轉(zhuǎn)向架線束智能測(cè)試管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龐世俊 姜良奎 林藍(lán) 張恒志 張彥偉 王文齊

摘 要：轉(zhuǎn)向架線束測(cè)試是對(duì)轉(zhuǎn)向架中電氣傳感器的接線部件進(jìn)行測(cè)試，是保障人車安全的重要生產(chǎn)活動(dòng)。目前的人工測(cè)試方式效率較低，測(cè)試過程難以直觀掌控，紙質(zhì)測(cè)試結(jié)果也不便于展示和統(tǒng)計(jì);故改用自動(dòng)測(cè)試的方式，快速生成數(shù)字化的測(cè)試結(jié)果;這就需要智能測(cè)試管理系統(tǒng)，來規(guī)劃管理新的自動(dòng)測(cè)試過程，設(shè)計(jì)人機(jī)交互及設(shè)備通訊細(xì)節(jié)，將紙質(zhì)的工藝信息轉(zhuǎn)為有效的自動(dòng)測(cè)試模板，維護(hù)相關(guān)基礎(chǔ)信息，并將設(shè)備協(xié)作的自動(dòng)測(cè)試過程和對(duì)線束的實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果同步投射在數(shù)字環(huán)境里，建立工作工位所有設(shè)備的數(shù)字化映射，可通過大屏瀏覽器方便地查看當(dāng)前自動(dòng)測(cè)試過程和結(jié)果。

關(guān)鍵詞：智能測(cè)試管理系統(tǒng);自動(dòng)測(cè)試過程;結(jié)構(gòu)化;數(shù)字化映射

1 引言

轉(zhuǎn)向架線束完整性測(cè)試是轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)重要工作，在安裝設(shè)備前，必須對(duì)線束的導(dǎo)通、絕緣、耐壓、電阻指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，以保證轉(zhuǎn)向架各傳感器功能正常，以免為列車行車安全留下隱患。目前人工測(cè)試方式效率低，穩(wěn)定性不強(qiáng)，并產(chǎn)生大量的非數(shù)字化字符信息，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)線束智能測(cè)試管理系統(tǒng)，將紙質(zhì)工藝文件和人工工作流程轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的電測(cè)設(shè)備可以識(shí)別的準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，規(guī)劃自動(dòng)測(cè)試過程，在恰當(dāng)節(jié)點(diǎn)收集設(shè)備數(shù)據(jù)、處理測(cè)試信息、轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果，將整個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)映射到虛擬環(huán)境中，通過瀏覽器方便快捷地向用戶展示測(cè)試過程實(shí)時(shí)動(dòng)畫、測(cè)試結(jié)果示意圖和測(cè)試結(jié)果詳情，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程的自動(dòng)、可視和結(jié)果的可觀，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架測(cè)試環(huán)節(jié)的數(shù)字化生產(chǎn)。

2 功能分析

2.1 人機(jī)交互的測(cè)試流程

考慮了人工觀察部分與自動(dòng)電測(cè)部分的分離與避免來回重復(fù)操作的優(yōu)化后，得到的測(cè)試流程如圖1所示。這個(gè)過程分成了遠(yuǎn)程的信息維護(hù)和測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的操作兩部分，可以為不同終端設(shè)置不同類型的操作界面，這個(gè)過程包含了計(jì)算機(jī)網(wǎng)、傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，需要將電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)結(jié)合考慮。其中有兩個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的地方，一個(gè)遠(yuǎn)程信息維護(hù)的準(zhǔn)確性，尤其是工藝的完整輸入、存儲(chǔ)及適時(shí)準(zhǔn)確地傳達(dá)到測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。另一個(gè)是測(cè)試過程中操作人員與機(jī)器人的交互，要保證現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)通訊的順暢，以及足夠多的提示和機(jī)器人等狀態(tài)的感知。

2.2 角色劃分

由上文規(guī)劃出的流程可以知道，系統(tǒng)至少要分成兩類用戶，一類是遠(yuǎn)程維護(hù)各類信息的用戶，另一類是現(xiàn)場(chǎng)操作的用戶。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需要根據(jù)轉(zhuǎn)向架類型得知其連接器的類型，再根據(jù)連接器類型得知工裝上卡具的類型以及自動(dòng)插接測(cè)試需要的機(jī)器人測(cè)試插頭的類型，故基礎(chǔ)信息的維護(hù)中，除了需要完整的工藝信息外，還需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向架類型、工裝卡具類型、連接器類型及關(guān)聯(lián)關(guān)系，保有這些信息的工單才是一個(gè)可執(zhí)行的工單。另外為了設(shè)備的識(shí)別、順暢交互與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，還需要維護(hù)基本的工位信息和設(shè)備信息。由此分析得到基礎(chǔ)信息維護(hù)人員用例如圖2。

在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的操作人員，需要看到自己要執(zhí)行的工單的基本情況，使用機(jī)器人操作按鈕，查看所在工位內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)，查看和寫入自動(dòng)測(cè)試之外的測(cè)試項(xiàng)的測(cè)試結(jié)果如外觀有無破損，查看連接器與卡具的對(duì)應(yīng)關(guān)系來固定連接器，查看自動(dòng)測(cè)試結(jié)果，確認(rèn)完成工單等。現(xiàn)場(chǎng)操作人員用例如圖2。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能模塊

在操作流程和角色用例的基礎(chǔ)上，劃分了系統(tǒng)的功能模塊。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的操作人員需要識(shí)別要測(cè)試的轉(zhuǎn)向架，于是規(guī)劃了在轉(zhuǎn)向架上貼芯片、手持設(shè)備通過NFC掃描芯片得到轉(zhuǎn)向架信息、與管理系統(tǒng)對(duì)比并接受工單的功能，這樣的識(shí)別轉(zhuǎn)向架、自動(dòng)尋找工單并改變工單狀態(tài)的方式避免了人工接受工單時(shí)可能導(dǎo)致的失誤等等，與數(shù)據(jù)和信息的結(jié)合也更緊密。整體功能模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖4所示。主機(jī)可以通過防火墻訪問服務(wù)器提供的智能測(cè)試管理系統(tǒng)后臺(tái)頁面，維護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，查看設(shè)備狀態(tài)和任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)。服務(wù)器布置在局域網(wǎng)內(nèi)，局域網(wǎng)的每個(gè)工位內(nèi)，還有現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用的觸屏終端、機(jī)器人控制器、與電測(cè)箱通訊的控制機(jī)等。

觸屏終端通過主網(wǎng)關(guān)，一方面與服務(wù)器通訊，查詢測(cè)試任務(wù)，上傳測(cè)試結(jié)果，另一方面與機(jī)器人控制器和電測(cè)設(shè)備控制機(jī)通訊，獲得設(shè)備狀態(tài)，下達(dá)操作指令，再把收到的設(shè)備狀態(tài)同步到服務(wù)器。在每個(gè)工位上，另有四個(gè)攝像頭監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)狀況，大屏展示測(cè)試狀態(tài)與結(jié)果、機(jī)器人動(dòng)作、攝像信息等，用戶可以通過大屏看到對(duì)應(yīng)工位的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，為人員安全提供保障。局域網(wǎng)內(nèi)也有路由器提供無線網(wǎng)絡(luò)，如上文所述需要手持設(shè)備掃描獲得轉(zhuǎn)向架信息來接收工單，準(zhǔn)確開啟測(cè)試任務(wù)，手持設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器，更新工單狀態(tài)。手機(jī)通過現(xiàn)場(chǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)可以掃描識(shí)別圖，形象查看測(cè)試狀態(tài)和測(cè)試結(jié)果。

3.3 層次結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)分為四層結(jié)構(gòu)。邊緣系統(tǒng)從物理世界通過超高頻天線、紅外位置傳感器、機(jī)器人控制傳感器、溫濕度傳感器、電測(cè)信號(hào)、攝像頭等采集RIFD標(biāo)簽信息、環(huán)境信息和位置信息等，完成數(shù)據(jù)采集、處理和匯聚等功能，同時(shí)進(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的通信和控制管理，將物理實(shí)體和模擬信號(hào)傳遞出來，經(jīng)過機(jī)器人控制器和控制機(jī)及采集程序的解析，傳輸各種消息。IaaS層為服務(wù)器、存儲(chǔ)器物理底層，保障了服務(wù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的能力。PaaS層由ThingWorx提供建模方法和微服務(wù)，建立機(jī)器人、電測(cè)設(shè)備、工位等物理實(shí)物的數(shù)字化映射，向SaaS層的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和服務(wù)訪問能力。SaaS層在多種形式的設(shè)備上建立了面向業(yè)務(wù)的后臺(tái)管理、操作執(zhí)行、大屏展示、掃描和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能。其中邊緣層的各種設(shè)備和設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸程序依設(shè)備定制安全措施，服務(wù)端的層次采用標(biāo)準(zhǔn)化方式來維持安全。

3.4 測(cè)試過程數(shù)字化映射

在工位顯示大屏上，部署瀏覽器來完整顯示虛擬三維環(huán)境中重建的高度精細(xì)工位模型，包括轉(zhuǎn)向架、機(jī)器人、工裝和各種機(jī)柜，把測(cè)試過程中整個(gè)工位的情況，包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和對(duì)工裝的抓取、移動(dòng)、固定，動(dòng)態(tài)地顯示出來，讓人們能夠通過屏幕，方便安全地查看測(cè)試過程中機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行，提高測(cè)試工作的安全與效率，發(fā)現(xiàn)測(cè)試過程中可能的潛在問題。

測(cè)試工位在虛擬環(huán)境的數(shù)字化映射的實(shí)現(xiàn)，由位置傳感器組采集工裝位置，由機(jī)器人控制器得到機(jī)器人關(guān)鍵位置信息，通過工位觸屏終端后臺(tái)程序的解析，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)主動(dòng)上傳至服務(wù)器上對(duì)應(yīng)工位和機(jī)器人的Thing模型中;服務(wù)器上構(gòu)建并存儲(chǔ)整個(gè)工位在模擬環(huán)境的三維模型，當(dāng)Thing模型的屬性變化時(shí)，模型支持服務(wù)能及時(shí)感知并演算，使虛擬環(huán)境下的三維模型隨著這些屬性進(jìn)行變化，即數(shù)字雙胞胎;隨工位狀態(tài)變化的動(dòng)態(tài)三維模型，即工位的數(shù)字雙胞胎，隨智能測(cè)試管理系統(tǒng)生成的安全鏈接和權(quán)限憑證體系投射在工位上的大屏顯示器上。數(shù)據(jù)交互簡(jiǎn)要過程如圖6所示，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)優(yōu)先保持指令信息的可用性，再盡量提供完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字雙胞胎的映射。

4 結(jié)語

根據(jù)轉(zhuǎn)向架線束測(cè)試的需要和目前人工測(cè)試的情況，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架線束智能測(cè)試管理系統(tǒng)。經(jīng)過測(cè)試，這個(gè)系統(tǒng)支持完整的測(cè)試過程，用戶可以靈活地新建編輯轉(zhuǎn)向架類型、工裝、連接器、設(shè)備、工藝、測(cè)試任務(wù)等多項(xiàng)信息，可以把現(xiàn)有的工藝通過圖形界面添加或電子表格導(dǎo)入到系統(tǒng)中，可以啟動(dòng)完整的智能測(cè)試并查看測(cè)試過程的各種信息和結(jié)果，系統(tǒng)構(gòu)建的工位及設(shè)備的數(shù)字化映射完整展現(xiàn)了工位當(dāng)前實(shí)際測(cè)試情況和設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架線束測(cè)試的數(shù)字化生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]方濱興.構(gòu)建多層次工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全保障體系的思考[J].網(wǎng)信軍民融合，2018，（2）：10-12.

[2]楊震，劉賢剛，范科峰.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全參考模型國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案研究[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2018，（5）：32-35.

[3]熊文澤.智能工廠/數(shù)字化車間安全一體化模型概述[J].中國(guó)儀器儀表，2018，（4）：21-27.