《Inventions》：A Three-Dimensional Visualization System for Tea Production Lines Based on Digital Twins
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本文针对传统茶叶加工生产线存在数据碎片化、智能化水平低等问题，提出了一种基于数字孪生（Digital Twin）的三维可视化系统。该系统通过构建五层架构（物理层、虚拟层、数据层、服务层、应用层），采用OPC UA协议实现多源异构数据采集，并利用Unity 3D进行场景渲染优化。通过数据驱动实现了生产线设备运行状态与茶叶形态变化的动态仿真，实验验证了系统的可行性与客户端性能，为茶叶加工智能化升级提供了新思路。
摘要
当前传统茶叶加工生产线存在数据碎片化、智能化水平低等问题。本文提出一种基于数字孪生的茶叶加工生产线三维可视化系统，通过构建整体框架与功能架构，采集多源异构数据并建立信息模型映射。参考绿茶生产线实际环境，采用场景光照模型与渲染技术重构虚拟加工环境，通过数据驱动方法动态模拟设备运行状态与茶叶形态变化，实现全线三维可视化与全方位监控。实验验证了系统的可行性，为茶叶智能化生产注入新动力。
1. 引言
茶叶富含营养价值，是中国人日常生活的重要组成部分。茶叶加工生产线对茶叶品质与生产效率具有关键影响，但当前生产线存在数据存储非标准化、信息分散、设备状态不透明等问题，制约了整体效能提升。数字孪生技术作为实现三维可视化的核心，近年已在工业领域广泛应用，但在农业生产中仍缺乏典型案例。本文针对绿茶加工生产线，提出一种融合数字孪生与三维可视化技术的系统，旨在实现加工过程的全程监控与优化，为农产品加工领域提供新应用范式。
2. 材料与方法
2.1. 三维可视化系统整体框架
基于五维数字孪生模型，系统架构分为物理层、虚拟层、数据层、服务层与应用层。物理层提供茶叶加工流程数据，包括传感器、PLC（可编程逻辑控制器）等设备；虚拟层构建生产线三维模型，实现物理设备到虚拟模型的镜像映射；数据层通过OPC UA（开放平台通信统一架构）协议采集并处理多源异构数据；服务层集成物理与虚拟生产线，建立三维可视化平台；应用层实现用户端的实时监控与溯源分析。系统采用模块化设计，各功能模块独立运行，支持灵活扩展。
2.2. 生产线数据采集与场景优化
2.2.1. 多源异构数据采集
通过OPC UA协议异步采集生产线实时数据（如温度、湿度、流量、质量等），并利用事件驱动机制降低模块耦合度。对于无数据接口的设备，采用串口访问、WebSocket等技术统一整合数据。数据经RabbitMQ消息队列发布，确保虚拟模型与物理系统同步更新。
2.2.2. 场景渲染
使用Unity 3D 2020软件对设备模型进行贴图与UI设计，采用基于物理的渲染（PBR）模型提升材质细节表现力（如表面粗糙度、高光反射）。通过对比传统渲染模型，PBR技术更真实地还原设备表面光学特性。虚拟场景基于实际生产线布局构建，实现了物理环境与虚拟环境的高度一致。
2.2.3. 场景光照渲染
通过光照烘焙技术将直接光与间接光信息预计算至纹理中，提升渲染效率。后期处理阶段调整光照参数，进一步增强场景真实感。烘焙结果显着优化了绿茶加工场景的阴影与反射效果。
2.3. 茶叶加工生产线动态仿真
2.3.1. 虚拟场景监控
系统支持全局视角、设备对象视角与自由视角的多模式监控。通过虚拟相机控制实现生产线设备运行参数的可视化展示，并结合碰撞检测技术允许用户自由漫游虚拟环境。监控界面以图表形式呈现数据，实现加工状态透明化。
2.3.2. 虚拟加工设备驱动
驱动模块通过数据解析脚本提取JSON格式的实时数据，映射至生产线对应接口，控制虚拟设备组件的位置、旋转与位移。驱动过程确保数字孪生模型与实际生产线状态同步。
2.3.3. 虚拟生产线运行仿真
基于粒子系统模拟茶叶在加工过程中的运动状态（如输送带上的散落形态），通过参数配置控制粒子数量、形状与生命周期。以揉捻机为例，通过父子级关系定义多机械结构运动逻辑，精确复现茶叶揉捻过程中的挤压、翻滚动作。茶叶加工关键阶段（杀青、揉捻、干燥）均通过数据驱动实现形态变化仿真。
3. 结果
3.1. 运行测试分析
通过Unity Profiler工具测试系统性能，发现初始版本存在CPU与GPU负载过高问题（渲染线程耗时达29.9 ms）。通过静态合批与GPU实例化优化DrawCall，减少Shader变体数量后，帧率（FPS）提升2.91倍，批处理次数降低27.6%，SetPass调用减少42.8%。阴影渲染值优化至156，兼顾场景真实性与运行效率。
3.2. 客户端性能测试
在常规配置计算机（Windows 10系统，Intel i5-11300H CPU，16 GB内存，MX450显卡）上连续运行1小时，系统CPU占用率约22%，内存占用1297 MB，GPU占用率约65%，满足客户端稳定运行需求。
3.3. 茶叶生产线对比测试
以同一批鲜茶叶为材料，对比实际工厂加工数据与虚拟仿真数据。结果显示，三维可视化系统输出的茶叶加工参数（如质量变化、加工温度）与实际生产数据基本一致，验证了系统对茶叶加工工艺的有效模拟能力。
4. 结论
本研究成功构建了基于数字孪生的茶叶生产线三维可视化系统，实现了加工设备与茶叶状态的实时映射。系统通过分层架构设计、PBR渲染与数据驱动仿真，提升了茶叶加工的透明度和可控性。测试表明系统在性能与数据准确性方面均达到实用要求，为农业生产智能化提供了技术案例。未来需进一步探索双向映射闭环控制、多平台适配（如WebGL、Android）及渲染精度优化，以推动茶叶加工数字化深度发展。
