一、产品简介
生产制造-数字孪生系统技术方案以三维模型为核心，融合信息系统数据、物联网数据、监控视频等技术，对工厂全工艺流程中的物料物流、设备资产、现场环境、工作人员等进行虚拟世界仿真建模，并通过实时数据驱动的动态仿真机制，实现实时生产数据驱动的三维虚拟可视化监控，监控数据能根据要求提取，主要数据来源WMS、MES、SCADA相关的设备（含生产数据、现场实时数据和分析数据等）相关数据，为各个业务系统的交互提供技术支持，并在后续建设阶段以及运营阶段持续深化数据互联互通，实现实时感知、预警、运控、协同，全面提升智能化运营管理水平。
二、系统架构
本方案首先构建数字孪生系统所需的统一实时数据源，基础引擎层包含了统计图表引擎、虚拟现实引擎和工厂建模与性能分析引擎，可提供完全国产自主方案，也可融合国内外产品提供产品和服务。
基于基础引擎层，平台积累了海量行业数据模型、三维模型库、三维动画库、逻辑指令库和数据图表库，并支持定制化开发，实现应用层的基于数字孪生的生产管控、三维可视化管理、KPI图表管理、生产管理、设备管理、物流协同、人机交互、VR/AR等功能，交互层包括生产管控中心大屏、PC端等人机界面和交互展示。
三、产品功能
1、生产大数据集成平台
针对生产管理关注的数据以及分布的业务系统，如REP、CRM、MES、SPC、WMS、APS、QMS、SCADA等，建立生产数据集成平台（MDI），得到满足数字孪生系统所需的统一实时数据源。
2、三维可视化管理
通过三维建模软件，构建三维数字化虚拟车间，建立与实际生产过程、物流X过程一致的三维数字化车间，实现生产制造实物环境与三维虚拟模型的深度融合，打造时空大数据底座。
（1）虚拟车间建模
虚拟车间建模主要包括备料单元、上料单元、入条单元、装箱封箱单元和物流输送系统等，同时基于生产制造车间的布局规划、设计图纸进行设备的布局摆放，搭建静态的三维数字环境。主要包含以下内容：
1）虚拟场景搭建：
虚拟车间模型建立采用第三方建模软件并烘焙贴出等效果处理，通过插件将模型文件导入虚拟现实引擎中，再通过虚拟引擎对模型整体效果调整，包含材质、纹理、灯光等处理，最终整合形成三维虚拟的生产制造车间。
2）三维布局
基于生产制造车间三维模型的虚拟场景，根据设备布局从三维空间角度对设备进行直观的表现和展示，验证数字化虚拟车间整体布局的合理性，包括设备摆放空间、物流设施空间、线边操作空间等静态布局。支持从多个视角对车间场景和设备模型进行查看，支持摄像头焦距调节，拉近推远车间场景，支持LOD显示技术。
3）离线三维仿真运行
基于已知的出入库流程、生产工艺流程、生产节拍、物流逻辑等，通过以下流程构建仿真模型，驱动生产制造三维数字化虚拟车间运行。对生产工艺和物流进行三维可视化展示。选取具有代表性的生产加工流程，模拟备料入库、条盒上料、小盒出库、软包入条、细支入条、条烟输送，直至装箱封箱的整个过程，实现离线式三维虚拟仿真、实现虚拟漫游，支持以第一人称、第三人称等视角直观地了解生产制造整体车间的布局、设备产线的分布、生产物流的过程等。
l 仿真动画制作。将三维模型所对应的物体对象及其运动通过模拟动画的方式表现出来，通过触发或交互方式，根据输入信息的不同，展现不同的运动场景。支持加工动作、在制品物流动作、容器移动、物料出入库、机械手上下料等相关动画定制开发，包括移动、旋转、缩放、管线、任务、复合动画，支持脚本方式创建动画。
l 三维仿真逻辑建模。对实际设备与模型、动画、事件间的映射关系进行了定义，支持通过图形化的开发方式来定义车间交互运行逻辑，如控制点、按钮、键盘、触发器响应等。
l UI建模。支持图片、按钮、文本框、菜单等UI元素，在三维窗口里显示多个三维渲染区域。支持设备控制软件直接映射到三维模型表面，模拟在虚拟屏幕上的软件操作。
离线三维仿真运行：
4）数据可视化监控
基于数据接口技术，以虚拟化车间为载体，建设虚实融合车间，通过实时数据驱动三维模型进行动态仿真，实现实时生产数据驱动的三维虚拟可视化监控，监控数据能根据监控需求提取，数据主要来源于MDI、WMS、MES、SCADA等系统中相关的设备和数据（含生产数据、现场实时数据和分析数据等），将“三维虚拟空间”和“实时数据”高度融合。
在三维可视化管理系统中，以透明可视图表展示生产实况、设备状态、质量数据和仓储实时绩效；通过二维平面及三维设备，实现同步监测与异常警示。
展示内容方案设计如下：
l 实时数据获取解析：通过建立生产过程实时数据访问接口可以获取数据库中的指定字段，实现现场数据与三维可视化系统的数据交换。通过编写脚本语言，可以方便的与数据库进行连接，并获取实时数据信息；
l 实时数据驱动仿真：根据条件触发向三维仿真平台发送实时指令，三维仿真平台解析生产指令，驱动模型矩阵的变化，实现三维模型的运动。
l 数据变化触发显示控制：启动定时器线程，按照指定的时间间隔循环从实时数据库取状态数据，当状态数据发生变化时，读取的状态数据会赋值给定义的变量，变量发生改变，则变量对应的模型控制对象就会根据变量值发生数据和动作状态的改变。
l 实时状态监控：支持对车间设备实时状态监控，支持对仓库实时状态和存储信息的监控，支持典型物流设备的实时状态监控和数据展示；系统通过透明报表的方式将设备的关键数据进行显示，包含订单数据、产能数据、机台状态数据等，并结合平面元素展示线体数据，包含设备开机率、加工合格率、产能等数据。此功能能够帮助工作人员快速了解卷烟包装和运输设备的具体情况，从而及时发现设备问题、协助生产线优化。
l 虚拟漫游。系统支持自主漫游及系统漫游。基于虚拟卷烟包装车间，根据实际车间的参观路线，通过虚拟引擎在虚拟车间中定义参观路线，用户根据需要点击界面中的漫游按钮，选择漫游参观路线。系统会自动将三维视角相机跳转到漫游路径起点位置，然后按照预先设计好的路径进行三维视角相机移动，实现系统漫游。同时，系统支持鼠标键盘对虚拟环境交互操作，通过鼠标实现三维环境的旋转，通过W/A/S/D键实现视角的变换，实现虚拟场景漫游。在漫游过程中，可通过鼠标点击相关设备，查看设备信息，使生产、物流管理人员全方位多角度的了解生产过程全貌。
漫游及交互数据查询示意图：
5）监控视频融合
支持集成现场视频监控系统，监控摄像机和标签在数字孪生系统界面上一目了然，还可远程控制摄像机,同时支持对摄像机进行监控、报警和维保集控管理。
支持在数字孪生系统中实时调取监控摄像机视频流数据，鼠标点击即可调用对应摄像机画面，支持画中画显示，傻瓜式管理。整个系统可在生产管控中心进行大屏部署和操作。
3、KPI图表化管理
当前企业大量的管理所需的统计分析工作需要工作人员从各业务系统中获取基础数据，与人工采集的其他汇报数据一起加以统计，形成报表作为管理的数据基础。此过程耗费大量的人力，且难以保证准确性和实效性。通过数据集成将业务数据导入到数据中心中作为统计分析图表的数据源，统一数据基础。按部门、职能、层级需求，建立符合管理业务职能的数据统计分析模型，提高生产监控和关键指标、部门KPI统计的数字化程度，提高对生产过程的问题分析和异常管理的效率和实时性。
1）实时数据展现
l 针对中控大屏、看板、管理工位的监控终端的显示需求提供分区域图表展示的配置和展现工具；通过分区域显示关联图表提高实时看板的数据可视化水平。
l 建立报表间、显示区域间的数据钻取，方便问题的分析。
l 3.建立数据展现的用户权限控制。
4、生产管理
l 生产制造数字孪生系统可对接生产管理系统，与三维场景实时连接，点击产线、设备、关键部位等均可立即进行查看详细信息、操作管理、查看报表、人员信息、物料信息等操作。
l 生产制造数字孪生系统对操作的模式改变和效率提升是显著可见的，所见即所得的展示方式打破了传统查询方式速度慢、效率低的弊端。例如点击生产设备，可同时查看设备状态详细数据信息、查看进料出料情况、查看备品备件信息、维保信息、操作人员信息等。
l 同时还可调取生产数据信息、查看统计报表和图表。可对报表进行打印和输出操作。可下达工单、维保、远程控制等命令，一个操作即可获得多个系统的信
l 息并进行管理，效率提升显著。
5、设备管理
以实现设备生命周期管理为目标，通过接入设备实际运行数据，基于三维数
字化虚拟车间对设备进行统一的管理，支持以设备分类查询所有设备、查看设备状态以及相关的维保、点检信息，对故障进行统计、查看拆装过程、与摄像监控进行关联、查看设备网络状态等功能，所有与设备管理相关的信息均可在生产管控中心大屏上展示。
1）设备监控和报警
设备运行监控以直观的三维方式展现设备运行、报警、故障信息，且支持信息的查询和管理，不仅能推送报警、故障信息，还支持以醒目颜色精准提示异常报警设备，报警状态一目了然，设备定位快速，鼠标点击可查询故障原因。
设备运行监控需要通过数据接口获取设备运行、设备报警、设备故障等实时数据，再结合设备基础信息、设备维修保养信息等业务运行的实际数据实现对设备的统一管理，以便于管理人员掌握设备总体情况：
Ø设备基础信息：包括设备名称、生厂商、设备核心部件信息、设备生产日期和使用日期、设备主要负责人、设备权重级别等；Ø设备实时监控：对接设备运行的实时数据，根据设备实时运行数据对设备进行监控。对故障进行分级管理，高危故障实时报警提示。
Ø设备运行数据分析：支持查询特定时间段的设备运行数据，以报表形式对设备运行数据进行统计、分析和展示。
2）设备巡检
传统的设备巡检方式，巡检工作的质量完全取决于巡检人员的个人经验和责任心，在巡检工作的监控、管理方面往往存在真空区，缺乏高效、精准的监管手段，且纸面作业过于复杂，漏检、错检的情况时有产生，无法针对一些要点区域、要点时段、要点事件进行定向的精准巡检。
生产制造数字孪生系统通过采集定位数据，为巡检工作提供高精度的实时定位服务，可实时感知、采集设备巡检的动态信息，支持以热力图形式展示巡检工作的开展情况，方便管理人员实时掌握巡检效率、动态进行调度指挥，以提高巡检系统的管理效率与事件响应速度。
生产制造数字孪生系统应用智能分析、智能定位、智能研判等技术，以NFC、UWB作为巡检数据采集的传感平台，采集巡检工作产生的实时数据，并基于三维模型实现巡检数据的多维度可视化监测和关联展示，以直观、综合展现巡检区域信息、巡检人员情况、巡检路径等信息，实现巡检工作的可视化管理，支持对事件点位、安全隐患点位等异常情况进行实时告警、快速提示、调取相关事件信息，提高设备巡检效率、消除安全隐患。
3）备品备件和维保管理
生产制造数字孪生系统可随时调用集中管理界面查看和进行备品备件管理、维保管理。
4）设备数据统计分析
生产制造数字孪生系统可随时调取查看报警设备的数据统计分析情况，也可方便的快速查询其他设备情况，以及综合的各种统计信息，进行决策管理。根据数据分析模块给出的结论诊断提前告警，可自动生成预保养、点检计划等。
l 设备OOE分析。OEE代表综合设备效能，是一种严格的机器总体性能的衡量手段。本项目通过对关键设备进行OEE分析，揭示时间浪费存在与哪里，实现有效指导和改进。
l 设备维修性分析。平均修复时间MTTR(MeanTimeToRepairs)是衡量关键设备维修性的重要特征量，本项目通过对MTTR进行分析，对于设备维护、生产计划、实时调度具有重要意义。
l 设备可用性分析。关键设备的可用性Availability是指某段时间设备可用度的平均值，本项目对关键设备可用性进行分析，对于资源配置、瓶颈优化、生产调度具有重要的指导意义。
l 关键设备的预测性维护。构建关键设备构建设备预测性维护模型，根据故障数据进行设备失效曲线建模，根据当前工作时长，计算出失效概率，当失效概率达到一定阈值时，启动预测性维修。
5）设备远程管理
当设备发生故障时，可通过生产制造数字孪生系统远程切换手动、复位、动作控制、启停等操作，支持异地远程控制和管理，实现云管理。
6、仓储物流管理
对实际物流对象进行统一的数字化描述和建模，支持传输线、分拣线、AGV、天车、仓库等物流设施以及路径节点的快速建模。通过导入实际的生产工艺与物流逻辑，驱动厂房的虚拟三维物流运动仿真，通过一段时间的仿真运行，检测物流系统在配送过程中，是否出现干涉、等料、物流是否阻塞等，从而验证车间物流节点、通道设计、物流设施大小的合理性。
支持对典型仓储物流系统复杂业务过程和物流运输逻辑的三维可视化，直观呈现系统建设方案和效果，支持对仓库实时状态和存储信息的监控，支持典型物流设备的实时状态监控和数据展示，支持对仓储物流的协同调度。
7、VR交互式培训
基于知识库构建三维仿真实训场景，实现可视化、场景化、可交互的培训教学、训练考核、操作辅助等，减少实装损耗、缩短培训周期、提高培训质量、降低培训成本、提升培训效率、强化培训深度、降低安全风险，实现教学模式创新。
支持以HTCVIVEVR头戴式显示器设备配合电脑主机作为输出设备，通过VR手柄模拟抓取、点击等功能实现虚拟场景环境里的交互操作。在VR版里所有的提示信息注意事项都以三维模型指示牌的形式在三维场景里展示，同时结合语音及部件高亮的形式来做操作引导。以第一人称视角在三维虚拟场景中观看车间布局、加工工艺流程和物流转运过程等内容，通过简单的自主式交互操作，完成工艺生产过程，从而实现虚拟交互式培训工作人员的功能。
VR交互项目演示示例：
8、环境能源管理
生产制造数字孪生系统可对接能源环境系统，对水、电、气、空压、空调、温湿度控制等系统进行集控管理，实现实时的可视化监控和任务下达，查看数据报表和数据统计分析结果。支持查看供电、供电、暖通等设备的空间点位分布，以信息面板方式查看工况信息和实时监测数据，以图表形式查看统计数据，支持查看告警信息，以闪烁、高亮形式进行告警提示。
9、人员管理
生产制造数字孪生系统可对人员信息进行可视化管理，点击查询人员基本信息、岗位职责，查看KPI等；可从界面查看人员离在岗、班组、排班等信息；可加装UWB系统进行人员定位，在生产管控中心进行更精准的人员热力图、分布情况、轨迹跟踪。
实时驱动的人员流向，基于三维虚拟车间，通过与人员定位系统数据集成获取生产人员的实时位置信息，以此驱动虚拟车间人员模型依规则运动，实现车间生产人员的实时模拟。设置虚拟电子围栏，设置人员危险区域实时预警。
10、权限控制
提供系统人员、角色的配置，同时提供角色权限配置，以管控不同用户可浏览、操作的报表、数据的范围。系统可配置各用户可访问的系统菜单、图表、看板、数据源、数据集。系统对权限的控制是通过角色权限实现的。
四、相关案例展示
1、移动终端金属加工智能制造新模式
客户单位：东莞某股份有限公司
项目内容：离线式仿真模块、远程虚拟实时监控、生产数据可视化、故障设备快速定位
