本项目设计开发了一种基于数字孪生的工业场景孪生 平台,该平台既可以模拟工业现场内场景及设备的日常运 转,将设备状态数据及现场音视频在孪生平台中可视化呈 现,并可以使管理人员实时对各模块人员设备进行监测以及 远程指导生产,也可以及时的发现生产中存在的安全隐患, 对各个部署设备进行故障分析以及下发远程指令改变设备 状态及运动,从而极大的提升了安全生产管理水平。
(1)数字孪生模型搭建 采用 Unity 3D 平台对工业场景进行大体搭建,尽可能的 复现出场景中各个设备及物体之间的物理位置关系,构建出 较为真实的生产现场状况; 通过构建的孪生模型可以直观的了解现场布局及各个 设备具体位置,便于整体规划调整。
(2)数据的采集与呈现 现实场景部署的设备中的传感器及设备信息通过 Modbus 协议上传到网关,网关可以对多种协议的传感器数 据进行处理,并将所有数据一并或分别通过 MQTT 协议发送 至平台,实现数据孪生中数据的实时更新。数据孪生可以搭 载多类传感器实现数据的采集,包括通过孪生的设备对现实 设备进行数据交互。 孪生平台通过部署在服务器上的 MQTT 订阅远端设备 数据,并根据需要将一定时间段内的数据储存进数据库,便 于后续实时查看、历史查询等; 孪生模型中通过直接监听 MQTT 数据回传或者实时读 取数据库内储存的数据从而得到现场设备的数据信息,并可 以进一步的对数据进行安全性分析(是否超出高低阈值、是 否存在异常情况等),在平台中将数据可视化展示。
(3)工业设备远程控制 工业场景中常用的智能锁、机械臂等设备,可以通过孪 生平台根据实际状况及需求模拟指令在孪生模型中发出,现 实对应物理设备根据收到的指令执行对应的命令动作,当孪 生平台下发行为指令到云平台,通过 MQTT 协议直接将指令 下发到网关中,例如智能锁收到网关发出的开锁指令后实施 开锁动作,可以使管理人员远程掌握开锁权限,极大的保证 了现场操作安全,机械臂等设备则可以通过远程控制前往人 员不便抵达的区域执行作业,同时设备的状态信息也会实时 回传到平台,做到远控和实时监测。
(4)现场音视频监控回传 现场部署的视频传输设备通过rtsp/rtmp协议将监控场景 的实时画面及音频回传至服务器端,孪生平台通过配置的流地址对视频流进行访问,并将现场视频与孪生模型相结合, 便于远程查看各场景实时状态、对现场进行远程指导,对比 设备回传的数据分析,可以及时的发现存在的安全隐患,采 取相关措施。
截止目前,大多数的工业生产现场都依赖人为勘察现场 状态,不能及时的对整体所有设备进行信息掌控,并且在一 些突发情况下不能及时的做出响应和人工干预,这使得管理 人员对工业现场的信息掌握不具体,各设备实时状态不透 明,各行为指令导致的结果不可预测,从而存在许多生产过 程中的安全隐患。因此,工业孪生平台的设计与部署十分迫 切,无论是数据实时监测、场景实时监控、设备远程控制及 健康度预测等功能都能极大的提高安全生产管理水平。 为了推动智慧工厂在中国的落地建设,自 2015 年以来,国家相继发布 10 多项重要文件,“十四五”规划释放一个 信号:基于 5G、物联网、数字孪生、AI 大数据等技术打造 的智慧工厂是未来的发展方向。所以工业数字孪生平台的前 景十分可观且意义重大,其需求量也十分巨大。
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