浅谈数字孪生工厂的工艺流程三维模拟技术

浅谈数字孪生工厂的工艺流程三维模拟技术

肖霞

华自科技股份有限公司    湖南 长沙    410000

摘要：数字孪生工厂是一种基于虚拟仿真技术和物联网技术的智能制造生产模式，在工业制造领域有着广泛的应用。其中，工艺流程三维模拟技术是数字孪生工厂的核心技术之一，可以帮助企业在生产过程中完整、准确地模拟和分析工艺流程，为生产调度和决策提供科学依据。

关键词：孪生工厂；工艺流程；三位模拟技术；基本概念

数字孪生工厂是数字化时代的重要产物，具有颠覆性的意义。数字孪生工厂不仅是一种生产模式，更是一种生产理念，其利用虚拟仿真技术和物联网技术建立数字孪生体系，从而实现生产过程的全方位模拟、分析和优化。在数字孪生工厂中，工艺流程三维模拟技术起到了至关重要的作用，可以帮助企业实现全过程数字化模拟，提高生产效率、降低成本、改善产品质量。本文主要基于数字孪生工厂的概念及其构成要素进行有效讨论，然后重点论述了三维模拟技术相关概念。最后，展望了工艺流程三维模拟技术在数字孪生工厂中的未来应用前景。进一步为工业制造领域的数字化转型提供参考和借鉴，为数字孪生工厂的进一步实现和发展做出贡献。同时，也希望能够引起广大学者和企业的重视和关注，共同推动工业制造领域的数字化进程。

一、孪生工厂及工艺流程概述

孪生工厂是指将实际工厂与数字孪生模型相结合，利用物联网、云计算、大数据等技术，实现对实际工厂生产流程、设备状态、质量控制等方面的仿真和优化。通过数字孪生技术，可以在实际生产前预测生产状况，提高生产效率，同时在实际生产过程中，数字孪生模型还能够监控工厂的运行状态、检测设备故障、实时调整生产流程等。

工艺流程三维模拟主要包括虚拟现实展示流程系统、数据库系统以及工艺流程模拟仿真系统，三者之间相关联系构成一个完整的有机整体。

1、虚拟展示流程系统：虚拟展示流程系统是一种利用虚拟现实技术构建的全新展示方式，可以将各种静态和动态的信息以3D虚拟形式展现出来，提供更加沉浸式、逼真的展示效果。主要是将模型导入到虚拟现实展示平台上，使得用户可以在系统中浏览并查看各种设备的属性信息，同时读取计算产生的数据以及场景展示。

2、工艺流程仿真模拟系统：工艺流程仿真模拟系统是一种利用计算机技术和仿真技术，对产品生产过程进行全面、系统的模拟和分析，以实现生产过程的优化和效率提升。主要是根据工艺流程图在系统中创建和参数输入控制，并通过此系统实现动稳态的仿真计算模拟，并将结果反馈至虚拟展示系统通过场景进行有效的呈现。

3、数据库系统：数据库系统（DBS）是指在计算机系统中，管理和存储大量数据的软件系统，它提供了一种灵活、高效的数据管理方式。主要是连接虚拟现实展示平台和工艺流程仿真模拟两大系统，通过数据库完成数据的传输以及指令的输送。

二、三维模拟技术相关概念

三维模拟技术在数字孪生工厂中起着至关重要的作用。数字孪生工厂是将实体工厂与数字孪生模型相结合，通过物联网和大数据技术来实现对实体工厂的全方位监控和优化。在数字孪生工厂中，三维模拟技术可用于建立3D数字孪生模型，对工厂的生产流程、设备状态和质量控制等方面进行仿真和优化。还可以用于快速响应异常事件，并进行仿真分析，帮助管理者优化生产调度，降低发生故障的风险。同时，基于三维模拟技术，可以进行数据的分析和可视化呈现，帮助管理者及时获取并分析实时数据，实现对工厂的全方位监控，从而形成智能制造的闭环，提高生产效率和产品质量。

三、三位虚拟展示实现方法

1、数字孪生系统：数字孪生系统是指将真实物理对象、设备和工厂等建立对应的数字模型，并通过传感器和物联网技术实时采集生产过程中的大量数据，在数字孪生系统中进行处理分析，以优化生产流程、提高生产效率、降低成本和提升产品质量等目的。三维虚拟展示平台作为数字孪生的主要承载系统，通过提供仿真系统与实时系统的切换以达到仿真系统与实际运营系统的映射。

2、设备位号绑定：在数字孪生工厂中，设备位号绑定的操作与传统工厂有所不同，主要由于位号体系更加智能化和数字化，可以通过计算机程序自动生成一套完整的位号体系，将设备的位置、编号等信息存储在数据库中，在一定程度上实现仿真系统与实时数据系统同时绑定到设备位号。通过设备位号的智能监控和管理，可以实现设备运行的智能预测和预警，及时发现和解决隐患，提高设备的可靠性和生产效率。

3、读取仿真系统：仿真系统是一种利用计算机模拟实际运行环境，对某个系统、流程或者产品进行测试和分析的技术手段。在数字孪生工厂中，仿真系统也扮演着非常重要的角色，可以通过建立数字孪生模型，模拟设备运行、生产过程、物流运输等场景，在数字平台上进行优化设计和生产调度。主要是在实际的操作过程中生成仿真数据，并最终导出格式EXCEL文件格式。

4、仿真数据展示：在数字孪生工厂中，通过仿真系统进行模拟和优化后，会产生大量的数据结果。主要是将仿真数据与三维模型中的点位进行绑定生成仿真数据，通过图表、曲线等方式可视化呈现出来，使得数据更加直观、易于理解和分析。

四、流程模拟三维展示

1、高仿真三维模型制作：主要是借助三维模型转换技术将实际过程中所产生的数据转换成可展示的格式，通过贴图技术，将图像和纹理应用到模型表面，并且可通过添加动画效果等方式，增强模型的真实感和表现力，使得模型更加逼真。需要注意的是，高仿真三维模型制作技术很复杂，需要有专业的建模技能和经验，同时需要使用专业的三维建模软件，才能完成高品质的三维模型制作。

2、三维模型浏览漫游：通过借助软件的漫游功能，并可以从多个角度进行数字工厂的漫游，还可以通过VR设备进行沉浸式的数字工厂的漫游，三维模型浏览漫游可以利用虚拟现实技术、增强现实技术或者基于网页的交互式三维模型漫游等方式实现，需要注意的是，在实现基于网页的交互式三维模型漫游时，需要考虑到性能和流畅度问题。通常需要对模型进行优化和简化，以减少模型的面数和顶点数，提高漫游的流畅度。

3、实现动态数据展示：首先要从数据源中获取数据，并对其进行必要的处理。处理后的数据可用于生成图表或实现相应的交互功能；并且应该根据数据类型和展示需求，选择合适的可视化图表库或框架；同时在选择好的可视化图表库或框架上，配置和定制所需的图表类型、颜色、标签、标题等属性，将处理后的数据与所选的可视化图表绑定，并实时更新数据以反映最新状态。值得关注的是，实现动态数据展示需要有一定的前端开发技能和经验，同时还需要对数据具有一定的分析能力，以便更好地选取和处理数据。

通过对软件的定制开发，尽可能的将温度表以及压力表通过动态的方式进行有效的展示，借助虚拟形式将数据完美的呈现给用户，可以让用户在虚拟的环境中能够快速的获得高效的信息。

总结

综上所述，数字孪生工厂是一种以三维数字模型为基础，通过虚拟仿真技术对工艺流程进行建模、优化和验证，从而提高生产效率和质量的新型制造业技术。在数字孪生工厂中，工艺流程的三维模拟技术应该打破传统的思维模式的桎梏，通过技术手段将计算与模型进行有机结合，并实现数据的共享以及数据的递延。总之，数字孪生工厂的工艺流程三维模拟技术已经在制造业中得到了广泛的应用和推广，并取得了显著的效果。未来，研究者可以进一步探索和发展数字孪生工厂的相关技术，以更好地推动数字化制造业的发展。

参考文献

【1】杨明娣，陈广美.探析化工教学中仿真技术的应用【J】.化工管理，2014（32）：145.

【2】陶飞，刘蔚然，刘检华.数字孪生及其应用探索【J】.计算机集成制造系统，2018，24（1）：1-18.

单位：华自科技股份有限公司，单位所在地：湖南 长沙，邮编：410000

作者简介：姓名：肖霞（1987.10--）；性别：女，民族：汉，籍贯：湖南省衡阳人，学历：本科；现有职称：中级工程师；研究方向：三维仿真。