面向數(shù)字孿生的車間制造過程遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

面向數(shù)字孿生的車間制造過程遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Summary：目前，數(shù)字孿生技術(shù)能夠有效監(jiān)管、分析生產(chǎn)車間需求，但是關(guān)于數(shù)字孿生車間制造技術(shù)與理論沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)可視化技術(shù)，建造Web的管件加工車間數(shù)字孿生模型，采用Java與Matlab的混合編程方法，通過系統(tǒng)實(shí)際測試，從而能夠遠(yuǎn)程在線監(jiān)測、分析、管理車間制造過程。Keys：遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)；數(shù)字車間結(jié)構(gòu)模型；數(shù)字孿生；可視化一、基于Web的生產(chǎn)車間數(shù)字結(jié)構(gòu)建模（一）Web-BasedDTW模型該模型主要包括5個(gè)組成部分：首先是物理實(shí)體層，簡稱PEL。物理實(shí)體層是其他各層的核心，包含生產(chǎn)設(shè)備、廠房、人員、環(huán)境等多種實(shí)體要素，生產(chǎn)數(shù)據(jù)及質(zhì)量執(zhí)行環(huán)節(jié)都需要在該層體當(dāng)中進(jìn)；其次，是虛擬模型層，簡稱VML。該模型主要包含4層概念，分別為幾何、物理、行為、規(guī)則模型，由于虛擬模型層獨(dú)特的唯一性、超寫實(shí)性、動(dòng)態(tài)性以及多學(xué)科性，因此可以借助模擬空間進(jìn)行車間生產(chǎn)過程的監(jiān)測分析、預(yù)測調(diào)控功能；第三部分為數(shù)據(jù)保障層，簡稱DSL。該層的主要作用是借助傳感技術(shù)以及信號傳輸存儲(chǔ)技術(shù)、DOM系統(tǒng)傳來數(shù)據(jù)，將車間所有自動(dòng)化設(shè)備實(shí)行統(tǒng)一管理和控制，保證生產(chǎn)過程處于可控范圍，幫助人員及時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行以及車輛生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，有效保障智能化生產(chǎn)過程監(jiān)控管理；第四部分為分析計(jì)算層，簡稱ACL。該計(jì)算層可以為模型帶來智能的硬件和軟件設(shè)備以及故障診斷預(yù)測、機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算方法；最后一層為系統(tǒng)應(yīng)用層，簡稱SAL。該層具備監(jiān)測分析管理等不同信息系統(tǒng)，以此來提供智能制造、可靠運(yùn)維服務(wù)，使用戶不僅可以與系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)，同時(shí)用戶也可以更為清晰直觀獲取VR沉浸感受[1]。（二）Web-BasedDTW模型在車間制造過程中的實(shí)施步驟首先，在物理實(shí)體層中需要充分的融合物理層面要素，按照分類，統(tǒng)一分析檢測需求；為能夠統(tǒng)一有效地采集傳輸管理數(shù)據(jù)，需要在生產(chǎn)車間建立數(shù)據(jù)保障層，將數(shù)據(jù)融合；虛擬模型層，可以融合和優(yōu)化物理實(shí)體層的超時(shí)寫鏡像，同時(shí)還是要在車間建立計(jì)算層軟硬件以及系統(tǒng)應(yīng)用層平臺，將關(guān)于整個(gè)車間的管理服務(wù)過程做有效融合，使WBDTW模型在車間的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮自身價(jià)值。二、車間數(shù)據(jù)在線分析計(jì)算及可視化技術(shù)研究（一）Java和Matlab混合編程的分析計(jì)算方法Java是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)項(xiàng)目中的編程語言，由于其本身具備高等數(shù)學(xué)計(jì)算工具，因此不被適用于復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算場景；而Matlab恰好可以彌補(bǔ)這一缺口，因此將兩者進(jìn)行混合編程，可以有效增強(qiáng)開發(fā)效率[2]。下圖便是本文所采用的系統(tǒng)分析計(jì)算架構(gòu)圖：其主要實(shí)施流程為：當(dāng)萬維[網(wǎng)]服務(wù)器接收到用戶從瀏覽器發(fā)出的請求訪問服務(wù)器資源的指令時(shí)，便會(huì)自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫當(dāng)中尋找用戶所需的數(shù)據(jù)段輸送至MCR當(dāng)中，計(jì)算并輸出計(jì)算結(jié)果至萬維[網(wǎng)]服務(wù)器，以此來完成整個(gè)分析計(jì)算過程。但需要注意的是，需要在Web工程中加入由m函數(shù)轉(zhuǎn)化成的jar包，實(shí)施流程為將在Matlab當(dāng)中，被編寫和測試的函數(shù)保存并執(zhí)行Deplaytool命令，在彈出的Deploymenttool窗口選擇m文件，自定義類名，從而將m函數(shù)借助MatlabBuilderJA方法制成jar包，完成調(diào)用Java網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序流程。與此同時(shí)，Java語言以及Matlab語言兩者之間數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)有所差異。因此需要將前者語言數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楹笳哒Z言數(shù)據(jù)類型，才可以使用調(diào)用方法。調(diào)用完成后所得的計(jì)算結(jié)果，必須為Java數(shù)據(jù)類型。但是如果Java是數(shù)值型數(shù)組，那么便可直接傳遞不需轉(zhuǎn)換[3]。（二）車間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)研究1.傳感器映射的可視化3D傳感器映射新增Labview8.6數(shù)據(jù)可視化功能，在Labview環(huán)境中可方便加載CAD模型，并以云圖形式將數(shù)據(jù)展現(xiàn)在設(shè)備模型上。CAD模型格式包含VRML格式以及STL格式，其導(dǎo)入借助的是3DSensorMappingExpressⅥ。除此之外，還添加了DAQ自由傳感器，主要作用是將模型映射在前板之上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，同時(shí)檢查傳感器故障。與此同時(shí)，傳感器映射方式配置步驟，主要包含以下幾個(gè)方面：首先，在程序框圖中添加3DSensorMappingExpressⅥ，打開配置窗口當(dāng)中的模型路徑文件對話框，將外部模型文件導(dǎo)入窗口左側(cè)3D圖形控制窗口，導(dǎo)出文件可以借助SolidWorks、AutoCAD.3DMAX及Pro/E軟件導(dǎo)成STL或VRML格式模型文件于窗口右側(cè)；在右側(cè)下拉框選擇DAQ任務(wù)名”，在通道列表選擇具有映射數(shù)據(jù)的適宜采集通道，并將所有數(shù)據(jù)拖曳至左側(cè)3D圖形控制窗口模型，完成傳感器設(shè)置過程；與此同時(shí)，還需要對傳感器的大小以及顯示顏色梯度做相應(yīng)修改[4]。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（一）系統(tǒng)框架選擇整個(gè)車間制作遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，必須具備足夠的靈活、拓展以及可維護(hù)性，因此本文當(dāng)中系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MVC框架模式，系統(tǒng)中核心部件為模型、視圖以及控制器。整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生高額成本，同時(shí)維護(hù)性較高。B/S系統(tǒng)下MVC框架響應(yīng)過程為:用戶發(fā)出請求于控制器當(dāng)中，控制器會(huì)請求模型做相應(yīng)處理，然后將處理結(jié)果反饋給控制器響應(yīng)客戶，同時(shí)控制器也會(huì)將響應(yīng)視圖渲染至視圖中[5]。在本文中所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，選用SSM框架。其包含三大開源框架，分別為SpringMVC、Spring以及Mybatis如下圖所示，第一大開源框架適用于表現(xiàn)層，主要作用是實(shí)現(xiàn)MVC設(shè)計(jì)模式；第二大開源框架用在業(yè)務(wù)層中，其中AOP用來管理事務(wù)，IOC負(fù)責(zé)創(chuàng)建注入SpringMVC和MyBatis對象，整個(gè)第二大開源框架可以有效地控制事物處理業(yè)務(wù)邏輯，同時(shí)還能夠做好數(shù)據(jù)傳輸工作；第三大開源框架，可以封裝JDBC，查詢SQL以及高級映射存儲(chǔ)過程，最主要的是可以持久化數(shù)據(jù)對象。（二）開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境在本系統(tǒng)當(dāng)中，操作系統(tǒng)選用的是win7旗艦版系統(tǒng)；apache-tomcat-8.0.52萬維[網(wǎng)]服務(wù)器；開發(fā)語言總共有三種包含Java、Jsp、Matlab〉G語言；所借助的開發(fā)工具為MyEclipse2015,MatlabR2018a,Labview2016；運(yùn)用谷歌、IE10瀏覽器；運(yùn)用MySQL5.7.21數(shù)據(jù)庫；NavicatPremium12為數(shù)據(jù)庫管理。（三）系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)首先，實(shí)現(xiàn)用戶登錄系統(tǒng)的功能。當(dāng)用戶輸入賬戶和密碼之后，系統(tǒng)左側(cè)為功能菜單以及功能界面，右側(cè)為完成系統(tǒng)功能的工作區(qū)；同時(shí)用戶可以自由的對賬戶功能和數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪改以及查詢操作；系統(tǒng)當(dāng)中增設(shè)健康管理模塊，用戶可以根據(jù)該模塊查詢設(shè)備的三維模型可視化、監(jiān)測點(diǎn)讀數(shù)以及健康運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)等功能；除此之外，還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量管理功能。質(zhì)量管理模塊可以查詢設(shè)備的三維模型、產(chǎn)品加工圖紙、實(shí)測值、理論值等，可以有效的評估產(chǎn)品的加工質(zhì)量；此外，還可以信息報(bào)表管理模塊。如果設(shè)備出現(xiàn)故障信息，可以借助該系統(tǒng)查詢設(shè)備，從而進(jìn)行維修[6]。四、結(jié)論綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能制造，但是目前在應(yīng)用于加工制造領(lǐng)域中卻沒有統(tǒng)一的在線分析監(jiān)測管理標(biāo)準(zhǔn)。在本文中，模擬數(shù)字孿生車間模型，研究兩種混合編程方法，并應(yīng)用可視化關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)用戶管理、產(chǎn)品質(zhì)量管理、設(shè)備健康管理等數(shù)字孿生功能，在未來可以作為支撐智能制造的強(qiáng)大基礎(chǔ)。Reference：[1]鐘珂珂，郭具濤，何其昌等.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控與效能評估技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù),2017(07):51:55.[2]梁進(jìn)科，厲力華，柯激情.基于質(zhì)譜數(shù)據(jù)的腫瘤診斷Web平臺[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2013