作者：熊俊臻 孙俊峰 黄滔 王红梅 李昌隆 陈翔
来源：《计算机与网络》2020年第18期
摘要：基于数字孪生技术将卷烟厂的空压设备在云平台实现了设备的模型仿真，并通过对空压设备在运行保障复杂情况下的设备管理和故障维修的研究，提出了利用AR技术实现的基于数字孪生技术的空压设备智能运维平台的功能设计，以解决厂区设备功能单一、交互不足等问题。系统中实现了对空压设备结构、内部元器件的模型仿真和基于增强现实（AR）的操作，AR设备实现了辅助设备维修和辅助故障预判处理的目标，5G网络的数据传输在智能移动端实现了远程诊断和远程指导的辅助功能，最终实现了空压设备的三维运维和可视化管理的平台目标，使得员工培训、故障预判及设备维护等方面变得更加便利，降低了员工培训和设备维护的成本。 关键词：数字孪生；增强现实；卷烟厂；可视化管理
中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）18-61-4
0引言
数字孪生于2003年由Grieves教授提出[1]，是指在信息空间内对一个系统进行完全的虚拟映射，使用者可以在信息空间内预运行物理实体，通过运行传感器等数据源的反馈数据评估实体的各方面来优化系统设计，以及通过异常数据实现故障精确快速的诊断和预测[ 2-4]。在将设备进行虚拟映射之后，通过AR技术[5]将虚拟场景或物体在现实中进行叠加，将系统中的具体功能进行了实现[5-7]。AR技术在电力巡检[8-9]和融媒体展示[10]的应用，促进了AR技术为数字孪生提供辅助的发展。
以卷烟厂空压系统设备为研究对象进行了系统设计，目的是为了满足设备的运行管理和维护等需求。通过引入数字孪生技术，将空压设备的结构和备件信息，以及将虚拟维修[11]、辅助故障诊断、远程监控、远程诊断、移动协同等功能数字化后，用AR技术辅助实现。最后利用高速率、广连接、低延时[12]的5G专用网络实现系统中数据的传输，将设备运行状态信息传输到设备端。
1系统概述
基于数字孪生的空压设备仿真系统，主要目的是为了实现空压设备的数字化，为员工提供一个可以进行模拟训练、故障维修的平台，并且可以实现对设备的远程监控等功能。系统按照功能主要分为仿真系统平台、数据存储服务和运行端3个部分，其中平台部分负责仿真系统的运行；数据存储服务负责部分历史运行数据、设备维护数据等的保存；运行端部分则是负责数据的采集和运行状态查看等功能，主要包括可以访问平台的各种设备，如
AR眼镜或移动手机端等。
通过在仿真系统中建立空压设备的模型，员工可以使用AR眼镜进行设备的拆卸和组装等操作进行设备的学习，加强操作工的操作熟练度。通过AR设备对空压系统设备数据的读取，实现AR设备对空压设备的操作，并在设备运行过程中实时收集空压系统数据，以便于工作人员及时发现设备故障的出现。通过本系统迅速准确的定位故障点，借助AR眼镜指导工作人员维修。烤翅料
2系统结构
按照系统中包含的功能，将系统的结构设计为如图1所示的5个部分，分别为监控平台、故障辅助维护、设备运行监控、辅助培训以及数据存储。
监控平台可细分为控制中心和虚拟系统2个部分，是整个平台的基础。虚拟系统通过空压设备的结构数据对其进行仿真建模，为其他部分提供设备的结构信息和实时数据信息。虚拟系统中使用了60万的模型面数以提高模型的拟真度，并且可以检测连接的设备的硬件信息，对模型进行自动调档，以实现模型匹配此硬件的最佳表现，如设备硬件可以支
持帧数60+FPS的显示时，则可以展示模型的最优观看效果。在系统与设备的通信方面使用了稳定、安全且高效的OPC技术对空压设备传感器数据进行获取，提高了整个系统的互操作性和对设备的适应性。然后通过传输性能高的且数据安全性强的Socket技术将设备数据传输到系统中，以确保企业的数据安全。控制中心的主要功能是观察虚拟系统收集到设备传感器的实时数据信息，然后对设备进行远程状态监控，以及在设备维护或故障维修时下发操作指令到AR设备，辅助工作人员进行设备的维护和修理。
故障辅助维护主要通过工作人员在现场使用AR眼镜进行设备的扫描，将扫描到的设备元器件的图片进行上传。在系统中对图像进行分析，定位元器件并辅助工作人员判定其是否正常运行。如判定设备出现了现场工作人员无法排除故障，则可以在5G网络的辅助下，邀请专家通过现场传回的实时信息进行远程诊断和远程辅助维修。与此同时，监控平台可以及时对设备维护信息、故障原因、专家诊断结果、故障处理结果等一系列信息和数据进行记录。与传统的故障处理或设备维护流程相比，本系统的使用不仅缩短了故障处理时间，还通过详细记录故障信息数据，简化了处理流程。
设备运行监控分为2个部分，一是工作人员可以通过AR眼镜或者手机等显示设备随时
可以对设备中各个元器件的运行参数等信息进行查看；二是监控平台可以根据对设备中各元器件数据的实时监测判断设备是否出现故障，若出现故障则会通过监控平台进行故障提示信息的下发，及时提醒相关的工作人员进行设备故障的处理。系统推出多个版本以便于工作人员查看设备运行情况和设备信息，分为PC端、安卓端和iOS端3个显示部分。其中安卓端和iOS端进行了多機型的适配，工作人员可以通过手机等便携设备使用移动端App查看设备的运行状态。
辅助培训则是平台的另一辅助功能，由于空压设备需要保持持续的运行状态，且设备价格高昂，不便于将设备拆卸后对员工进行实体培训，所以只能通过外部结构和查看设备图纸对设备结构进行学习。通过监控平台实现对设备的1：1仿真模拟后，可以通过AR等显示端设备在虚拟系统中进行设备结构、设备元器件、设备各链路等信息进行查看，并且可以在系统中进行设备的拆卸和安装等操作，以及模拟故障出现时的设备的运行情况。凭借高拟真的设备模型，给员工带来更真实的操作体验。高温轴承shgbzc
数据存储分为本地存储和云端存储计算2种情况，在本地主要用来存储设备的历史运行状态信息及参数，以及历史故障和故障处理信息。历史运行信息可以辅助工作人员查看日志审计
设备的历史数据，对设备的故障和运行情况进行规律分析。以数字化形式记录数据，尤其是专家对故障的分析数据和工作人员对设备使用的经验数据，减少了纸质文档或者单独的电子文档的记录方式，同时与设备的数据同步更加方便。将这些文件整理进本系统，方便对设备运行的大量数据进行科学的管理和有效的分析。在云端则是通过云渲染和云计算，处理实时的设备内部元器件的运行数据，然后与虚拟系统中设备的各个元器件进行对应后，通过5G网络将数据传输到AR眼镜上进行展示。
在此監控平台中通过搭建的虚拟系统，利用AR眼镜完成空压系统的模拟操作，可以
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缩短操作培训时间，加强操作工的操作数量度。通过对空压系统设备数据的读取来收集空压系统数据，根据收集到的设备数据对空压系统故障原因进行分析。在维修方面，利用AR设备，读取设备整体构造、配件具体参数或型号及备件数量等信息，便于修理工在设备不停机的情况下练习修理操作、减少培训时间、降低培训成本。并且可以通过AR设备直观地观测空压设备故障，并显示故障点的处理方法和备件信息。专家可以远程查看通过AR设备对故障点的扫描信息，从而进行具体的指导。在虚拟系统中的模拟操作是通过动画表现和设备实体图片进行展示的，并且在上述的操作中会按照操作步骤或故障原因等进行语音提示。
3关键技术
系统通过空间全息扫描成像技术、空间定位技术以及三维显示技术，将虚拟系统和空压设备所处的车间环境进行场景融合，在虚拟场景中对真实场景进行引导操作。在系统中集成了模型标定、模型仿真、图像识别和数据同步技术。其中虚拟系统通过计算机软件实现，使用3DMax，Maya软件工具制作设备的3D模型，然后通过Substance Painter软件工具制作贴图后，利用Unity 3D工具进行资源整合，完成虚拟系统的搭建。使用OPC技术实
现空压设备和虚拟系统间的通信。在系统中通过使用AR眼镜、安卓和iOS设备实现了与设备的人机交互。
4系统实现
空调外机隔音板 系统以上节中描述的关键技术为基础，对整个系统进行了实现。实现后的系统平台中的仿真系统主要用来培训工作人员对空压设备的操作和故障维修。数据服务器则是保存运行数据和维修数据等信息，方便在后期对设备进行大数据的分析，以便更好地了解设备所处环境和设备运行时间等对设备运行带来的影响。在AR设备方面采用了Hololens眼镜进行系统的查看，并且在维修设备时，可以通过对设备中元器件的识别，针对性地为工作人员提示维修方法和显示备件信息。
在操作方面则是采用了以单向为主的操作流程的实现方式，通过将逻辑实现方式的简化，明确了用户的可操作内容。在人机交互方面以交互操作和动画表现相结合的方式，为使用者最大限度地还原实际的工作内容和工作方式，并且操作方式均采用单次操作触发的方式，保持操作上的高度一致，避免多平台版本带来的操作障碍，以获得最佳的展示效果。
5结束语
探索了数字孪生技术在卷烟厂空压设备上的应用，通过对空压设备进行仿真建模，再配以AR眼镜对模型进行拆装操作和对空压设备进行扫描辅助设备维修，实现了空压设备的三维运维和可视化管理。并且在系统中对移动端进行适配，搭配5G网络实现了远程监测、远程诊断和实时监控设备故障等功能。提出了一套可行性验证的数字孪生应用的方案，将工厂员工与工厂设备以及仿真系统结合为一个整体，达到了提高培训效率和提升员工工作效率的目的，实现了数字孪生在设备管理和故障维护的应用。此项目的实施为实现工厂的数字化、智能化，以及未来厂区的其他设备和整体流程实现数字孪生，提供了可靠的经验。
参考文献
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[3]刘青，刘滨，王冠，等.数字孪生的模型、问题与进展研究[J].河北科技大学学报，2019，40（1）：68-78.
[4]黄昂，沈毅，喻树洪.数字孪生在高端工业制造的智能辅助应用[J].计算机产品与流通，2019（11）：117-118.
[5]郑毅.增强现实技术导论[M].北京：国防工业出版社，2014.
[6]张燕翔.虚拟/增强现实技术及其应用[M].北京：中国科学技术大学出版社，2017.
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