摘 要

在工业4.0的潮流下，“数字孪生”这一热点技术的飞速发展及其应用范围的广泛性，促使制造过程的智能化以及现代智能楼宇在制造业领域的应用推广。国内的各行各业由于其公司楼宇电力系统的复杂性，员工对整个电力系统的控制和数据的维护及管理难度颇大，无法有效地提高用电效率，降低损耗，从而造成巨大的经济损失。

本文以电力工程行业为研究背景，构建一个基于现实楼宇按一定比例制作的电力沙盘物理实体模型，结合“数字孪生”技术和建模软件搭建数字虚拟模型，通过“增强现实”技术手段和虚拟设备以及网络通信功能等实现现实楼宇、电力沙盘实体模型和虚拟三维模型实时交互与联动。

本文主要包括三层：物理层、信息处理层和虚拟层。物理层建立一定比例的现代楼宇电力沙盘模型，该模型采用工业上常用的PLC控制系统对电力沙盘模型中的水泵、风机、传感器和照明灯等元件进行控制，其中安装的温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器通过A/D转换模块与FX-3U系列PLC相连，并将监测和读取的环境数据存储于数据寄存器中；信息处理层通过Modbus-TCP、Web Socket等通讯协议对数据进行传输，利用数据池服务和Influx DB数据库对数据进行处理、映射和存储等；虚拟层通过虚拟仿真软件同比例构建电力沙盘的三维模型，最终发布于HoloLens移动设备端对实体沙盘进行操作与控制，从而实现虚拟场景与现实沙盘模型的双向联动。本系统可为后续研究现代楼宇智能化管理提供有力的理论和技术支撑，同时可将此系统引入教学实验环节，加强学生对 “数字孪生”、“增强现实”的学习和掌握。

关键词：数字孪生；增强现实；智能工厂；网络通信；可编程控制器

Abstract

Under the trend of Industry 4.0, the rapid development of "digital twin" popular technology and its wide range of application promote the intellectualization of manufacturing process, and promote the application and popularization of modern intelligent building in the field of manufacturing. Due to the complexity of the power system in the company buildings, it is difficult for the staff to control the whole power system and maintain and manage the data. Therefore, it is impossible to effectively improve the power efficiency and reduce the loss, thus causing huge economic losses.

In this paper, the electric power industry as the research background, based on a certain proportion of physical entity model of electric sand in real buildings, combining "twin" digital technology and modeling software to build digital virtual model, through the "augmented reality" technology and virtual equipment, real-time interaction between the real building network communication function, the physical model of the electric sand table and the virtual 3D model is realized.

This paper mainly includes three layers: physical layer, information processing layer and virtual layer. Establish A percentage of the physical power of modern buildings sand table model, this model USES the industry commonly used PLC control system of electric pump in the sand table model, fan control, sensor and lighting components, including installation of the temperature and humidity and co2 concentration sensor through A/D conversion module connected with FX-3U series PLC, environment monitoring and read data stored in the data register; The information processing layer transmits the data through Modbus-TCP, Web Sockets and other communication protocols, and processes, maps and stores the data using the data pool service and the example DB database. The virtual layer constructs the 3D model of the power sand table in the same proportion through the virtual simulation software, and finally releases it on the mobile device of HoloLens to operate and control the physical sand table, so as to realize the two-way linkage between the virtual scene and the real model. The system can provide strong theoretical and technical support for the follow-up research of intelligent management of modern architecture, and can introduce teaching experiments to enhance students' learning and mastery of "digital twins" and "augmented reality".

Key Words: Digital twin; augmented reality; intelligent factory; network communication; programmable controller

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 论文的研究背景 1

1.2 论文研究的目的和意义 2

1.3 论文的主要研究内容 2

第2章 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的总体方案 4

2.1 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的概述和目标 4

2.2 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的实体布局 5

2.3 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的总体设计方案 8

第3章 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的物理层设计 9

3.1 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的通信方式 9

3.2 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的硬件选型 10

3.2.1 PLC的选用 10

3.3 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的底层控制程序设计 11

第4章 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的信息处理层设计 14

4.1 Modbus-TCP通讯协议 14

4.2 数据池 17

4.3 Influx DB时序数据库 17

4.4 Web Socket通讯协议 18

第5章 现代楼宇电力沙盘智能交互系统的虚拟层设计 20

5.1 混合现实MR在工业领域的应用前景 20

5.2 虚拟层硬件设备的选用 20

5.3 渲染引擎的选用 21

5.4 虚拟层功能实现技术 21

5.5 虚拟层功能介绍 22

5.5.1 功能设计 22

5.5.2 软件核心功能 23

第6章 总结 27

6.1 创新与展望 27

6.2 论文总结 27

6.3 工作小结 28

参考文献 30

附 录 32

致 谢 35

第1章 绪论

随着物联网、云计算、大数据、混合现实等新兴技术的迅猛发展，以及它们与生产制造技术的深度融合，世界制造业面临着空前绝后的发展机遇。我国出台的相关政策明确地要求实现智能制造工艺，在工业控制和工业领域试点建设数字智能工厂和楼宇，必将加快智能工厂在制造业各领域的广泛开发利用，其中的智能楼宇更是成为关注的焦点。为了实现智能化楼宇，则需要对虚拟制造和现实加工的结合以及现实物理系统的适用性进行验证，所以需要实施以数字化模型为基础的各类仿真、分析、数据积累等，于是“数字孪生（Digital Twin）”这新兴概念应时而生。

1.1 论文的研究背景

城市，作为人类社会发展的一个形态，尽管提供了舒适、便捷，但也因为损耗大量的能源被人诟病。据计算，全球城镇人口于2020年预计达到二十五亿，未来二十年全球的电能损耗将增多60%，而其中超过50%的损耗来自建筑用电。为了解决能耗问题，智慧城市的概念提出已久，而智能化楼宇这一先进理念及其技术手段极大概率会彻底改善能耗问题，改变城市的运营模式。就智能建筑的最新概念而言，智能建筑是许多高标准自动化系统与建筑的结合。智能建筑改变了能源分配方式。它变得更聪明，它自动将能量分配到正确的地方，并切断不必要的能量消耗。从断路器、传感器、制动器和电机驱动器等特定硬件设备到远程访问连接的控制平台，再到特定的软件应用程序，构建智能化、不同系统的集成，智能建筑只有将建筑的“责任和监督两个通道”连接起来，才能发挥智能控制和高效运行的优势。智能建筑将逐步从损耗型向自动发电型转变，这也将变得更加环保。建筑智能在节能环保方面优势也十分明显，因此成为焦点关注和追捧。

在国外，作为智能楼宇开发设计领头军的是施耐德电气公司。该公司主要研发基于物联网、即插即用、开放互操作的架构和平台。它将产品、边缘控制平台和软件结合起来，形成“建筑市场解决方案”。即使融合的难度颇大，但在全球各国智能楼宇的建设中备受青睐。