一种基于数字孪生的物流设备动态模型构建系统及方法

1.本发明属于物流设备可视化监控技术领域，涉及一种基于数字孪生的物流设备动态模型构建系统及方法。


背景技术：

2.近年来，随着新一轮产业变革和科技革命的兴起，智能化也成为制造业产业变革的主攻方向。在国内制造业产业变革的大背景下，2018年9月国家新闻出版署发布的《中国印刷业智能化发展报告(2018)》，为我国印刷业智能化发展指明方向。
3.印刷包装行业作为一个典型的离散型制造行业，产品的生产过程由多个加工工序组成，以软包装加工工艺为例，其生产工艺流程为：印刷、复合、熟化、分切和制袋，物流设备在印刷生产工艺流程中起到运输物料和产品的作用，而生产不同类型的印刷品，物流过程也会发生相应变化，所以在设计数字孪生物流过程时应重点考虑数字孪生模型的可重构的特性，以适应车间环境的动态变化。而且早期基于视频监控和电子看板的设备监控方案，只能观察到设备运行状态的外在表现或是设备的状态参数，无法实时获得设备本身运行过程与状态信息，也不能满足设备用户日益增长的监控需求。
4.上述技术无法实现设备三维可视化监控，也无法满足数字孪生建模过程的精准化、可视化、轻量化、可重构等要求。
5.需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供了一种基于数字孪生的物流设备动态模型的构建方法，实现了三维可视化监控中物流设备的动态建模，满足数字孪生三维建模过程的精准化、可视化、轻量化、可重构等要求。
7.为实现上述目的本发明采用如下技术方案：
8.该基于数字孪生的物流设备动态模型构建系统，包括三维模型构建单元、模型校验单元、模型处理单元、模型管理单元、数据采集单元和数据驱动单元；
9.所述三维模型构建单元用于物理实体全要素三维模型的构建；
10.所述模型校验单元用于校验零部件以及零部件之间的约束与配合关系；
11.所述模型处理单元是用于对校验后的模型进行轻量化处理与材质渲染；
12.所述模型管理单元是用于通过构建模型库对三维模型进行管理；
13.所述数据采集单元用于采集物流设备的实时数据；
14.所述数据驱动单元用于实现物流过程的动态三维建模。
15.进一步地，上述校验包括静态干涉检验和动态干涉检验。
16.进一步地，上述静态干涉检验是指检验零部件之间的干涉、间隙，对零部件进行修改。
17.进一步地，上述动态干涉检验是指对零部件模型的约束条件和配合关系进行验证，根据计算结果进行装配关系的修改、调整，直至检验正确。
18.该基于数字孪生的物流设备动态模型构建方法，包括以下步骤：
19.s1：三维模型构建
20.利用三维建模软件构建实体物流设备的三维模型；
21.s2：模型校验
22.对构建的三维模型进行检验，所述检验包括静态干涉检验和动态干涉检验；
23.s3：模型处理
24.对校验完成之后的三维模型进行材质渲染与轻量化处理；
25.s4：模型管理
26.将三维模型作为管理对象，在三维可视化平台中构建模型库，通过脚本组件为模型添加信息，为系统的开发人员提供模型浏览、调用功能与模型信息查询功能；
27.s5：数据采集
28.获取物流设备在实际运行过程中的实时数据，并将数据信号存储到实时数据库中；
29.s6：数据驱动
30.当印刷车间的物流过程发生变化时，虚拟空间具有信息自感知能力，虚拟空间会感知到数据库中的数据变化，重新调用模型库中的三维模型，实现物流过程的动态建模。
31.进一步地，上述步骤s1具体是：
32.s101：首先对物理实体整体进行拆分，再将各个组成系统分解为相对应的零部件；
33.s102：然后绘制各个零部件的模型，对于自定义零件可通过特征库中的命令生成，对于标准零件可以从标准零件库中直接调用；
34.s103：在三维建模环境中，依据实际零件之间配合约束关系和结构运动副完成对零件的组装，得到组成部件的模型，再将部件模型进行装配得到物理实体的三维模型。
35.进一步地，上述步骤s2具体是：
36.s201：在三维建模环境中，对三维模型进行静态干涉检验，对模型的零部件进行评估；
37.s202：在三维建模环境中，对三维模型进行动态干涉检验，检验零部件模型的约束条件和配合关系，并对其进行修改。
38.进一步地，上述步骤s5具体是：
39.s501：采用opc ua协议采集物流设备的实时数据，服务器可以通过接口与印刷车间物流设备的plc控制部件进行连接获取实时数据；
40.s502：实时数据库可与服务器进行连接，获取物流设备的实时数据。
41.进一步地，上述步骤s6具体是：
42.s601：在虚拟空间中，虚拟空间向服务器发出请求，
43.服务器处理来自虚拟空间的请求，并向数据库发出获取实时数据的请求，数据库在接收到请求后，将查询的结果反馈到服务器端；
44.s602：当虚拟空间感知到数据发生变化时，从模型库中调用模型，从而实现物流过程的动态建模。
45.本发明的有益效果：
46.(1)本发明是通过三维模型的构建、模型校验、模型处理、模型管理、数据获取和数据驱动来实现的，可以满足数字孪生三维模型可重构要求，在面对印刷车间不同生产过程时，可迅速感知到物流过程的变化，并通过及时调用模型库中的三维模型改变自身的系统模型结构，解决了数字孪生模型难以适应动态车间环境的问题；
47.(2)本方法利用opc ua通讯协议采集底层车间设备实时数据，opc ua 作为基于tcp统一架构的二进制协议，具有跨平台通信、安全性高和可扩展性强等优点。而且虚拟空间的信息自感知能力，有效改善了物理空间与虚拟空间的信息孤岛化，使物理实体产生的数据信息可被最大程度用于设备的状态监控、设备管理以及后续的数据分析中；
48.(3)本发明基于数字孪生技术的物流过程的动态模型，可以为物流过程的可视化监控、故障定位、智能运维等提供模型基础。
附图说明
49.图1为本发明的流程示意图；
50.图2为本发明构建三维模型的流程图；
51.图3本发明为三维模型校验的流程图；
52.图4为本发明模型库系统的结构图；
53.图5为本发明数据驱动的结构图。
54.图中：
55.1、三维模型构建单元；2、模型校验单元；3、模型处理单元；4、模型管理单元；5、数据采集单元；6、数据驱动单元。
具体实施方式
56.现在将参考附图通过示例实施方式更全面地描述。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式将使得本发明更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
57.结合附图对本发明进行详述：
58.基于数字孪生的物流设备动态模型构建系统，该系统包括三维模型构建单元1，模型校验单元2，模型处理单元3，模型管理单元4，数据采集单元5，数据驱动单元6。
59.三维模型构建单元1是构建物理实体的三维模型，在某印刷车间中，物流设备包括agv小车、穿梭车和堆垛机，agv小车主要负责运输物料，穿梭车主要用于立体仓库的货物运输，堆垛机和穿梭车配合使用可以实现车间自动存取物料，构建三维模型除了物流设备和立体仓库之外，还应考虑车间环境和与物流设备有交互关系的印刷设备，利用三维建模软件实现物理实体全要素三维模型的构建。
60.模型校验单元2，是在模型构建后，对零部件以及模型各要素之间的装配和约束关系进行校验，以保证模型的准确性，而且在三维可视化监控时，可以确保模型各要素的运动状态与物理实体的实际运动保持一致。
61.模型处理单元3，是对校验后的模型进行处理，在物流过程的可视化监控中，由于
模型数量较多，要尽可能的增加模型可视化效果，这增加了运行设备gpu的负载，所以在模型处理过程中，要在满足较高可视化效果的前提下，考虑对运行设备gpu的负载能力，可以通过材质的选择、渲染以及对模型的轻量化处理，来降低对运行设备gpu的负载。
62.模型管理单元4，将三维设备模型作为管理对象，在三维可视化平台中构建模型库，通过脚本组件为模型添加相关信息，可为系统的开发人员提供模型浏览、调用功能与模型信息查询功能。
63.数据采集单元5，由于印刷车间物流设备的种类多，在采集设备信号时，要有标准的、安全的数据通信协议和转换装置，并开发对应的数据接口，与印刷车间物流设备进行通讯，获取大量实时数据，本方法只需获取物流设备的实时启停信号。
64.数据驱动单元6，是在构建三维模型库的基础上，通过采集实体物流设备的实时数据，并将数据信号存储到实时数据库中，然后在虚拟空间中，当印刷车间实际物流过程发生变化时，虚拟空间可以自主感知动态变化信息，重新调用模型库中的三维模型，实现数字孪生三维模型的重构，满足不同生产任务的印刷车间的建模需求。
65.如图1所示的基于数字孪生的物流设备动态模型构建方法，包括以下步骤：
66.s1：三维模型构建
67.利用三维建模软件构建实体物流设备的三维模型；
68.s2：模型校验
69.对构建的三维模型进行检验，所述检验包括静态干涉检验和动态干涉检验；
70.s3：模型处理
71.对校验完成之后的三维模型进行材质渲染与轻量化处理；
72.s4：模型管理
73.将三维模型作为管理对象，在三维可视化平台中构建模型库，通过脚本组件为模型添加信息，为系统的开发人员提供模型浏览、调用功能与模型信息查询功能；
74.s5：数据采集
75.获取物流设备在实际运行过程中的实时数据，并将数据信号存储到实时数据库中；
76.s6：数据驱动
77.当印刷车间的物流过程发生变化时，虚拟空间具有信息自感知能力，虚拟空间会感知到数据库中的数据变化，重新调用模型库中的三维模型，实现物流过程的动态建模。
78.如图2所示，三维模型构建单元1主要包括以下几个步骤：
79.(1)物理实体几何模型的建立，该部分的工作主要在solidworks中完成，首先对物理实体整体进行拆分，例如一个完整的agv小车由车体系统、举重系统、运动系统、控制系统、能源系统等组成，再将各个组成系统分解为相对应的零部件。
80.(2)接着绘制各个零件的模型，对于自定义零件可通过拉伸、切除等特征库中的命令生成，对于标准零件可以从标准零件库中直接调用。
81.(3)在三维建模环境中，依据实际零件之间配合约束关系和结构运动副完成对零件的组装，得到组成部件的模型，再将部件模型进行装配得到物理实体的三维模型。
82.如图3所示，模型校验单元2是指对构建的设备三维模型进行干涉检验，确保三维模型的准确性和可靠性，在三维建模环境中对模型进行干涉检验，本方法对模型进行静态
干涉检验和动态干涉检验，静态干涉检验是对零部件进行评估，检验零部件之间的干涉、间隙等，并根据计算结果对零部件进行修改；动态干涉检验是对零部件模型的约束条件和配合关系进行验证，并根据计算结果进行装配关系的修改、调整，直至检验正确，模型的干涉检验可以发现三维建模中的装配错误和零件尺寸不匹配等问题，提高模型的准确性和可靠性。
83.模型处理单元3是对校验完成之后的模型进行材质渲染与轻量化处理，三维模型的轻量化处理可以有效改善对运行设备的负载和提高系统的实时性，模型的材质渲染增强了模型的可视化效果。
84.(1)在虚拟空间中，任何平面或是三维模型都是由多个三角形组成，三角形的数量与模型的精细程度密切相关，所以模型的轻量化处理是在保证系统开发所需的模型精度的前提下，通过降低组成模型的三角形的数量，以降低模型存储文件的大小，实现三维模型的轻量化，本方法采用基于3dmax的模型轻量化处理方法，对部分模型进行重构，在保持模型原形状的情况下可以尽可能减少组成模型的三角形的数量。
85.(2)在模型轻量化处理的过程中，通过设置材质球完成对三维模型的贴图渲染，使三维模型与物理实体的外形保持一致。
86.如图4所示，模型管理单元4是在三维可视化平台中构建模型库，首先将处理过的三维模型以中间格式导入到三维可视化平台中，接着模型管理人员通过c#脚本文件设计模型库用以存储三维模型，三维模型的几何模型、材质信息、位置信息、动作信息等其他信息都被封装在模型库中，这些信息主要可通过图表显示，模型库可有组织有层次地同时集中和管理三维模型的信息。在虚拟空间中，模型用户可以通过脚本组件实现对三维模型的调用和模型信息的访问，可以支持物流过程动态建模。
87.数据采集单元5是获取设备在实际运行过程中的实时数据，为实现物流过程的动态建模提供数据支持。如图5所示，设备在实际运行过程中的数据信号随着物流过程变化会不断更新，opc ua服务器与印刷车间现场设备的plc 控制部件通过通信协议进行连接，服务器可以获取底层设备的所有io端口数据，并可以将数据转化为支持opc ua协议的数据，为客户端提供相关的数据服务，选择kepserverex作为数据采集的工具，其也是一个第三方的opc服务器，可在工业以太网下采集物流设备数据，选择mysql数据库存储采集的实时数据，虚拟空间可以作为opc ua客户端，其可以获取到设备的实时数据，完成物流过程的动态建模。
88.如图5所示，数据驱动单元6是在虚拟空间中实现的，虚拟空间是三维可视化软件平台，其也是opc ua的客户端，虚拟空间以三维可视化方式展现印刷车间物流过程的动态建模，虚拟空间具有数据信息自感知、三维模型的调用和物流过程动态建模的功能。当由于实际印刷车间生产线发生改变而引起物流过程发生相应的变化时，服务器采集的实时数据也会发生变化，虚拟空间通过向服务器发出请求可以获取实时变化的数据，服务器负责接收和处理来自虚拟空间的请求，数据库负责存储设备的实时数据，在接收到服务器获取实时数据的请求后，数据库对数据进行查询，并将查询结果反馈到服务器端，这就是虚拟空间自感知能力的表达。当虚拟空间感知到数据变化时，向三维模型库发出调用模型的请求，获取模型库中的三维模型，从而实现物流过程的动态建模，在虚拟空间中也可对三维模型的信息进行查询。
89.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。