生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)與開發(fā)

周光源，王　強(qiáng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥　230009)

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生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)與開發(fā)

周光源，王強(qiáng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230009)

針對制造業(yè)生產(chǎn)車間管理落后、信息滯后、可視性低等現(xiàn)狀，分析了生產(chǎn)車間可視化監(jiān)控面臨的問題，研究了生產(chǎn)車間可視化監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)，即車間信息集成技術(shù)和可視化對象模型技術(shù)(VOM)，并定義了VOM的對象數(shù)據(jù)模型、可視化表征模型和用戶交互模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能實(shí)時(shí)、動態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)過程的生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(RM-VP)，進(jìn)而詳細(xì)討論了利用該平臺構(gòu)建生產(chǎn)車間模型的方法以及平臺自身的運(yùn)行機(jī)理。最后，借助于實(shí)際項(xiàng)目將平臺應(yīng)用于某變速箱廠的裝配車間，從而驗(yàn)證了平臺的穩(wěn)定性和可靠性。

可視化；監(jiān)控平臺；生產(chǎn)車間；信息集成

0　引言

近年來，由于市場競爭的不斷加劇、企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，隨之而來的問題是生產(chǎn)車間的現(xiàn)場管理和信息傳遞跟不上生產(chǎn)節(jié)拍。當(dāng)前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)管理依舊停留在用紙質(zhì)報(bào)表人工手動記錄的階段，這種方式工作量大，效率極低，信息封閉而延遲。這種管理上的滯后不但嚴(yán)重制約了生產(chǎn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，同時(shí)給安全生產(chǎn)帶來了隱患。

可視化監(jiān)控技術(shù)(Visual Monitoring Technology，VMT)是一種改進(jìn)生產(chǎn)現(xiàn)場管理，提升生產(chǎn)車間全員工作效率的管理監(jiān)控方法。它借助于信息集成技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)等，把繁雜、冗余的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以一種直觀的方式展現(xiàn)在管理者面前，使得管理人員一目了然，大大增加了管理的便捷。

對于生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，近些年國內(nèi)外的學(xué)者們從不同角度出發(fā)進(jìn)行了研究，并取得了大量的成果。吳鋒、侯平智從用戶需求出發(fā)，研究討論了制造可視化的理論基礎(chǔ)、模型和算法、可視化渲染和交互控制以及可視化效果評估等技術(shù)[1]。孫偉、馬輝等分別采用不同方法研究了制造系統(tǒng)可視化技術(shù)的關(guān)鍵要素和開發(fā)流程[2]。尹超、張飛等針對多品種小批量機(jī)加工車間，研究了一種動態(tài)反映車間生產(chǎn)進(jìn)度、物料消耗、零件加工信息的可視化監(jiān)控技術(shù)[3]。任磊、王威信等人提出了一種模型驅(qū)動下的交互式信息可視化開發(fā)方法Daisy，并研究了其核心技術(shù)[4]。杜一、任磊在此基礎(chǔ)之上，又提出并實(shí)現(xiàn)了一個面向最終用戶的支持信息多面體可視分析的交互式可視化平臺DaisyVA[5]。高揚(yáng)、蔣增強(qiáng)等借鑒面向?qū)ο蟮乃枷?，?gòu)建車間對象的三維模型庫，并提出了基于多維向量點(diǎn)的生產(chǎn)車間可視化監(jiān)控技術(shù)[6]。Senkuviene·等人提出了一種能實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)度和設(shè)備狀態(tài)的可視化方法，使生產(chǎn)過程透明化，有利于改進(jìn)生產(chǎn)[7]。

盡管國內(nèi)外學(xué)者們在生產(chǎn)車間可視化監(jiān)控方面研究成果顯著，但目前可視化監(jiān)控技術(shù)在國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展還存在一些問題[8]。①制造過程可視化實(shí)時(shí)性不夠。②可視化表征和界面渲染技術(shù)的高效性、美觀性尚待改善。③可視化監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)可擴(kuò)展性差。④用戶交互控制性較差。

針對以上存在的問題，本文基于車間信息集成技術(shù)，建立可視化對象模型，創(chuàng)建了可視化對象模型庫，并結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)對監(jiān)控界面進(jìn)行可視化表征和可視化渲染，設(shè)計(jì)開發(fā)出一種實(shí)時(shí)、高效、具有良好的交互性和可擴(kuò)展性的生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控平臺(Real-time Monitoring of Production Workshop Visualization Platform, RM-VP)，為制造過程提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的監(jiān)測與管控。

1　平臺體系架構(gòu)

RM-VP平臺包括四層體系結(jié)構(gòu)，即物理層、數(shù)據(jù)傳輸層、功能層和用戶層。如圖1所示。

圖1　平臺體系架構(gòu)

(1)物理層是整個系統(tǒng)的硬件支撐，包括RFID、掃描槍、PLC等信息感知設(shè)備和控制設(shè)備。物理層借助于標(biāo)簽、條形碼等信息載體通過信息感知技術(shù)實(shí)時(shí)采集制造資源在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，同時(shí)將上層系統(tǒng)的用戶操作控制信號經(jīng)過各種信息轉(zhuǎn)換后得以執(zhí)行。

(2)數(shù)據(jù)傳輸層是連接物理層和功能層之間的橋梁，負(fù)責(zé)信息傳輸以及數(shù)據(jù)存儲。信息傳輸主要基于以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等，并結(jié)合OPC等技術(shù)將生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)高效、安全的傳輸?shù)缴蠈酉到y(tǒng)。

(3)功能層完成的是系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯功能。用戶根據(jù)自己的需求利用可視化對象模型庫構(gòu)建生產(chǎn)車間模型，進(jìn)而生成生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。功能層的核心是可視化對象模型(Visual Object Model, VOM)，包括對象數(shù)據(jù)模型、可視化表征模型和用戶交互模型。

(4)用戶層是平臺體系的最高層，包括企業(yè)的管理者、班組長、操作工等。用戶通過瀏覽器、客戶端、移動終端等與平臺進(jìn)行交互操作，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控與管理。

2　平臺關(guān)鍵技術(shù)

2.1信息集成技術(shù)

信息集成技術(shù)是生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺的關(guān)鍵，是平臺能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、安全運(yùn)行的保障。信息集成的過程是將生產(chǎn)過程中信息源產(chǎn)生的紛繁復(fù)雜的信息，通過信息感知技術(shù)捕獲到，再經(jīng)過信息增值、信息分類、封裝的過程，從而得到上層系統(tǒng)中所需要的目標(biāo)數(shù)據(jù)[9-10]。如圖2所示。

圖2　信息集成流程

(1)信息感知。信息感知實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是定義生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵事件。而關(guān)鍵事件是根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯和用戶需求定義的，如托盤到位、托盤離開、設(shè)備報(bào)警、物料消耗等。關(guān)鍵事件通過設(shè)備間的交互信號來觸發(fā)。與關(guān)鍵事件關(guān)聯(lián)的是多層次的子事件，關(guān)鍵事件觸發(fā)后，子事件分層遍歷執(zhí)行。在事件執(zhí)行過程中，生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)原始數(shù)據(jù)將從生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感設(shè)備捕獲得到。

(2)信息增值。將通過信息感知技術(shù)捕獲得到的原始數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)作為輸入因子，經(jīng)規(guī)則庫和運(yùn)算法則的運(yùn)算處理，便得到原始數(shù)據(jù)的增值信息。如計(jì)劃執(zhí)行進(jìn)度、產(chǎn)品合格率、產(chǎn)品返修率等。

(3)信息分類封裝與存儲。將紛繁雜亂的原始數(shù)據(jù)和增值信息按分類規(guī)則重新分類封裝，就得到了目標(biāo)數(shù)據(jù)，也就是可視化對象模型(VOM)中的數(shù)據(jù)模型。目標(biāo)數(shù)據(jù)包括信息本體屬性、信息關(guān)聯(lián)屬性以及信息時(shí)間屬性。目標(biāo)數(shù)據(jù)一方面存儲到數(shù)據(jù)庫，供以后調(diào)用和查詢；另一方面作為參數(shù)傳遞給上層可視化監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)而通過可視化表征模型以圖形的方式呈現(xiàn)到系統(tǒng)界面。

2.2可視化對象模型

可視化對象模型(VOM)是生產(chǎn)車間建模的基本單元,也就是制造資源在監(jiān)控系統(tǒng)中的映射。用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求和車間現(xiàn)場布置，使用可視化對象模型庫對生產(chǎn)車間自定義建模。平臺根據(jù)生產(chǎn)車間模型生成可運(yùn)行的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

可視化對象模型包括對象數(shù)據(jù)模型、可視化表征模型和用戶交互模型。即Object = {ObjectID, ObjData, ObjView, ObjControl}。

對象數(shù)據(jù)模型即信息集成過程中得到的目標(biāo)數(shù)據(jù)的集合，包括信息本體屬性、信息關(guān)聯(lián)屬性以及時(shí)間屬性等其他屬性，即ObjData = {DataID,DataItem1,DataItem2,…,DataRel1,DatarRel2,…, DataTime, …}；其中DataID表示數(shù)據(jù)模型的唯一標(biāo)識，DataItem表示信息本體屬性，DataRel表示信息間的關(guān)聯(lián)屬性，DataTime表示時(shí)間屬性。

可視化表征模型表示的是對象數(shù)據(jù)模型的可視化表征圖形樣式的集合，包括圖形的位置、顏色、形狀、背景圖片、大小等屬性以及圖形之間的關(guān)聯(lián)屬性，即ObjView = {ViewID, View-Loc, View-Color, View-Sharp, View-Image, View-Size,…,ObjViewRel1, ObjViewRel2,…}。其中ViewID是圖形唯一標(biāo)識，View-Loc, View-Color, View-Sharp, View-Image, View-Size表示圖形的位置、顏色、形狀、圖片、大小，ObjViewRel表示圖形之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

用戶交互模型是用戶操作的集合，包括數(shù)據(jù)模型變換、可視化表征模型變換和底層控制指令下發(fā)，可表示為ObjControl = {ControlID,DataChange,ViewChange,Command}。其中ControlID是用戶操作的唯一標(biāo)識；DataChange = { ObjDataChange1, ObjDataChange2, ObjDataChange3,… }是一系列相關(guān)對象數(shù)據(jù)模型的參數(shù)變換；ViewChange = { ObjViewChange1, ObjViewChange2, ObjViewChange3,… }是一系列相關(guān)可視化表征模型的參數(shù)變換；Command={Command1, Command2, Command3,…}是一系列相關(guān)底層控制指令的集合。

可視化對象模型的本質(zhì)是一個類，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，它通過平臺與底層的接口將生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞到對象數(shù)據(jù)模型，再通過可視化表征模型將其以可視化的形式實(shí)時(shí)地顯示到界面，同時(shí)通過用戶交互模型將用戶的操作反饋到底層以控制生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)整個平臺的實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理功能。

3　車間建模與平臺運(yùn)行

3.1生產(chǎn)車間建模

生產(chǎn)車間的建?？梢愿鶕?jù)用戶的需求及生產(chǎn)現(xiàn)場的布置自己定義，構(gòu)建的生產(chǎn)車間模型即是可視化對象模型及其之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的組合。RM-VP平臺根據(jù)用戶所建模型創(chuàng)建可運(yùn)行的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，并保存于數(shù)據(jù)庫以便隨時(shí)調(diào)用和監(jiān)控。圖3所示為以設(shè)備對象為例的生產(chǎn)車間建模流程。

Step1：從可視化對象模型庫中選擇相應(yīng)模型并將其實(shí)例化。這個過程實(shí)質(zhì)上是分別將對象數(shù)據(jù)模型、可視化表征模型、用戶交互模型實(shí)例化的過程。

Step2：建立制造資源與對象模型之間的映射關(guān)系。從數(shù)據(jù)庫中檢索出制造資源列表，選擇需要監(jiān)控的對象，并將其與第一步中建立的模型綁定。

Step3：可視化對象模型參數(shù)的初始化。初始化的過程包括：①定義對象數(shù)據(jù)模型的基本屬性、關(guān)聯(lián)屬性等；②定義可視化表征模型的初始圖形樣式、不同運(yùn)行狀態(tài)下的圖形樣式以及參數(shù)變化時(shí)的動畫顯示等；③定義用戶對對象的操作方法等。

Step4：序列化和保存。重復(fù)前三步可建立生產(chǎn)車間模型。將模型序列化后存儲于數(shù)據(jù)庫中，這樣用戶通過平臺可隨時(shí)將系統(tǒng)模型從數(shù)據(jù)庫提取并反序列化，生成可運(yùn)行的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖3　生產(chǎn)車間建模流程(以設(shè)備為例)

3.2平臺運(yùn)行流程

RM-VP平臺是在底層信息集成技術(shù)的支持下得以運(yùn)行的。一方面系統(tǒng)將生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)信息采集并呈現(xiàn)到可視化界面，另一方面和用戶進(jìn)行交互，把用戶的操作控制指令下發(fā)到底層，并將底層的反饋實(shí)時(shí)更新到界面。如圖4所示。

用戶交互操作包括用戶對可視化界面的操作，如圖形變換、信息查詢等，也包括上層系統(tǒng)的管理決策，如計(jì)劃下載、結(jié)束訂單等。這些交互操作可能只涉及到單個模型的單個子模型的參數(shù)變更，也可能涉及到多個模型的多個子模型的變化，系統(tǒng)對這些模型的變換按定義的次序依次執(zhí)行。

用戶交互操作將觸發(fā)用戶交互事件，如鼠標(biāo)事件、按鈕事件或其它自定義事件等。觸發(fā)事件過程中的有用數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理后將作為輸入?yún)?shù)，傳遞給相應(yīng)對象的用戶交互模型。用戶交互模型將其中對象數(shù)據(jù)模型變換的參數(shù)傳遞給對應(yīng)的對象數(shù)據(jù)模型，將可視化表征模型變換的參數(shù)傳遞到對應(yīng)的可視化表征模型，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控界面對用戶操作的實(shí)時(shí)響應(yīng)。用戶交互模型還負(fù)責(zé)將用戶控制指令和相應(yīng)信息通過OPC、以太網(wǎng)等下發(fā)到底層，底層通過傳感設(shè)備來控制生產(chǎn)。用戶對底層生產(chǎn)過程的控制會引起生產(chǎn)過程的變化或制造資源的變化，加上傳感設(shè)備對控制信號的反饋信號，以及生產(chǎn)過程中其它的實(shí)時(shí)更新的信息，這些信息經(jīng)過信息集成模塊的集成、分類，作為輸入?yún)?shù)傳遞給相應(yīng)的對象數(shù)據(jù)模型。對應(yīng)規(guī)則庫存儲的是對象數(shù)據(jù)模型和可視化表征圖形間的對應(yīng)關(guān)系。對象數(shù)據(jù)模型通過調(diào)用對應(yīng)規(guī)則庫解析為可視化表征模型?？梢暬碚髂Ｐ驼{(diào)用圖形類庫、繪圖方法類庫和圖形渲染類庫等將對象模型繪制輸出到監(jiān)控界面，以完成制造資源在系統(tǒng)中的可視化表征。

圖4　平臺運(yùn)行流程

4　平臺應(yīng)用實(shí)例

依據(jù)上文所提可視化對象模型，筆者所在課題組基于.NET平臺，利用C#語言和GDI+圖形設(shè)備接口技術(shù)，開發(fā)了生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺和可視化對象模型庫，并以某自動變速箱廠與課題組合作項(xiàng)目為例，將平臺在實(shí)際生產(chǎn)管理中得以應(yīng)用。

項(xiàng)目實(shí)踐證明了生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間的快速建模，生成的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)信息集成、可視化呈現(xiàn)和用戶反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間的可視化監(jiān)控。目前，系統(tǒng)已經(jīng)在企業(yè)中成功應(yīng)用，并取得良好的應(yīng)用效果，給企業(yè)生產(chǎn)管理帶來便捷。圖5是系統(tǒng)運(yùn)行的部分截圖。

圖5　系統(tǒng)應(yīng)用

5　總結(jié)

本文針對國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)車間管理落后、信息封閉的現(xiàn)狀，分析研究了生產(chǎn)車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)。在搜集、分析了大量國內(nèi)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控平臺，并且研究了 用于平臺底層數(shù)據(jù)采集的信息集成技術(shù)和平臺運(yùn)行的核心——可視化對象模型。文章還詳細(xì)分析了可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺的建模流程和運(yùn)行流程，最后以某自動變速箱廠為例，將平臺和系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)管理中，并取得了良好的應(yīng)用效果，同時(shí)也驗(yàn)證了技術(shù)的可行性。

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(編輯李秀敏)

Design and Development of Visual Real-time Monitoring Platform for Workshops

ZHOU Guang-yuan, WANG Qiang

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Manufacturing workshops have backward management, lag information and low monitoring visuality. Aiming at this situation, the problems faced by the workshop visual monitoring were analyzed, the two key technologies of workshop visual monitoring were studied, namely workshop information integration technology and visual object model technology(VOM). Further, the data model, the visualization model and the operation model of VOM are proposed and defined. Based on this, a real-time monitoring of production workshop visualization platform (RM-VP) is designed and developed, which can dynamically monitor the production process in real time. Furthermore, the method to configure the workshop model and the operation mode of this platform were discussed in detail. Finally, relying on a concrete project, the platform was applied to an assembly workshop of transmission factory, and the result proved the stability and reliability of the platform.

visualization;monitoring platform;workshop; information integration

1001-2265(2015)11-0145-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.040

2015-01-14；

2015-01-27

周光源(1990—)，男，安徽安慶人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橹圃爝^程監(jiān)測與控制，(E-mail)zhougy1990@126.com。

TH122；TG506

A