基于数字孪生的安全生产工艺流程管理系统研究与应用实践

任靖辉，张进思

1.云南永昌硅业股份有限公司，云南昆明，650000；2.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明，650031

0 引言

数字化转型是传统工厂顺应信息化、智能化飞速发展趋势的必由之路，也是工厂应对数据日趋增长、安全生产管理日趋精细化的有力抓手。公司积极响应国家发展信息化、智能化的号召，启动了基于数字孪生技术的安全生产工艺流程管理系统研究与应用实践项目。数字孪生技术和物联网、机器视觉和人工智能等新时代信息技术一样，为传统制造业向智能制造的转变提供了巨大的动力，通过对工业制造过程和结果的量化分析、梳理和总结，可以发现数字孪生作为突破性的应用技术框架，将会成为实现信息物理系统乃至智能制造的必要方法，值得深入和全面地展开研究[1-2]。

针对公司存在信息数据孤岛、动态数据融合分析能力弱、缺少统一数据可视化门户等问题，通过多种新一代信息技术手段的应用，公司建立了一套符合企业未来智能工厂生产管控需求、集成性高、技术先进、运行稳定的数字孪生可视化信息平台，以满足工厂对外宣传展示、关键部位信息化监测等功能，从而辅助整个工厂的生产管控，赋能传统制造，提升企业的智能制造管理水平。

1 总体设计

该系统主要分为三层，如图1所示，即硬件设备层、网络层、平台应用层。考虑到后期与工厂内部其他信息系统的扩展与集成问题，构建基于B/S架构的数字孪生信息应用平台能够更好地满足后续的扩展要求和集成要求。在软件架构的技术选型上，考虑建立前后端分离架构的软件平台，三维部分使用Unity进行实现，再将Unity工程以WEBGL平台发布，通过js和Unity平台进行数据通信实现三维场景用户交互。依托于工厂现有网络设备、服务器等提供的计算、网络和存储资源，将现有监控摄像头、现有物联网设备进行接入，获取实时动态监控信息，进行分析及可视化展示[3]。

图1 系统总体设计分层图

2 数字孪生三维场景构建

利用Blender三维建模软件，通过无人机航拍等辅助建模手段，建立工厂三维模型。将建模完成的三维场景导出“.FBX”格式文件。本项目使用Unity作为三维引擎，它是一个跨平台、全面整合的专业三维引擎。通过Unity引擎中的粒子特效、3D漫游、碰撞检测、场景切换等功能模块实现厂房的虚拟呈现和人机交互功能[4-5]，如图2所示。

图2 开发过程中的三维场景图

3 传感器接入

工厂现有传感器种类较多，诸如用于监测压力的传感器、用于监测温度的传感器以及用于监测电流电压的传感器等。现有传感器的接口服务较为完善，提供了直接对接硬件通信的接口服务和对接平台的接口服务等多种方式。本项目采用通过http协议对接传感器平台接口的方式，向传感器目标服务器发起http请求，解析返回的json数据[6-7]。

在传感器数据获取方面，若直接通过前端页面向传感器目标服务器发起ajax请求，也可实现获取传感器数据。但考虑到系统建成后的门户页面将提供工厂内部不同网段的设备访问。一方面，打通工厂不同网段之间的网络互相访问有一定工作量，同时加大了网络管理的复杂度；另一方面，将各网段打通会带来新的网络安全隐患，增加传感器网络和服务器的安全风险[8]。所以，本系统服务器使用单独的网口与传感器网络进行通信，通过后端服务器向传感器目标服务器发起请求后得到数据供相应业务模块使用。

4 监控摄像头接入

本项目建设涉及通过WEB界面调取现有监控摄像头画面的功能，但现有工厂存在多个品牌的监控设备。通过对现有监控摄像头软件平台进行研究，主要发现如下问题。（1）若通过摄像头厂商提供的安装于Windows系统的专用客户端播放监控画面，可能出现WEB端不能及时打开并调出监控专用客户端监控画面的问题、WEB端不能一次性调出特定摄像头单一画面问题、因可视化演示电脑未安装监控专用客户端（或客户端异常）导致的无法及时播放监控画面问题等，影响用户体验。（2）若通过摄像头厂商提供的WEB端软件平台播放监控画面，可能出现每次查看监控需输入账号密码查看的体验问题、部分厂商的平台需安装插件才能播放流媒体视频问题等等。（3）会出现当前系统使用网络环境无法与监控网络通信的问题；工厂内部各个网段有严格的划分，监控网络是单独的一个网络环境，若使用监控厂商自带的播放平台，要求播放端一定要处于监控网络环境下。

综上问题分析，构建一个流媒体平台用于统一接入并解析不同厂商摄像头流媒体视频数据非常有必要，用于实现通过WEB页面无插件打开监控视频流画面，直接点击WEB可视化界面中的摄像头点位图标，即可查看实时监控画面情况，增强用户体验[9-10]。用于构建流媒体平台有多种技术手段，本项目采用WebRTC技术手段，提供实时的流媒体播放服务[11]。利用点对点的通信方式，避免传统的客户端-服务器模式下的延迟和缓冲问题，使得视频内容可以几乎实时地传输和播放[12]。

5 生产工艺模块

生产工艺模块旨在对硅工艺生产流程进行模拟演示，通过Unity引擎的动画系统和粒子系统，对工业硅生产的配料、冶炼、出硅、精炼、浇筑、精整、烟气处理等流程在三维空间中进行示意模拟，并配有各流程解说音频，绘声绘色地展示生产工艺过程。

6 WEB和Unity交互

数据孪生信息系统的构建涉及大量的用户交互开发。本项目是基于B/S架构的浏览器端应用，在系统设计时，综合考虑可扩展性、数据安全性等问题。所有对后端发起的http请求，都由WEB前端发起，便于实现统一接口请求设计及定义、统一身份及权限认证、统一接口数据安全管理等。虽然Unity中也可使用C#脚本实现发起http请求获取接口数据，但需同样考虑用户认证和权限问题，且WEB端和Unity端都定义接口，不方便统一管理[13]。

在从后端服务器获取数据进而显示到三维场景中的业务模块上，统一在WEB前端向后端发起请求，WEB前端拿到数据后，再根据Unity官方推荐的“从JavaScript调用Unity脚本函数”方法，通过js调用三维空间物体中绑定的C#脚本中public方法函数，实现WEB向Unity的数据通信[14]。

在点击三维空间中的物体并联动触发WEB前端行为的业务模块上，通过为点击物体设置Box Collider组件，在C#脚本中检测用户鼠标的点击触发物体操作，根据Unity官方推荐的“从Unity脚本调用JavaScript函数”方法，将被点击物体的相关信息发送到WEB端的JavaScript函数中，实现Unity向WEB前端的数据通信[15]。

7 结论

本文结合具体实践，基于数字孪生技术，从平台总体设计到三维场景构建和生产工艺业务模块，再到传感器和监控摄像头的接入聚合管理、WEB端和Unity数据交互，阐述了工厂数字孪生可视化信息系统的基本思路，体现了在系统建设过程中对系统整体性、可扩展性、易用性、网络安全性等方面的思考，为现代工业化在数字孪生可视化、监控摄像头和传感器接入等方面提供可行的解决方案。