李颂华，周献朋，肖 飞，候爱山，王 辉

(1.沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.廊坊凯博建设机械科技有限公司，河北 廊坊 065000；3.凯博信息科技有限公司，河北 廊坊 065000)

随着我国新基建的热潮，我国铁路里程越来越长，建设铁路所需的锚杆数量急剧提升。锚杆现场小批量加工的模式已经不适用现在的工程需求，因此，锚杆成品集中加工配送中心应运而生。锚杆成品集中加工配送是指通过采用先进的专业化锚杆加工设备和信息化生产管理系统，可以实现大规模工厂化生产，并且可以有效地控制生产过程，从而将钢筋或钢管原材加工成符合工程要求的成品，最终将成品进行包装或组配并运输到施工现场的一种加工模式。

随着集中加工模式的快速发展，设备智能化程度越来越高，数据信息越来越庞大，传统的车间管理、生产线仿真等[1]技术方案仅仅局限于车间布局规划和生产线优化，由于系统与设备之间信息数据交互不够便捷，使得车间生产过程无法实现完全透明化。

近年来，得益于数字孪生技术的普及与发展，采用实时数据驱动器的车间三维虚拟监控系统受到了广泛关注，国内专家学者也纷纷投入研究和实践，获得了不少研究成果。虽然国内外企业工程师们在工业生产车间设备实时可视化监测领域取得了明显的进展，但是目前三维可视化监控在制造业领域的应用仍面临一系列挑战，如监控透明度低、监控方式单一、数据即时性差等。为此，本文提出了一种基于数字孪生技术的三维可视化监控系统新模式，它能够实时动态地展示工业生产过程，并且通过中空锚杆生产线实际应用进行了验证。

1 车间三维可视化监控系统设计

1.1 需求分析

数字孪生车间是物理车间、虚拟车间、服务、孪生数据与数据连接5 个方面的集成融合，通过模型间的数据互通可实现物理车间和虚拟车间实时交互和真实映射[12]。在此基础上通过三维可视化监控从几何维度展现数字孪生车间，实现车间监控的实时性与透明性。

本文建立的车间三维可视化监控系统，可以实现多种功能：①真实展示车间基础设备的工作状态，并利用图形真实显示装置功率、加工任务等信息；②真实记载车间机械设备的运转数据分析信息和故障数据信息，如果发生故障，系统可以立即提醒员工采取相应对策加以处理；③实现车间的动态调度，在正式生产前，可以根据以前的数据对生产计划实施模拟仿真，以更好地掌握生产过程中的变化情况，提高生产效率，提升生产质量，确保调度的有效性和合理性。

1.2 系统功能设计

基于数字孪生车间的三维可视化监控系统功能框图（图1），包括可视化展示与监控系统两部分。

图1 系统功能框图

1.2.1 可视化展示

车间环境可视化是根据车间布局建立虚拟车间三维模型场景，包括车间中加热设备、配电设备、上料设备、锯切设备、控制柜等辅助设备的布局位置都会在系统中展示。

车间可视化系统可以将各种设备的基本信息和产品加工信息以三维形式展示出来，用户可以通过点击设备模型来查看相关的配置信息，从而更好地掌握生产过程中的状态和信息。通过实时监控设备运行状态和告警信息，可以展示加工任务的进度，以便更好地了解设备的运行情况。

1.2.2 监控系统

动态监控系统可以实时收集上料设备、滚丝设备、传送设备、切割等设备的运行数据，并将其可视化展示在监控服务平台上，以便管理人员可以及时了解车间的运行状况，从而更好地控制生产过程。

故障分析控制系统可以收集车间各设备的非正常信息，并与历史记录进行比对，从而确定故障原因，并将其定位到相应的设备上。一旦出现异常数据，监控系统将会发送高亮的警告，以便管理人员及时采取措施解决问题。

1.3 系统体系架构及实现方式

1.3.1 体系架构

车间三维可视化监控系统包括3 层体系架构，即设备层、中间层、应用层，如图2 所示。

图2 系统体系架构

1）设备层 设备层是整个系统的硬件支撑层，包括锚杆生产线的生产设备以及各种传感器、PLC 等信息感知设备。设备层借助信息感知设备实时采集生产过程中的信息数据，并接收应用层的信息进行生产计划的动态调度。

2）中间层 中间层是系统的核心部分，负责将设备层与应用层连接起来，实现信息的存储、处理和传输，从而实现数据在设备层与应用层间的有效传输。数据的传输基于以太网以及MQTT技术，保证数据传输的安全、高效与稳定。

3）应用层 应用层是系统的展示层。是用户最直观可看到的部分，用户可通过浏览器／客户端访问此应用层，对整个生产过程进行监控与管理。

1.3.2 实现方式

通过Unity 3D 虚拟现实引擎、Solidworks、CAXA 以及Pixyz Studio 4 种软件的协同开发，可以充分利用各个软件的优势，降低研发难度，缩减研发时间，实现虚拟现实控制系统的高效运行。以某车间的中空锚杆生产线为研究对象，通过CAXA 和Solidworks 三维实体建模、Pixyz Studio 模型渲染、Unity 3D 虚拟场景构建以及工业互联网关采集数据，并使用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）进行数据传输，以实现对某车间中空锚杆生产线的实时监控。

2 构建模型

建立三维模型是虚拟现实监控系统开发的第一步，也是实现虚拟现实感知的基石，可以让使用者获得沉浸式的虚拟监控体验，进而提升客户的使用感受。构建三维模型的具体步骤如下。

1）模型数据的采集 本系统以中空锚杆生产线中的设备为原型，设备的外观、几何参数来自设备厂商，设备安装环境、设备信息根据需求实地测量及重构获得。

2）创建模型 用CAXA 与Solidworks 软件创建与真实设备1：1 的中空锚杆生产线的三维实体模型。在构建模型时，可以删除一些不必要的元素，例如设备内部和控制柜内部，这样可以降低系统对电脑配置的要求。

3）模型重构与渲染（图3）Pixyz Studio 软件可以有效地重构三维实体模型，其优点包括：①可以有效修复模型中出现的不连续的面和法线等问题；②可以有效删除场景中不可见的部件、面片；③采用顶点融合算法，可以减少网格模型的数量，从而降低系统的负载；④利用投影算法生成UV 数据，使模型具有真实材质纹理的视觉效果。

图3 模型重构与渲染

4）场景搭建 将Pixyz Studio 渲染出来的建模以.FBX 格式输入Unity3D 中，并且根据实际场景调整各个运动单元的参数值，并添加灯光效果，使构建更接近真实环境，从而达到最佳的渲染效果。

3 数据采集、传输与储存

中空锚杆生产线的三维虚拟监控系统是由真实设备生产过程中产生的实时数据进行驱动，因此需要将设备的实时动作的状态信息进行采集、传输到数据库。采用工业物联网技术，可以实现对PLC 中监测点位的实时数据采集和传输，并将采集到的数据通过MQTT 协议上传至MySQL 数据库，以便进行更加有效的存储和管理。

3.1 数据采集

该中空锚杆生产线的控制部分由西门子S200smart 可编程逻辑控制器来控制，此款PLC型号较经济实惠，但不能实现数据的上传互联。为了更好地收集数据，采用了IoT 技术连接云平台。利用Modbus 技术，边缘智能网关可以实时监控设备的状态，并将数据下载到PLC 控制器中，从而进行实时数据采集。利用边缘网关，设备可以接收到来自MQTT 服务器的信息或请求，并将其转换为可用于IoT 的格式，从而完成与MQTT 服务器的连接，如图4 所示。

图4 物联网关采集数据

3.2 数据传输与储存

此监控系统要求有较高的数据传输速度，为解决数据传输延迟问题，需要一种实时可靠传输协议。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是一种构建于 TCP／IP 协议上的“轻量级”通讯协议，并且满足低延迟传输数据的要求。因此选择通过MQTT 协议将数据上传到MySQL 数据库储存。

4 数据驱动模型

实现虚拟化监控管理系统的关键在于采用真实数据驱动模型动作，这一过程可以分成4 个步骤：构建合理的设备层级关联，从MySQL 数据库获得真实数据信息，解析这些数据信息，并将其与虚拟模型绑定起来。

1）合理的层次逻辑 为方便管理虚拟场景中的三维模型，采用树结构来展现模型之间的层级关系。其中所有节点都是父节点的子节点。

2）获取实时数据 通过MQTT 协议，可以实现快速、高效的数据访问，并且可以通过编写c#脚本将MySQL 数据库与Unity 3D 进行实时通讯，从而获取实时数据。利用Unity 中的各种API 接口函数可以实现毫秒级的数据更新。根据现场需求和服务器处理能力选择合适的数据更新频率。

3）数据解析 由于数据库中收集了车间所有设备的实时状态信息。为了更好地分析和处理这些数据，我们需要采用一些特定的程序来剔除不需要的数据。

4）数据与模型绑定 在实现数据驱动模型的过程中使用了DoTween 插件。DoTween 是一款强大的基于对象补间动画引擎，能够创建各种形式的动态图像，包括数值和一些非数值元素，它提供了一系列常用的运动API 函数，使得用户能够轻松地创建出各种不同类型的动画。

5 结语

针对国内企业锚杆产品生产车间管理落后、信息封闭的现状，分析研究了生产车间可视化实时监控技术，并对可视化实时监控技术进行了深入研究，同时结合CAXA、Pixyz Studio、Unity3D 和MySQL 软件，提出了一种快速开发车间三维虚拟监控系统的方法。通过采用工业物联网技术，可以实现车间设备实时数据的上传，大大简化了系统的结构；此外，本文还探讨了可视化实时监控平台的建模和运行流程，以期达到更好的监控效果。

由于本监控管理系统仅是数字化车间设备三维虚拟现实监控管理系统的一部分内容，尚未完成整体开发。通过对车间设备的实时监测，仅仅是确认系统的可行性，后续还将进一步探索场景性能的改善、人机交互的提升以及远程下单的完全实现。