面向数字孪生的车间制造过程远程监测系统设计
摘要：目前，数字孪生技术能够有效监管、分析生产车间需求，但是关于数字孪生车间制造技术与理论没有统一的标准。因此本文结合数字孪生技术可视化技术，建造Web的管件加工车间数字孪生模型，采用Java与Matlab的混合编程方法，通过系统实际测试，从而能够远程在线监测、分析、管理车间制造过程。
关键词：远程监测系统；数字车间结构模型；数字孪生；可视化
一、基于Web的生产车间数字结构建模
（一）Web-Based DTW 模型
该模型主要包括5个组成部分：首先是物理实体层，简称PEL。物理实体层是其他各层的核心，包含生产设备、厂房、人员、环境等多种实体要素，生产数据及质量执行环节都需要在该层体当中进；其次，是虚拟模型层，简称VML。该模型主要包含4层概念，分别为几何、物理、行为、规则模型，由于虚拟模型层独特的唯一性、超写实性、动态性以及多学科性，因此可以借助模拟空间进行车间生产过程的监测分析、预测调控功能；第三部分为数据保障层，简
称DSL。该层的主要作用是借助传感技术以及信号传输存储技术、DOM系统传来数据，将车间所有自动化设备实行统一管理和控制，保证生产过程处于可控范围，帮助人员及时获取设备运行以及车辆生产动态，有效保障智能化生产过程监控管理；第四部分为分析计算层，简称ACL。该计算层可以为模型带来智能的硬件和软件设备以及故障诊断预测、机器学习等计算方法；最后一层为系统应用层，简称SAL。该层具备监测分析管理等不同信息系统，以此来提供智能制造、可靠运维服务，使用户不仅可以与系统进行互动，同时用户也可以更为清晰直观获取VR沉浸感受[1]。
（二）Web-Based DTW模型在车间制造过程中的实施步骤
首先，在物理实体层中需要充分的融合物理层面要素，按照分类，统一分析检测需求；为能够统一有效地采集传输管理数据，需要在生产车间建立数据保障层，将数据融合；虚拟模型层，可以融合和优化物理实体层的超时写镜像，同时还是要在车间建立计算层软硬件以及系统应用层平台，将关于整个车间的管理服务过程做有效融合，使WBDTW模型在车间的远程监控系统建设中发挥自身价值。
二、车间数据在线分析计算及可视化技术研究
（一）Java和Matlab混合编程的分析计算方法
Java是一种广泛应用于工业项目中的编程语言，由于其本身具备高等数学计算工具，因此不被适用于复杂的数学计算场景；而Matlab恰好可以弥补这一缺口，因此将两者进行混合编程，可以有效增强开发效率[2]。
下图便是本文所采用的系统分析计算架构图：
其主要实施流程为：当万维[网]服务器接收到用户从浏览器发出的请求访问服务器资源的指令时，便会自动从数据库当中寻用户所需的数据段输送至MCR当中，计算并输出计算结果至万维[网]服务器，以此来完成整个分析计算过程。但需要注意的是，需要在Web工程中加入由m函数转化成的jar包，实施流程为将在Matlab当中，被编写和测试的函数保存并执行Deplay tool命令，在弹出的Deployment tool窗口选择m文件，自定义类名，从而将m函数借助Matlab Builder JA方法制成jar包，完成调用Java网络应用程序流程。
与此同时，Java语言以及Matlab语言两者之间数据类型结构有所差异。因此需要将前者语言数据转变为后者语言数据类型，才可以使用调用方法。调用完成后所得的计算结果，必须为Java数据类型。但是如果Java是数值型数组，那么便可直接传递不需转换[3]。
（二）车间数据可视化技术研究
1.传感器映射的可视化
3D传感器映射新增Labview 8.6数据可视化功能，在Labview环境中可方便加载CAD模型，并以云图形式将数据展现在设备模型上。CAD模型格式包含VRML格式以及STL格式，其导入借助的是3D Sensor Mapping Express Ⅵ。除此之外，还添加了DAQ自由传感器，主要作用是将模型映射在前板之上，实现数据的可视化，同时检查传感器故障。
与此同时，传感器映射方式配置步骤，主要包含以下几个方面：首先，在程序框图中添加3D Sensor Mapping Express Ⅵ，打开配置窗口当中的模型路径文件对话框，将外部模型文件导入窗口左侧3D图形控制窗口，导出文件可以借助SolidWorks、AutoCAD. 3D MAX及Pro/E软件导成STL或VRML格式模型文件于窗口右侧；在右侧下拉框选择DAQ任务名”，在通道列
表选择具有映射数据的适宜采集通道，并将所有数据拖曳至左侧3D图形控制窗口模型，完成传感器设置过程；与此同时，还需要对传感器的大小以及显示颜梯度做相应修改[4]。
三、系统设计与实现
（一）系统框架选择
整个车间制作远程监测系统，必须具备足够的灵活、拓展以及可维护性，因此本文当中系统设计采用MVC框架模式，系统中核心部件为模型、视图以及控制器。整个系统不会产生高额成本，同时维护性较高。B/S系统下MVC框架响应过程为:用户发出请求于控制器当中，控制器会请求模型做相应处理，然后将处理结果反馈给控制器响应客户，同时控制器也会将响应视图渲染至视图中[5]。
在本文中所设计的远程监控系统，选用SSM框架。其包含三大开源框架，分别为SpringMVC、Spring以及Mybatis
如下图所示，第一大开源框架适用于表现层，主要作用是实现MVC设计模式；第二大开源框架用在业务层中，其中AOP用来管理事务，IOC负责创建注入SpringMVC和MyBatis对象，
整个第二大开源框架可以有效地控制事物处理业务逻辑，同时还能够做好数据传输工作；第三大开源框架，可以封装JDBC，查询SQL以及高级映射存储过程，最主要的是可以持久化数据对象。
（二）开发与运行环境
在本系统当中，操作系统选用的是win7旗舰版系统；apache-tomcat-8.0.52 万维[网]服务器；开发语言总共有三种包含Java、Jsp、Matlab〉 G 语言；所借助的开发工具为MyEclipse 2015, MatlabR2018a, Labview2016；运用谷歌、IE10浏览器；运用MySQL 5.7.21数据库；Navicat Premium 12为数据库管理。
（三）系统主要功能实现
首先，实现用户登录系统的功能。当用户输入账户和密码之后，系统左侧为功能菜单以及功能界面，右侧为完成系统功能的工作区；同时用户可以自由的对账户功能和数据进行增加、删改以及查询操作；系统当中增设健康管理模块，用户可以根据该模块查询设备的三维模型可视化、监测点读数以及健康运行状态评价等功能；除此之外，还可以实现产品的质量管理
功能。质量管理模块可以查询设备的三维模型、产品加工图纸、实测值、理论值等，可以有效的评估产品的加工质量；此外，还可以信息报表管理模块。如果设备出现故障信息，可以借助该系统查询设备，从而进行维修[6]。
四、结论
综上所述，数字孪生技术可以实现智能制造，但是目前在应用于加工制造领域中却没有统一的在线分析监测管理标准。在本文中，模拟数字孪生车间模型，研究两种混合编程方法，并应用可视化关键技术开发系统，从而实现用户管理、产品质量管理、设备健康管理等数字孪生功能，在未来可以作为支撑智能制造的强大基础。
参考文献：
[1]钟珂珂，郭具涛，何其昌等.实时数据驱动的生产线状态监控与效能评估技术研究[J].航空制造技术,2017(07):51:55.
[2]梁进科，厉力华，柯激情.基于质谱数据的肿瘤诊断Web平台[J].计算机系统应用,2013,22(3): 37-41.
[3]蔡云鹭.基于Java Web和Matlab Builder JA的远程数学实验教学系统设计[J].实验技术与管理,2012,29(1):83-85.ssm框架实现登录功能
[4]王水鱼，王小娟.在虚拟仪器中实现Labview与MATLAB的无缝链接[J].计算机系统应用,2012,21(11):123.