面向離散車間生產過程的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)研究

馮俊，唐敦兵，朱海華，宋家燁，聶慶偉

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著新一輪科技產業(yè)的變革和技術的發(fā)展，車間生產系統(tǒng)復雜程度提高，智能設備逐漸增多，系統(tǒng)結構更加復雜。在傳統(tǒng)的監(jiān)控方式中，管理人員對車間底層生產狀況的監(jiān)控力度不夠，無法滿足車間發(fā)展需求，這對車間生產過程的監(jiān)控提出了新的要求。三維可視化監(jiān)控技術作為智能制造中的一個重要技術，越來越受到人們的重視。

近年來，國內外眾多學者開始投入到對新的車間監(jiān)控技術的研究中。文獻[1]針對機加車間設備故障維護響應滯后的問題，研究了基于 Open TK 圖形接口庫和 Visual Studio 編程軟件的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。文獻[2]研究了數(shù)字化車間與三維可視化實時監(jiān)控之間的關系，提出了實時數(shù)據(jù)驅動的虛擬車間運行模式和多層次的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。文獻[3]針對發(fā)動機裝配車間，構建了一種面向發(fā)動機裝配過程的可視化監(jiān)測與控制系統(tǒng)；文獻[4]在分析生產過程模型和數(shù)據(jù)類型的基礎上,設計開發(fā)了一種面向生產過程的實時監(jiān)控系統(tǒng)?？傊?，國內外對車間監(jiān)控技術做了許多研究，也取得了一定的成果。但是，這些研究中系統(tǒng)面向對象較為局限，開發(fā)環(huán)境要求較高，不具備普遍適用性。同時，系統(tǒng)動態(tài)過程的實時性欠缺，交互性差，且主要用于生產線仿真或只專注于產品3D展示。目前離散車間缺乏實時透明化的管控，迫切需要建設一套面向離散車間的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。

因此，本文結合監(jiān)控Agent客戶端構建技術、實時信息數(shù)據(jù)處理技術和全參數(shù)虛擬車間建模技術，研究設計一種面向離散車間生產過程的三維可視化監(jiān)控仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠以鏡像方式體現(xiàn)車間的生產過程的原貌，滿足管理人員對車間各狀態(tài)信息快速獲取的需求。該系統(tǒng)還可以對車間進行故障預測，并給出優(yōu)化反饋與控制決策。

1 監(jiān)控系統(tǒng)體系架構

生產車間是一個多技術并存的復雜組織體。針對離散車間實際情況，本文首先設計了實時三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)的體系架構。該體系結構從下到上依次為感知層、接入層、網(wǎng)絡層、支撐層和應用層。設計的體系結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的體系架構

1)感知層：感知層位于監(jiān)控系統(tǒng)的底層，它包括各種加工機床、機械手、AGV、自動倉儲單元、車間人員、各種傳感器設備和RFID射頻識別系統(tǒng)等，主要功能是直接采集車間內動態(tài)變化的實時物理狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給該區(qū)域內的工控機或直接控制車間設備的運行。

2)接入層：接入層直接面向底層設備連接或訪問，建立在各個工控機中的監(jiān)控Agent客戶端，其作用是將感知層采集到的車間數(shù)據(jù)信息打包并發(fā)送至服務器端。

3)網(wǎng)絡層：采用開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信模型(OSI)建立車間局域網(wǎng)，負責系統(tǒng)內的信息傳輸，使不同的設備系統(tǒng)之間實現(xiàn)了高可靠性、高安全性和無障礙的通信，是數(shù)據(jù)和信息共享的基礎。

4)支撐層：支撐層是一個信息的集成環(huán)境，將多源的信息與數(shù)據(jù)整合，通過數(shù)據(jù)分析與處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的結構化、規(guī)范化，提高數(shù)據(jù)資源的利用率。

5)應用層：應用層位于監(jiān)控系統(tǒng)的頂層，由分析部分、顯示部分、控制部分和監(jiān)控對象組成。對車間內獲取的數(shù)據(jù)信息進行分類和分析處理，將數(shù)據(jù)信息分別用作可視化顯示、分析存儲和虛擬車間驅動等，極大地提高了系統(tǒng)的可視性和車間的可管理性。

2 監(jiān)控系統(tǒng)運行模式

根據(jù)離散車間生產過程三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求，在系統(tǒng)體系架構確立的基礎上，建立監(jiān)控系統(tǒng)的運行模式如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的運行模式

具體步驟為：

步驟1 通過底層車間的各個設備系統(tǒng)、各個傳感器及RFID射頻識別系統(tǒng)等，進行車間狀態(tài)和各類信息的采集；

步驟2 在各設備單元所對應的工控機中建立監(jiān)控Agent客戶端，通過監(jiān)控Agent對車間各類數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)一格式化打包；

步驟3 建立車間實時數(shù)據(jù)庫，通過車間多智能體局域網(wǎng)，將車間信息實時發(fā)送至車間實時數(shù)據(jù)庫中，并對數(shù)據(jù)進行分析處理；

步驟4 在Unity3D平臺上編寫數(shù)據(jù)庫連接和數(shù)據(jù)讀取腳本，實時讀取數(shù)據(jù)庫中的最新數(shù)據(jù)信息，保證與車間數(shù)據(jù)狀態(tài)的實時同步；

步驟5 對模型驅動信息進行處理，再傳遞給Unity3D場景，驅動虛擬車間進行生產過程實時映射；

步驟6 將非模型驅動信息傳遞給Unity3D的信息顯示組件，利用文字和二維圖表將信息直觀地顯示出來；

步驟7 通過虛擬車間發(fā)出的優(yōu)化控制指令信息，并存儲在實時數(shù)據(jù)庫中；

步驟8 利用車間監(jiān)控Agent客戶端實時讀取數(shù)據(jù)庫優(yōu)化控制指令，并轉化成車間設備能夠識別的指令格式，控制車間內設備執(zhí)行相應優(yōu)化動作。

至此，基本完成了監(jiān)控系統(tǒng)的內核構建。

車間管理人員可通過三維可視化車間顯示界面點擊相應設備模型，進行相關信息的查看和生產過程的監(jiān)控，或進行簡單的故障處理，結合動態(tài)系統(tǒng)的故障預測方法，對系統(tǒng)做出故障預測，然后調整車間內的生產資源，從而形成優(yōu)化控制決策。

3 關鍵技術

通過上述監(jiān)控系統(tǒng)運行模式的分析，需要進一步對生產過程的實時數(shù)據(jù)和虛擬車間模型進行有效處理管控。本文構建了監(jiān)控Agent，研究了多源異構要素信息感知集成和數(shù)據(jù)處理技術，實現(xiàn)了全參數(shù)虛擬車間建模。

3.1 監(jiān)控Agent客戶端構建

本文針對監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的Agent統(tǒng)一命名為監(jiān)控Agent，是一種具有特定功能的軟件和硬件組成的實體。根據(jù)離散車間生產過程的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求，構建的監(jiān)控Agent客戶端結構如圖3所示。

圖3 監(jiān)控Agent客戶端結構

該監(jiān)控Agent客戶端由通信、決策、控制和感知4個部分組成。通信部分與車間多智能體局域網(wǎng)相連接，負責實時發(fā)送車間信息和接收優(yōu)化控制指令。感知部分與感知層相連接，負責車間狀態(tài)信息的實時感知集成。決策部分是監(jiān)控Agent的中央處理單元，一方面負責車間信息數(shù)據(jù)格式轉化打包，發(fā)送給上位監(jiān)控服務器端；另一方面負責接受優(yōu)化控制指令，并解析成對應設備可識別的數(shù)據(jù)形式?？刂撇糠峙c底層執(zhí)行設備相連接，負責接收來自決策部分的控制指令，同時驅動對應的執(zhí)行設備。

3.2 多源異構生產要素信息感知集成技術

離散車間底層設備種類繁多，生產環(huán)境復雜，不同設備使用不同的設備接口及通信協(xié)議，各領域數(shù)據(jù)信息的描述采用不同的結構及不同的語義格式，這樣就使信息共享和感知集成變得異常復雜。為了實現(xiàn)對車間層全要素信息感知和信息集成，本文針對車間層多源異構要素信息設計的感知集成模型如圖4所示。

圖4 多源異構生產要素信息感知集成模型

多源異構的生產要素信息感知集成技術主要包括車間數(shù)據(jù)源層、感知技術層、數(shù)據(jù)打包層和信息集合層4個層次。車間生產過程的感知對象包括設備狀態(tài)、車間環(huán)境、訂單信息等。感知以設備單元和制造過程為主線，包括狀態(tài)、位置和制造質量的感知[5]。通過二維碼、RFID、工控機、UWB定位系統(tǒng)、PLC和傳感器，實時獲取各種狀態(tài)信息。

數(shù)據(jù)打包層中，監(jiān)控Agent客戶端起到對異構數(shù)據(jù)源關系模式的翻譯作用，位于異構數(shù)據(jù)源和信息集合層之間。由于系統(tǒng)是面向多源異構型的信息源，各個信息源數(shù)據(jù)都有自身的特點，沒有一個穩(wěn)定的模式且包含一些非結構化的和半結構化的數(shù)據(jù)。為了對各個信息源進行統(tǒng)一的處理，利用Json格式數(shù)據(jù)流作為信息數(shù)據(jù)打包及存儲的統(tǒng)一模型。

信息集合層的核心是實時數(shù)據(jù)庫，負責接收來自各個監(jiān)控Agent客戶端打包發(fā)送的Json格式數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析和預處理后分類存儲。集成系統(tǒng)為用戶及監(jiān)控界面提供統(tǒng)一的接口進行數(shù)據(jù)訪問，負責接收來自用戶及監(jiān)控界面的全局訪問請求，對實時數(shù)據(jù)庫所對應的數(shù)據(jù)進行訪問，最后將用戶需要的數(shù)據(jù)返回給用戶。

3.3 實時信息數(shù)據(jù)處理技術

監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可分為車間要素信息和虛擬車間數(shù)據(jù)。車間要素信息主要包括設備、環(huán)境、訂單、物料和人員等數(shù)據(jù)。虛擬車間數(shù)據(jù)主要包括故障預測和優(yōu)化決策數(shù)據(jù)。這些實時數(shù)據(jù)在傳輸過程中經(jīng)常存在冗余、缺失、偏離等問題。該系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、數(shù)據(jù)融合3個步驟，如圖5所示。

圖5 實時信息數(shù)據(jù)處理流程圖

數(shù)據(jù)預處理包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)結構化和初級聚類，通過這些預處理操作能夠消除原始數(shù)據(jù)中的冗余與噪聲，得到準確一致的預處理數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析與挖掘過程中，面向目標數(shù)據(jù)進行頻繁模式挖掘、分類、高級聚類和異常檢測。在預處理和分析、挖掘的基礎上，從數(shù)據(jù)級、特征級和決策級進行多層次的數(shù)據(jù)融合，進而提高了數(shù)據(jù)的質量。

3.4 全參數(shù)虛擬車間建模

通過分析離散車間各個要素單元，建立高精度的車間要素模型，包括三維模型、物理關系模型和工作流模型等。利用基于統(tǒng)一建模語言(UML)等信息建模方法，建立車間信息模型[6]。然后，將信息模型與要素模型進行關聯(lián)，實現(xiàn)車間運行信息的同步，為車間狀態(tài)的三維監(jiān)控提供基礎環(huán)境。

全參數(shù)化虛擬建模的實現(xiàn)過程包括4個步驟：車間系統(tǒng)分析、信息模型構建、要素模型構建和模型融合，如圖6所示。

圖6 全參數(shù)虛擬車間建模步驟

步驟1：車間系統(tǒng)分析。對車間組成進行多維分析，將車間系統(tǒng)細分為車間布局、生產資源、生產環(huán)境子系統(tǒng)。在此基礎上，分析了建模對象內部設備、人員、物料等信息，確定了各對象的屬性及其相互關系。

步驟2：信息模型的構建。分析信息對象的數(shù)據(jù)結構及其之間的相互關系，根據(jù)全參數(shù)化建模方法，定義信息的表達形式，建立對象的元模型。然后對同一層的子模型進行一致性檢驗，將低層子模型集成到高層領域信息模型中。最后，實現(xiàn)了全局信息模型。

步驟3：要素模型的構建。在監(jiān)控系統(tǒng)中，定義了引起物理變化的實體狀態(tài)、活動和事件，以流程為主線，建立實體模型行為邏輯。

步驟4：模型融合。為了確保多層次模型間的正確關系，需要將全參數(shù)化的信息模型和高精度的要素模型結合起來，用以檢查最終模型的準確性和一致性。

4 應用實例

為了驗證本文所提方法的可行性，基于某離散實驗車間，結合C#編程，建立了面向其生產過程的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。圖7為某一時刻，該系統(tǒng)實際運行的監(jiān)控界面。該系統(tǒng)包括訂單管理、設備狀態(tài)顯示、物料信息顯示、工件狀態(tài)跟蹤、故障預測與優(yōu)化控制等功能。

圖7 系統(tǒng)實例運行狀態(tài)圖

以車間中數(shù)控銑床工作任務為例。銑床所需實時監(jiān)控的對象，最主要的包括主軸轉速、刀具狀態(tài)、加工時間以及機床報警等信息。根據(jù)建立機床的動作序列，從機床系統(tǒng)內部獲取其狀態(tài)信息以及確定是否繼續(xù)下一步運動的信號數(shù)據(jù)。利用傳感器采集到的銑床其他狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過銑床的監(jiān)控Agent客戶端將上述特征數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一格式的打包，經(jīng)由車間局域網(wǎng)實時發(fā)送給服務器端。服務器利用腳本程序對數(shù)據(jù)包進行解析，將解析后的數(shù)據(jù)存儲到實時數(shù)據(jù)庫。用戶3D可視化監(jiān)控軟件通過監(jiān)聽線程腳本，實時監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫更新狀態(tài)，從而獲取銑床實時狀態(tài)信息，并在監(jiān)控系統(tǒng)的虛擬車間中實時映射。除去實時動態(tài)特征數(shù)據(jù)外，系統(tǒng)還會對銑床的其他狀態(tài)數(shù)據(jù)進行存儲分析處理。例如銑床的重要部件溫度，對其數(shù)據(jù)庫溫度信息進行數(shù)據(jù)分析，預測該銑床的重要部件溫度是否會突破極限值，在一定的合理誤差內，判斷銑床需要提前冷卻的時間點，以保證車間的穩(wěn)定運行，從而達到故障預測的效果。

5 結語

本文針對傳統(tǒng)車間監(jiān)控方式落后、信息獲取方式單一、可視化程度低以及信息交互不夠及時的問題，研究、設計了面向離散車間生產過程的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。在確立系統(tǒng)體系架構的基礎上，提出基于實時信息交互的系統(tǒng)運行模式。通過多源異構生產要素信息集成技術和實時數(shù)據(jù)處理技術，結合系統(tǒng)監(jiān)控Agent,實現(xiàn)系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)交互流通與處理應用。利用全參數(shù)虛擬車間建模方式，構建了虛擬車間環(huán)境，實現(xiàn)了直觀全面的車間狀態(tài)和信息可視化。最后通過實驗室離散車間案例，驗證了所提系統(tǒng)的有效性和實用性。