案例赏析 | 基于数字孪生的热压罐管控系统开发

热压罐管控系统架构如图1所示，该架构分为接口、数据、算法和应用层，主要基于数字孪生技术、PHM技术、能耗管理技术实现对热压罐设备的状态监测、故障诊断与预测、能耗分析、参数配置等。

图1 热压罐管控系统整体架构

据整体架构设计，作者团队对热压罐管控系统软件功能进行设计和开发，包括6个功能模块和17个功能点，具体如图2所示。下面主要对孪生模型模块、实时监测模块及数据分析模块进行介绍。

图2 热压罐管控系统功能模块

1）孪生模型模块

孪生模型模块主要是展示热压罐的孪生虚拟模型，包括热压罐的几何模型、物理模型、行为模型以及规则模型。几何/物理模型描述了热压罐的几何参数（如尺寸、位置、装配关系）与物理属性（如材料属性、应力分布、温度分布），如图3所示；行为模型描述热压罐的加工循环，以及热压罐在不同参数配置下的加工行为，如图4所示；规则模型热压罐的故障库以及传感器选型库，用户能够切换显示的数据库，每个数据库都包含不同的数据，如热压罐运行规则、传感器选型、故障库等内容，具体如图5所示。

图3 几何/物理模型展示界面

图4 行为模型展示界面

图5 规则模型展示界面

2）实时监测模块

实时监测模块支持用户对设备进行区域选择，并支持实时采集参数的可视化显示。如图6所示，该模块在每个可视化表盘下方有预警提示符，当参数不在正常范围中时提示预警，此外显示了热压罐的工作状态和当前工艺的完成情况。

图6 实时监测界面

3）数据分析模块

数据分析模块使用户能够对某次热压罐生产的历史数据进行分析，包括温度、压力及能耗三个维度，从而为下一次的生产提供指导。用户能够对相关参数进行配置（如升温速度、降温速度、风速、压力），如图7所示，并在该参数配置下对热压罐性能进行仿真分析，如查看不同参数配置下的罐内温度分布情况，如图8所示。

图7 数据分析操作界面 

图8 温度分析界面

为了更直观地展示热压罐设备信息与模型信息，突破传统的管控系统的仅能实现二维可视化展示的局限性，基于HoloLens混合现实眼镜开发了热压罐设备可视化交互系统，实现了用户与三维模型的交互与设备信息的直观展示。

首先构建描述设备零部件形状、尺寸、位置、结构等几何信息的三维模型，完成对零部件外观的镜像；其次对三维模型进行装配，描述其零部件的连接关系及装配关系；最后将建好的三维模型导入到Unity3D中进行开发，完成设备模型的可视化展示。

如图9所示，该热压罐模型由导流罩，支撑装置，导风管，舱门系统，加热帽，冷却装置，罐体，外部冷水管等构成。然而由于该模型精度较高，导入到Unity3D后发现模型面数达到了3.3M面，这导致混合现实设备渲染速度慢、软件运行卡顿等问题，因此对模型进行了减面与重建，保证该模型能够清晰流畅地展示在混合现实设备中。

图9 设备模型的可视化展示

基于简化后的三维模型，利用混合现实设备深度融合虚拟场景与真实环境，在Unity3D中进行混合现实应用的开发，并发布到Universal Windows Platform(UWP)平台，部署在HoloLens设备中，实现对热压罐设备可视化功能的开发，具体功能如图10所示。

图10 可视化功能架构

1）设备标识识别模块

设备标识识别模块对热压罐标识图像进行识别，可通过语音或手势点选进入不同的功能界面，如图11与图12所示。

图11 识别扫描界面

图12 识别测试

2）设备健康管理数据展示模块

该模块主要显示三类设备健康信息，如图13所示。状态信息展示实现对设备预冷调节阀开度、空气阀开度等状态值展示；工艺信息展示实现对设备生产任务编号、工艺段号、罐内压力、罐内温度展示；健康信息展示实现对设备运行时间、剩余寿命等信息展示。

图13 信息数据展示界面

3）设备结构展示模块

该模块主要是显示三类设备模型结构，如图14所示。模型行为展示实现对三维立体模型动作展示，如模型开门和关门动作展示；模型结构分块展示实现对模型不同部位结构展示，并实现对模型拖拽与旋转等操作；模型结构拼接运用深度摄像头和环境理解摄像头对真实环境空间建模，并且可通过拖动零部件模型实现对整体设备模型的拼接。

图14 模型结构展示界面