 一种智能制造单元一体化监控系统 | |
CN106647336B (zh) | 一种基于仿真的飞机装配过程智能监控系统 | |
CN115097788A (zh) | 一种基于数字孪生工厂的智能管控平台 | |
CN113805550A (zh) | 基于数字孪生的航天器装配过程管控方法及系统 | |
CN105824300A (zh) | 基于物联网技术和数字化管理技术的重型智能工厂系统 | |
CN109298685A (zh) | 数字化工厂实现方法、数字化工厂实现系统和数字化工厂 | |
CN116415386A (zh) | 一种基于实时数据驱动的数字孪生产线可视化系统 | |
CN104144204A (zh) | 针对工业模拟使用基于云的数据 | |
CN115907700A (zh) | 一种车间数字孪生模型实时映射与可视化监控方法 | |
CN114372341A (zh) | 基于数字孪生的钢铁热轧管控系统及方法 | |
CN111580478A (zh) | 一种复杂电子装备总装数字孪生车间 | |
CN111176642B (zh) | 一种基于平面图的交互可视化处理系统及应用方法 | |
CN115857439A (zh) | 一种基于数字孪生的生产线数据映射及融合系统及方法 | |
CN115203842A (zh) | 一种热冲压成形生产线的数字孪生系统和构建方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |