数字孪生技术与工程实践第7章 数字孪生系统开发和应用案例PPT格式课件下载.pptx

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,数字孪生技术与工程实践,目录,数字孪生技术与工程实践,7.1利用Unity开发数字孪生应用的准备,数字孪生技术与工程实践,Unity开发环境配置,Unity开发环境主要组成部分是UnityEditor和脚本编辑器。

脚本可以使用C#或者Javascript编写，可以使用任意的编辑器编写脚本，这里以VisualStudio2019为例，介绍如何安装开发环境和调试工程的脚本安装VisualStudio2019的Unity编辑器组件安装UnityHub，获得Unity授权配置Visualstudio解决方案在VisualStudio中调试Unity程序,数字孪生技术与工程实践,基于Unity和Vuforia的AR开发环境配置,Vuforia是高通的AR解决方案，需要在官网上进行TargetManage，也就是图像预处理，Vuforia不但对于商业级应用提供云识别，而且还支持三维立体物件识别和HoloLens应用。

目前高通的AR解决方案已经成为事实上的一个AR增强现实的SDK标准。

要点：

需要到高通官网下载VuforiaSDK配置VuforiaSDK以构建图片识别环境配置VuforiaSDK以进行三维识别,数字孪生技术与工程实践,Vuforia三维零件体扫描过程,ObjectScanningTarget图片,扫描开始界面,整个零件矩形包裹,半个零件矩形包裹,扫描特征建立,扫描信息摘要,扫描测试结果,数字孪生技术与工程实践,基于Unity和SteamVR实现的VR开发环境配置,本书以HTCVIVE作为VR功能实现的硬件设备为例介绍Unity中VR开发环境配置准备工作Unity开发VR应用主要利用SteamVRSDK，该SDK是一个由Value提供的官方库，以简化Vive的开发，它同时支持OculusRift和HTCVIVE。

将插件导入到Unity中后，打开插件文件，最基础的是预制体组成。

预制体由一个父物体和三个子物体组成，而每个子物体又有自己的子物体。

父物体CameraRig主要挂了一个脚本StreamVR_ControllerManager，这个脚本根据左右手柄是否连接来控制左右手柄是否显示。

CameraRig下的三个子物体分别对应左手柄、右手柄以及头盔。

除了以上预制体，在开发时经常用到的扩展脚本主要是Assets/SteamVR/Extras下的SteamVR_TrackedController和SteamVR_Laser-Pointer。

这两个脚本主要对外提供手柄事件,数字孪生技术与工程实践,Unity中Webservice接口实现,Unity程序和其它程序或者后台服务通讯，一般采用WebService接口的形式。

在Unity中调用WebService有两种基本方式：

使用UnityWebRequest调用WebService利用VisualStudio自带的WSDL工具生成接口类（.cs文件）需要注意的是.NET的版本，如果Web服务器的.NET版本和Unity应用不匹配，可能会导致访问失败。

数字孪生技术与工程实践,Unity中Socket通信,Webservice通信开销比较大，在一些准实时的应用中数据不能及时传递会带来延迟问题。

部分轻量级通信中，采用Socket（套接字）通信是常用的方法。

Socket是TCP/IP中应用层对网络层和传输层的一个功能封装，它提供了一组接口，支持TCP/IP协议通信的基本操作单元。

可以将Socket看作不同主机间的进程进行双向通信的端点，它构成了单个主机内及整个网络间的编程界面。

为了满足不同程序对通信质量和性能的要求，一般的网络系统都提供了以下3种不同类型的套接字，以供用户在设计程序时根据不同需要来选择：

流式套接字（SOCK_STREAM）：

提供了一种可靠的、面向连接的双向数据传输服务。

实现了数据无差错，无重复的发送，内设流量控制，被传输的数据被看做无记录边界的字节流。

在TCP/IP协议簇中，使用TCP实现字节流的传输，当用户要发送大批量数据，或对数据传输的可靠性有较高要求时使用流式套接字。

数据报套接字（SOCK_DGRAM）：

提供了一种无连接、不可靠的双向数据传输服务。

数据以独立的包形式被发送，并且保留了记录边界，不提供可靠性保证。

数据在传输过程中可能会丢失或重复，并且不能保证在接收端数据按发送顺序接收。

在TCP/IP协议簇中，使用UDP实现数据报套接字。

原始套接字（SOCK_RAW）：

该套接字允许对较低层协议（如IP或ICMP）进行直接访问。

一般用于对TCP/IP核心协议的网络编程。

一般开发，涉及流式套接字（SOCK_STREAM）和数据报套接字（SOCK_DGRAM）,数字孪生技术与工程实践,7.2智能车间数字孪生系统实施案例,数字孪生技术与工程实践,应用背景,某智能制造单元包括上料区、加工单元、成品货架、机器人四类单元该生产单元的主要加工任务是用户定制产品生产,除了图中可见的设备外，智能制造单元还包括用于控制设备数据采集和通讯的边缘层接入设备iSESOLBOX，该设备由智能云科信息科技有限公司提供，可以实时收集机床设备的相关参数比如机械臂的实时关节角度等，收集参数内容以及频率等均可根据具体需求进行配置。

另外机械手与云端MES系统的信息交互也通过iSESOLBOX来实现。

本套系统关键参数比如机械手臂状态信息、雕刻机状态数据以及货仓状态信息等均可通过网络获取，是后续数字孪生单元实现的基础。

成品货架1,机械手,成品货架2,加工单元,加工完成区上料区,数字孪生技术与工程实践,智能车间数字孪生系统功能需求分析,一个智能车间的生命周期可分为规划与施工、运行与维护阶段。

而车间数字孪生系统在车间的全生命周期内都有着重要的作用。

从人机交互角度看系统的功能需求虚拟现实功能，用户可以佩戴VR头盔在虚拟车间现场漫游，及时了解车间设备运行情况及相关参数信息，并能够利用VR手柄在虚拟环境内进行交互；

增强现实功能，即把系统的指导或决策以增强现实的方式提供给用户，比如在AR眼镜中提供给工作人员实时的物流规划结果及配送路径。

或者通过扫描二维码的方式获取相关信息，比如设备实时参数、仓库库存情况等；

移动端虚拟车间功能，为了车间工作人员的便利性，系统最好能够实现移动端的虚拟车间，以便随时对车间的状态进行监控，实施移动场景下的车间管理操作。

数字孪生技术与工程实践,系统的总体功能需求,数字孪生技术与工程实践,智能制造单元数字孪生原型系统构建框架,整个数字孪生系统包括了物理单元层、数字孪生引擎和虚拟模型层三部分。

参考第2章的实现框架，因为是原型系统，所以数字孪生引擎部分包括了数字孪生系统的服务功能，实现孪生智能的对外服务接口。

物理单元层就是带数字接口的智能制造单元硬件设备。

虚拟模型层也就是虚拟制造单元，通过三维建模构建三维模型并且在Unity平台实现了制造单元的虚拟动作。

部分信息在通过虚拟模型展示，因此，虚拟模型也承担了部分人机交互功能。

外部软件包括了PlantSimulation生产仿真平台和iSESOLWIS提供的云MES，为数字孪生引擎提供仿真和生产过程信息。

数字孪生技术与工程实践,智能制造单元数字孪生原型系统构建框架（续）,数字孪生引擎数据层主要分为生产数据、仿真数据、设备层数据。

数据流转主要通过接入设备iSESOLBOX（图中为iBox）来实现。

设备层数据通过RESTful协议从iSESOLBOX中实时获取，生产数据比如工单信息等通过WebService的方式从云MES中获取。

仿真数据指的是来自于PlantSimulation所建模型的仿真信息。

计算引擎层的实施主要分为模型服务计算模块以及交互驱动模块中的各类交互接口。

交互驱动模块主要用于物理车间层和虚拟模型层的信息交互，比如利用实时设备数据来驱动虚拟模型，实现虚实同步，实时监控的目的。

而模型服务计算模块既可离线计算也可实时分析计算。

算法模型层主要分为设备健康评估预测模型和车间性能指标评估模型。

设备健康评估预测模型通过CBRM方法结合层次分析法来构建。

通过分析车间运行监控的关键性能指标体系特点构建了车间性能指标评估模型用来实时分析车间KPI，为车间管理人员服务。

数字孪生技术与工程实践,基于Unity的开发框架,从开发工具和技术来说，主要可分为外部建模软件工具、大数据软件/智能软件平台、Unity平台三大部分外部建模软件工具主要用于车间虚拟模型的构建，而成熟的大数据软件/智能软件平台如Hadoop、python等则用于数字孪生引擎部分的智能计算模块功能的构建，Unity能够支持虚拟车间模型的开发以及数字孪生引擎中交互驱动模块和部分智能计算模块功能的开发。

除了三部分需要开发的软件平台外，Unity开发部分需要和外部系统、物理单元连接的部分。

这部分交互驱动功能也是数字孪生引擎需要包括的。

数字孪生技术与工程实践,数字化模型的构建,基于Unity平台实现三维虚拟动作模型基于PlantSimulation的生产仿真优化模型构建虚拟动作模型与PlantSimulation的模型交互数字孪生系统的一个功能，就是能对生产系统进行虚拟展示。

由于虚拟动作模型本身没有动作逻辑，因此其动作需要外部数据驱动。

驱动虚拟展示动作的数据源有两种方式，一个是基于实际数据的展示，可以是实时动作跟随，也可以是根据历史数据的回放；

另外一个是用外部仿真软件进行驱动，也就是通过PlantSimulation模型进行生产过程的仿真，其产生的数据驱动Unity模型进行动作。

数字孪生技术与工程实践,数字孪生引擎的实现总体架构

（1）,本案例中数字孪生引擎架构可分为数据层、模型层以及计算交互层，根据系统功能模块的总体方案给出数字孪生引擎的部署方案如图7-36所示。

其中数字孪生引擎需要根据应用特点部署到不同服务器上。

数字孪生引擎数据层的部署主要是相关数据存储系统的部署，本案例中选取三种成熟且具有代表性的数据存储系统作为数字孪生引擎的数据层实现，关系型数据存储采用Mysql实现，非关系型数据存储采用HBase，文件系统采用HDFS系统。

而模型层则是一系列具体算法模型的集合，需要根据具体的需求来构建。

数字孪生引擎最重要的部署是计算交互层的部署，即智能计算模块和交互驱动模块的部署。

智能计算模块可以分为需要依赖大数据框架和无需依赖大数据框架两部分。

其中需要大数据软件框架的部分需要部署专门的服务器,数字孪生技术与工程实践,数字孪生引擎的实现总体架构

（2）,数字孪生引擎与虚拟动作模型交互方案由于虚拟动作模型基于C#和Unity构建，而数字孪生引擎中部分数据服务基于Java、Python等软件平台开发，所以需要虚拟动作模型和数字孪生引擎之间跨语言的交互，本案例考虑两种设计方案，分别是基于消息队列技术ActiveMQ和RPC框架Thrift。

数字孪生引擎与物理单元系统交互方案数字孪生引擎与实体工厂的交互主要通过交互驱动引擎基于工厂数据采集协议来实现。

目前工厂主流数据采集协议主要是OPC/OPCUA。

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