智慧工廠(chǎng)綜合管理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

張志強(qiáng)，胡山鷹，胡雪瑤，關(guān)艷玲，賈盛舉（清華大學(xué)化工系，北京 00084；北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 0009；北京四維遠(yuǎn)見(jiàn)信息技術(shù)有限公司，北京 00070）

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智慧工廠(chǎng)綜合管理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

張志強(qiáng)1，胡山鷹1，胡雪瑤2，關(guān)艷玲3，賈盛舉3
（1清華大學(xué)化工系，北京 100084；2北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029；3北京四維遠(yuǎn)見(jiàn)信息技術(shù)有限公司，北京 100070）

摘要：國(guó)內(nèi)智慧工廠(chǎng)尚未形成合理的理論體系和操作模式，如何高效、直觀(guān)、迅速地整合企業(yè)所有信息資源，進(jìn)行輔助智能決策是管理者面臨的主要問(wèn)題。本文從虛擬現(xiàn)實(shí)這一建立智慧工廠(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)手段出發(fā)，分析了其在化工行業(yè)各類(lèi)工廠(chǎng)建模中的難點(diǎn)和問(wèn)題，運(yùn)用三維地理信息建模、激光點(diǎn)云掃描、360度全景影像等方法，結(jié)合可視化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了主要應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)的智慧工廠(chǎng)綜合管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備交互瀏覽、可視化信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)安防監(jiān)控和預(yù)警預(yù)報(bào)、環(huán)境排污實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)流程和設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、地下管網(wǎng)管理和安全防護(hù)等功能，在企業(yè)取得了良好的應(yīng)用效果，為國(guó)內(nèi)智慧工廠(chǎng)如何建立提供了一種全新的解決思路。

關(guān)鍵詞：智慧工廠(chǎng)；虛擬現(xiàn)實(shí)；可視化

第一作者：張志強(qiáng)（1984—），男，博士，助理研究員。E-mail zhangzq795 @mail.tsinghua.edu.cn。聯(lián)系人：胡山鷹，教授。E-mail hxr-dce@tsinghua. edu.cn。

由于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新型信息技術(shù)的涌現(xiàn)和跨越式發(fā)展，伴隨近年來(lái)我國(guó)創(chuàng)建智慧城市取得一定進(jìn)展，“智慧”這一概念開(kāi)始逐步滲透到工業(yè)領(lǐng)域，由德國(guó)主導(dǎo)的“工業(yè)4.0”[1]影響日益擴(kuò)大，進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)工業(yè)園區(qū)和工業(yè)企業(yè)智慧化的進(jìn)程。智慧工廠(chǎng)多種多樣的發(fā)展概念、模式、路徑、方法開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)，加速了我國(guó)工業(yè)化、信息化進(jìn)程，促進(jìn)工業(yè)企業(yè)開(kāi)始向智能化、智慧化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。

一般來(lái)說(shuō)，“智慧工廠(chǎng)”延伸和延續(xù)了IBM提出的“智慧城市”的概念，該概念已經(jīng)在國(guó)際國(guó)內(nèi)被廣泛接受。德國(guó)政府在《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》計(jì)劃中提出“工業(yè)4.0”作為未來(lái)十大項(xiàng)目之一；美國(guó)通用電氣（GE）公司提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念；中國(guó)科技自動(dòng)化聯(lián)盟提出“智慧工廠(chǎng)1.0”概念。無(wú)論以上哪種概念，都旨在利用新興技術(shù)，推動(dòng)工業(yè)智能化發(fā)展。

智慧的園區(qū)和企業(yè)兩者是在不同的宏觀(guān)尺度上我國(guó)工業(yè)的主要載體，其核心在于“智慧”，它基于數(shù)字化、自動(dòng)化，但高于數(shù)字化和自動(dòng)化，主要是利用各種信息化技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)一定尺度范圍內(nèi)應(yīng)用對(duì)象全面自主、自動(dòng)、自適應(yīng)、自決策，一定程度上盡可能取代人在多個(gè)環(huán)節(jié)的作用，徹底解放勞動(dòng)力。這將成為我國(guó)未來(lái)工業(yè)發(fā)展的新模式。

在這樣的大背景下，如何從理念、從務(wù)虛的概念設(shè)計(jì)層面轉(zhuǎn)向具體的方法實(shí)施層面，并實(shí)現(xiàn)切實(shí)應(yīng)用就顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)目前還尚處于探索階段，尚未形成較為完整的理論體系和操作模式。一方面是因?yàn)榧夹g(shù)和非技術(shù)層面都存在一些不可忽視的問(wèn)題亟待解決。在技術(shù)層面上，如海量數(shù)據(jù)壓縮處理和傳輸速度仍然存在一定問(wèn)題；信息物理系統(tǒng)（cyber physical systems，簡(jiǎn)稱(chēng)CPS）還沒(méi)發(fā)展到使人們身邊的各種物體具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自組織功能；機(jī)器與機(jī)器之間的通信（machine to machine）、機(jī)器與人的協(xié)同以及機(jī)器的自校正子配置還有很多問(wèn)題。非技術(shù)層面上，存在如通信和數(shù)據(jù)格式等不統(tǒng)一、實(shí)施部門(mén)不統(tǒng)一、上下游供應(yīng)鏈難以對(duì)接等等問(wèn)題。另一方面因?yàn)椤爸腔邸痹诓煌念I(lǐng)域、不同的角度理解的內(nèi)涵均有所不同，“智慧”的建立是一個(gè)多學(xué)科交叉融合、多尺度層面貫穿、多目標(biāo)綜合決策的復(fù)雜問(wèn)題，如何抓住主要矛盾化繁為簡(jiǎn)，還需要不斷的研究和探索。

智慧工廠(chǎng)的建立要求將整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)所有的資源、信息、物事、人和對(duì)這一切的服務(wù)全部互聯(lián)，內(nèi)部互聯(lián)的同時(shí)還要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)外部互聯(lián)，最終達(dá)到現(xiàn)在一千人管理的工廠(chǎng)未來(lái)由一百人管理，甚至“無(wú)人”管理。其中最為核心的技術(shù)主要包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，簡(jiǎn)稱(chēng)MES）、CPS、虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合三類(lèi)[2]。本文由化工園區(qū)和化工企業(yè)管理運(yùn)營(yíng)的角度出發(fā)，主要從虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合這一角度，針對(duì)智慧園區(qū)內(nèi)智慧工廠(chǎng)建立過(guò)程中存在的主要問(wèn)題進(jìn)行分析，運(yùn)用地理信息三維建模、激光點(diǎn)云成像、360度場(chǎng)景建模和一些基于物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)方法，開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)了一套直觀(guān)可視、決策迅速、未來(lái)應(yīng)用前景廣泛的智慧工廠(chǎng)綜合管理系統(tǒng)，并得到良好應(yīng)用示范。

1　化工行業(yè)工廠(chǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)建模難點(diǎn)分析

過(guò)去智慧工廠(chǎng)的雛形是三維數(shù)字化工廠(chǎng)的建立，主要采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)陸續(xù)出現(xiàn)了一些應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、工程數(shù)字化移交、企業(yè)培訓(xùn)的三維數(shù)字化平臺(tái)[3]，如美國(guó)INGTERGRAPH公司的SMART-PLANT 3D、AUTODESK公司的AutoCAD Plant 3D、英國(guó)AVEVA公司的PDMS等等。這些平臺(tái)主要應(yīng)用于工廠(chǎng)的設(shè)計(jì)、造價(jià)管理等方面，比較難以呈現(xiàn)實(shí)際場(chǎng)景，在實(shí)際應(yīng)用中較為少見(jiàn)。這些軟件平臺(tái)在宏觀(guān)方面管理和應(yīng)用也相對(duì)較少，三維數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景結(jié)合較差，用于作為智慧工廠(chǎng)的建模平臺(tái)不是很理想，在大區(qū)域尺度的園區(qū)層面則更為不利。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來(lái)備受關(guān)注的高新技術(shù)，它是通過(guò)電腦建模虛擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，為使用者提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官體驗(yàn)，讓使用者感覺(jué)身臨其境。采用虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合地理信息系統(tǒng)的技術(shù)來(lái)建模與上述三維數(shù)字化平臺(tái)采用的方法和思路不一致，其針對(duì)對(duì)象主要是已經(jīng)建設(shè)完成的企業(yè)，當(dāng)然模型庫(kù)逐步豐富的情況下也可用于設(shè)計(jì)。它采用基于地理信息（GIS）的地形數(shù)據(jù)、三維影像、激光影像、360度圖景實(shí)現(xiàn)三維仿真建模。優(yōu)點(diǎn)在于可視化方面真實(shí)度極高，用戶(hù)可以方便的在場(chǎng)景內(nèi)以多種方式漫游，查看各種信息，同時(shí)可方便結(jié)合其他軟件平臺(tái)調(diào)用和共享多種數(shù)據(jù)信息；缺點(diǎn)在于數(shù)據(jù)量龐大，需要較好的硬件環(huán)境進(jìn)行支撐。

1.1化工企業(yè)管線(xiàn)和設(shè)備數(shù)量巨大

化工類(lèi)企業(yè)與傳統(tǒng)的制造業(yè)相比，生產(chǎn)流水線(xiàn)上管道和設(shè)備種類(lèi)多、數(shù)量多、接口多，相互交錯(cuò)鏈接，系統(tǒng)異常復(fù)雜，每一套化工裝置、設(shè)施的三維模型都需要由5～20萬(wàn)的多邊形組成。對(duì)各種化工裝置、設(shè)施建立準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)三維模型是制作三維動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)。如果要全面真實(shí)的三維模擬需要消耗非常多的精力進(jìn)行設(shè)備建模，同時(shí)要根據(jù)設(shè)計(jì)原始信息進(jìn)行對(duì)象定義和匹配，工作量大。

由于三維模型不僅有模型文件還有紋理文件，同時(shí)與此相匹配的實(shí)時(shí)影像、傳感器等信號(hào)將進(jìn)一步加大數(shù)據(jù)量，這些大數(shù)據(jù)要實(shí)現(xiàn)高速率傳輸對(duì)網(wǎng)路頻寬等方面構(gòu)成了嚴(yán)厲的挑戰(zhàn)。如放大到整個(gè)園區(qū)范圍，動(dòng)輒幾十上百平方公里的區(qū)域內(nèi)真實(shí)的三維場(chǎng)景模型將使得最終數(shù)據(jù)量級(jí)達(dá)到超高級(jí)別。對(duì)用戶(hù)在客戶(hù)端快速瀏覽調(diào)度形成一定挑戰(zhàn)。

1.2智慧園區(qū)和智慧工廠(chǎng)涉及領(lǐng)域多

從園區(qū)管理者的角度來(lái)看，智慧園區(qū)要做的是宏觀(guān)層面的企業(yè)服務(wù)和企業(yè)管理。涉及到入園企業(yè)土地管理、項(xiàng)目管理、安防監(jiān)控、污染監(jiān)控、信息統(tǒng)計(jì)和展示、除工業(yè)外生活和商業(yè)相關(guān)的交通管理、社區(qū)管理等等多個(gè)方面。

從企業(yè)管理者的角度來(lái)看，智慧工廠(chǎng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)安排、實(shí)時(shí)調(diào)度、實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)全流程監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報(bào)等功能，同時(shí)結(jié)合MES和CPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠(chǎng)的智能化。這一切都將在基于虛擬現(xiàn)實(shí)方法建立的三維模型上實(shí)現(xiàn)，對(duì)當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

同時(shí)，不同方面軟硬件系統(tǒng)如何進(jìn)行集成，如何統(tǒng)一架構(gòu)在基于虛擬現(xiàn)實(shí)的平臺(tái)上，讓管理者更直觀(guān)、可視、方便的進(jìn)行決策，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、精細(xì)化、智能化的管理模式，還有待進(jìn)一步研究。

1.3數(shù)據(jù)采集、組織和管理難度大

數(shù)據(jù)采集是利用數(shù)據(jù)獲取技術(shù)將一定區(qū)域內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，按照數(shù)據(jù)的組織和管理要求錄入到系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)兩大類(lèi)?？臻g數(shù)據(jù)包括了基礎(chǔ)地理、空間數(shù)據(jù)、園區(qū)概貌、建筑廠(chǎng)房分布等有空間位置的信息；屬性數(shù)據(jù)不僅有空間數(shù)據(jù)相關(guān)的屬性信息，而且包括了其他管理信息。

數(shù)據(jù)組織和管理的難度在于，園區(qū)和企業(yè)的數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣，有結(jié)構(gòu)化的屬性數(shù)據(jù)，如文本數(shù)據(jù)，區(qū)域規(guī)劃等圖件、圖像數(shù)據(jù)，視頻、圖片等多媒體數(shù)據(jù)；有非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)，如水管、線(xiàn)纜等管網(wǎng)數(shù)據(jù)，道路、規(guī)劃用地等地理信息數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。同時(shí)，數(shù)據(jù)源具有分散性異構(gòu)性，它們?cè)谶壿嬌蠈儆谕幌到y(tǒng)，物理上分散在由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的多個(gè)場(chǎng)所。因此，如何對(duì)這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和管理，在實(shí)現(xiàn)資源共享的同時(shí)還要提高服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行效率；如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸加速以減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)；如何對(duì)已有各類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行集成以降低建設(shè)成本，這些都是建模必須考慮的問(wèn)題。

1.4三維圖形技術(shù)尚需改進(jìn)

目前，該技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成。為了達(dá)到實(shí)時(shí)生成、實(shí)時(shí)顯示的目的，圖形的刷新率至少須保證不能低于15楨/秒，如果能高于30楨/秒效果將更好。在不降低圖形質(zhì)量的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)本身存在追蹤必須精確、延遲必須降到最低等難點(diǎn)問(wèn)題，為了給用戶(hù)最好的圖像視覺(jué)效果還需要對(duì)圖像處理引擎進(jìn)行改進(jìn)。

2　智慧工廠(chǎng)信息系統(tǒng)建設(shè)流程

系統(tǒng)的建立主要包括5個(gè)主要過(guò)程：一是數(shù)據(jù)獲取，二是數(shù)據(jù)模型圖生產(chǎn)，三是信息采集，四是平臺(tái)開(kāi)發(fā)，五是應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)。這5個(gè)流程涉及到具體數(shù)字化建模和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，下面分別闡述。

2.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

該信息系統(tǒng)采用國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的軟件開(kāi)發(fā)、軟件測(cè)試及驗(yàn)收過(guò)程模式，遵循J2EE規(guī)范開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，要求基于開(kāi)放的軟硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)并滿(mǎn)足基于CA的身份認(rèn)證體系。系統(tǒng)擁有海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理能力，能夠支持存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行容量的平滑升級(jí)，MTBF大于25000h，文本信息交換的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在0.5s以?xún)?nèi)，采用消息中間件對(duì)數(shù)據(jù)交換進(jìn)行管理，圖片、聲音等數(shù)字信息交換響應(yīng)時(shí)間控制在8s以?xún)?nèi)，地圖查詢(xún)定位響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)5s，視頻信息相應(yīng)任務(wù)時(shí)間不超過(guò)10s。

在三維建模方面，數(shù)字地圖精度為1∶500，數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)格網(wǎng)間距0.25m，1∶500數(shù)字正射影像的地面分辨率為0.05m。同時(shí)對(duì)建筑、工業(yè)設(shè)備、道路、綠化、水系等方面從建模精度（分三級(jí)，最高精度下一級(jí)模型控制在1000～2000個(gè)平面）、紋理貼圖、模型命名等等都設(shè)計(jì)了詳細(xì)的規(guī)范，在此不做一一列舉。

2.2數(shù)據(jù)獲取

園區(qū)和廠(chǎng)區(qū)一般面積都很大，大范圍內(nèi)一般采用無(wú)人機(jī)輔助航空攝影技術(shù)和移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)（機(jī)動(dòng)車(chē)上裝配全球定位系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或航位推算系統(tǒng)等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備，在車(chē)輛的高速行進(jìn)之中，快速采集道路及道路兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)），獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)[4]。在廠(chǎng)區(qū)和廠(chǎng)房?jī)?nèi)部的局部區(qū)域，采用激光點(diǎn)云監(jiān)測(cè)[5]和360全景掃描的方法獲取更為精細(xì)的設(shè)備、管線(xiàn)等數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖1。上述幾種方法都是三維地理信息建模運(yùn)用的技術(shù)，這里不做詳述。

圖1　激光點(diǎn)云掃描獲取數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)示意

2.3數(shù)據(jù)模型圖生產(chǎn)

主要利用采集到的影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行地形地貌三維建模，反應(yīng)園區(qū)和企業(yè)的地表等各類(lèi)信息。同時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)的建筑、公共設(shè)施、工業(yè)設(shè)備及其他的重要物體和標(biāo)志進(jìn)行精細(xì)三維建模，結(jié)合地形地貌展現(xiàn)出整體的三維場(chǎng)景。此外，還要對(duì)貫穿園區(qū)、企業(yè)的地下管線(xiàn)和地下空間設(shè)施進(jìn)行建模，包括給排水、供氣供熱供電、工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)等各類(lèi)管線(xiàn)系統(tǒng)，要建設(shè)地下管線(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，真實(shí)反映管線(xiàn)位置、類(lèi)型、空間拓?fù)潢P(guān)系等，并將其屬性信息錄入，能夠進(jìn)行查詢(xún)、分析和統(tǒng)計(jì)。

2.4信息采集

主要采取實(shí)地調(diào)研的方式，采集園區(qū)和企業(yè)內(nèi)建筑、居民地及附屬物、交通及附屬設(shè)施、管線(xiàn)和化工設(shè)備及附屬設(shè)施、水系及附屬設(shè)施、植被等的屬性信息，包括名稱(chēng)、地址、門(mén)牌號(hào)、單元過(guò)程名稱(chēng)、設(shè)備名稱(chēng)、產(chǎn)能等等各類(lèi)用戶(hù)想要獲取的基本信息，這些信息隨后將附在已經(jīng)建成的模型上。

2.5平臺(tái)開(kāi)發(fā)

三維模型建立后，必須有運(yùn)行平臺(tái)承載才能直觀(guān)的展示在用戶(hù)面前，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型上所有目標(biāo)的交互瀏覽、飛行管理、信息搜索與查詢(xún)、觀(guān)察與分析等等功能[6]。作者研發(fā)了基于WEB全模式的二三維一體化管理平臺(tái)，系統(tǒng)采用了基于J2EE的三層架構(gòu)體系，不僅能夠提供水平的擴(kuò)展（增加更多的機(jī)器），而且可以將現(xiàn)有系統(tǒng)從低端的PC服務(wù)器擴(kuò)展到高端的主機(jī)平臺(tái)，具有更強(qiáng)的擴(kuò)展能力，見(jiàn)圖2，這對(duì)于不斷發(fā)展的智慧園區(qū)管理具有重要的意義。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010、c/c#、QT 和java script，運(yùn)行環(huán)境為windows 2008 server，采用SQL server作為數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)依靠GIS平臺(tái)軟件和WEBGIS平臺(tái)作為支撐。系統(tǒng)在性能方面達(dá)到了較高標(biāo)準(zhǔn)，具有海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理能力，支持存儲(chǔ)設(shè)備容量的平滑升級(jí)；具有良好的并發(fā)響應(yīng)能力。

圖2　系統(tǒng)架構(gòu)

2.6應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

前述四步流程主要開(kāi)發(fā)了三維可視的智慧園區(qū)信息平臺(tái)，如何在此平臺(tái)上延伸開(kāi)發(fā)和對(duì)接一系列的基于地理信息、位置信息的應(yīng)用系統(tǒng)，才是智慧園區(qū)信息系統(tǒng)建立的關(guān)鍵所在。由于平臺(tái)是開(kāi)放式的，則應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)量并不做限制，應(yīng)用系統(tǒng)代表了園區(qū)和企業(yè)智能化所需要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)個(gè)具體功能點(diǎn)，可方便的進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)發(fā)和拓展。

圖3所示為已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成的一個(gè)合成氨尿素生產(chǎn)廠(chǎng)的綜合管理系統(tǒng)，目前主要開(kāi)發(fā)了廠(chǎng)區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和信息查詢(xún)應(yīng)用系統(tǒng)、安防監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)、生產(chǎn)流程及設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)。

3　智慧工廠(chǎng)信息系統(tǒng)功能分析

圖3　智慧工廠(chǎng)信息系統(tǒng)示意圖

3.1基礎(chǔ)操作及信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)瀏覽需求，用戶(hù)可以在系統(tǒng)中三維交互瀏覽和飛行管理，實(shí)現(xiàn)平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、定點(diǎn)漫游、快速定位等功能。同時(shí)，讓操作者實(shí)現(xiàn)可視、可寫(xiě)、可讀、可畫(huà)、可量、可鏈接、可挖掘、可查詢(xún)統(tǒng)計(jì)等諸多功能。用戶(hù)可以選擇不同類(lèi)型的子企業(yè)、建筑，不同土地類(lèi)型、環(huán)境狀況等，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)用戶(hù)選擇的分類(lèi)將分層標(biāo)注的三維地圖顯示出來(lái)，滿(mǎn)足精細(xì)分類(lèi)下的瀏覽需求，見(jiàn)圖4。舉例如用戶(hù)想知道區(qū)域內(nèi)合成氨企業(yè)的合成車(chē)間有哪些，則圖層上單獨(dú)、突出標(biāo)注這些車(chē)間的位置和詳細(xì)信息。

圖4　智慧工廠(chǎng)基本數(shù)據(jù)查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)

3.2安防監(jiān)控與預(yù)警預(yù)報(bào)

結(jié)合智能攝像頭、傳感器、控制開(kāi)關(guān)等使用，該系統(tǒng)可配置各種安防報(bào)警（如圖像識(shí)別報(bào)警、紅外報(bào)警、電子圍欄、報(bào)警開(kāi)關(guān)等），報(bào)警信號(hào)直接輸入前端監(jiān)控主機(jī)。統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有的視頻監(jiān)控點(diǎn)，并對(duì)室內(nèi)和室外的監(jiān)控、安全和環(huán)保的監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報(bào)的監(jiān)控，交通道路的監(jiān)控進(jìn)行詳細(xì)分類(lèi)，然后通過(guò)在三維地圖和二維地圖上直接調(diào)用攝像頭。同時(shí)，會(huì)對(duì)煙霧、火光、人車(chē)流等特殊信息進(jìn)行自動(dòng)智能識(shí)別，隨時(shí)開(kāi)啟預(yù)警預(yù)報(bào)功能，提醒反饋給操作者。

系統(tǒng)在報(bào)警發(fā)生時(shí)能切換出相應(yīng)部位的視音頻及報(bào)警信息，提醒值班人員快速處理，并進(jìn)行記錄；對(duì)某些特定監(jiān)控點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)視頻移動(dòng)偵測(cè)功能，見(jiàn)圖5；系統(tǒng)還應(yīng)支持與其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警聯(lián)動(dòng)接口?？赏瑫r(shí)聯(lián)動(dòng)多個(gè)設(shè)備，結(jié)合防區(qū)管理可發(fā)揮強(qiáng)大的作用。自由組合動(dòng)作輕松設(shè)計(jì)各種聯(lián)動(dòng)策略，可應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)合的安防解決方案。

系統(tǒng)擁有預(yù)案分析功能，當(dāng)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)萬(wàn)一發(fā)生重大環(huán)境污染事件或者化工原料泄漏等事件后，迅速[定位]到事發(fā)地點(diǎn)，在三維地圖上[自動(dòng)劃定]警示區(qū)域和范圍，見(jiàn)圖6。方便領(lǐng)導(dǎo)迅速調(diào)度人員，布置方案。同時(shí)，根據(jù)周邊地形條件，從預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇相對(duì)合理的建議方案供領(lǐng)導(dǎo)選擇和決策。

圖5　在系統(tǒng)上調(diào)用視頻攝像頭數(shù)據(jù)

圖6　預(yù)案分析功能示意

3.3環(huán)境排污監(jiān)測(cè)

結(jié)合環(huán)境在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在地圖上的位置進(jìn)行標(biāo)注，同時(shí)對(duì)這些監(jiān)測(cè)設(shè)施的類(lèi)別、功能、位置等基本信息進(jìn)行[記錄](méi)，可實(shí)現(xiàn)新增設(shè)施的[添加]、[刪除]，新增設(shè)施的[信息錄入]，管理和[數(shù)據(jù)接入]，同時(shí)如果允許可[遠(yuǎn)程調(diào)控]這些監(jiān)測(cè)實(shí)施的開(kāi)關(guān)時(shí)間等。

3.4工廠(chǎng)流程設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

工廠(chǎng)如果能夠在一些單元過(guò)程和工段設(shè)備上使用傳感器、電子標(biāo)簽（RFID）、帶聯(lián)網(wǎng)功能的智能機(jī)電模塊幾種智能設(shè)備，其智能化程度將達(dá)到較高水平，見(jiàn)圖7。目前看來(lái)，國(guó)內(nèi)大部分工廠(chǎng)企業(yè)還達(dá)不到這一要求。

圖7　未來(lái)智慧工廠(chǎng)設(shè)備示意

化工廠(chǎng)內(nèi)部部分車(chē)間往往設(shè)備繁多，管線(xiàn)復(fù)雜，如何能夠快速、實(shí)時(shí)、可視的對(duì)主要設(shè)備生產(chǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行無(wú)死角監(jiān)控，有著非常重要的意義。本系統(tǒng)采用360度全景掃描的技術(shù)[7]，在大型廠(chǎng)房?jī)?nèi)布置若干觀(guān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)所有關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，遠(yuǎn)程即可實(shí)現(xiàn)觀(guān)測(cè)、查詢(xún)、控制和故障檢測(cè)，見(jiàn)圖8。同時(shí)，由于放棄了三維建模的方式，觀(guān)測(cè)效果更直觀(guān)，每個(gè)場(chǎng)景數(shù)據(jù)量極小，傳輸速度非?？?。結(jié)合基于三維地理信息的三維智慧工廠(chǎng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)廠(chǎng)房?jī)?nèi)外全流程的覆蓋。

圖8　廠(chǎng)房?jī)?nèi)設(shè)備監(jiān)控和故障檢測(cè)

3.5地下管網(wǎng)管理

通過(guò)該系統(tǒng)，無(wú)需實(shí)地挖掘管道，在電腦上即可查看管道的材質(zhì)、埋深、管徑、歷史年代、距離等信息。利用線(xiàn)段將管線(xiàn)切成一個(gè)剖面，在這個(gè)剖面上可以清晰直觀(guān)地看到管線(xiàn)的縱橫斷面情況和各條管線(xiàn)的地下鋪設(shè)情況，包括距離地面的高度，以及各管線(xiàn)的距離等信息，見(jiàn)圖9。

結(jié)合實(shí)際管道中設(shè)置的傳感器，配合周期性智能的管道探傷設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)軟硬件的良好結(jié)合，對(duì)輸油輸氣、供水排水管道的安全防護(hù)起到重要作用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字管線(xiàn)的進(jìn)一步升級(jí)。

此外，智慧工廠(chǎng)信息系統(tǒng)還可以集成一系列原來(lái)企業(yè)內(nèi)ERP系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)等功能，使得原先只能局限于數(shù)字查看和平面展示的功能實(shí)現(xiàn)三維可視化，對(duì)操作者而言將是一種更為直觀(guān)、有效的管理方法，有著巨大的發(fā)展空間。

圖9　地下管網(wǎng)管理及安全防護(hù)

3.6應(yīng)用效果

目前，該應(yīng)用系統(tǒng)已在滄州臨港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)河北陽(yáng)煤正元化工集團(tuán)（生產(chǎn)化肥為主）實(shí)施成功，見(jiàn)圖10、圖11，同時(shí)將進(jìn)一步拓展到整個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)近百家企業(yè)。

圖10　陽(yáng)煤正元化工集團(tuán)智能工廠(chǎng)應(yīng)用案例

圖11　整個(gè)園區(qū)所有企業(yè)的實(shí)施效果

企業(yè)管理者目前主要將該系統(tǒng)應(yīng)用在如下幾個(gè)方面：生產(chǎn)監(jiān)控、生產(chǎn)培訓(xùn)、結(jié)合PCS控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度、預(yù)警預(yù)報(bào)及防火演習(xí)等幾個(gè)方面。園區(qū)管理者目前主要將該系統(tǒng)用在如下幾個(gè)方面：污染監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控、安防預(yù)警、招商引資、參觀(guān)演示、項(xiàng)目實(shí)施分析、全區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等。反饋?zhàn)詈玫姆矫媸侵庇^(guān)、可視效果好、接受程度高，反饋還需進(jìn)一步改進(jìn)的主要方面是，實(shí)施企業(yè)希望能將其他更多的排產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和其他決策系統(tǒng)集成到該系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高度統(tǒng)一。

4　結(jié)論及展望

智慧工廠(chǎng)的發(fā)展是大勢(shì)所趨。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)較好的智慧工廠(chǎng)綜合管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用，軟硬件技術(shù)系統(tǒng)集成工作量巨大，如何高效、直觀(guān)、迅速的整合這些信息，為企業(yè)管理者、決策者提供一個(gè)智慧的信息平臺(tái)是當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題。本文從虛擬現(xiàn)實(shí)的角度出發(fā)，利用三維地理信息建模、激光點(diǎn)云掃描等方法，克服了化工行業(yè)三維模擬的難點(diǎn)問(wèn)題，建立并實(shí)施了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智慧工廠(chǎng)綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基本信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、安防監(jiān)控與預(yù)警預(yù)報(bào)、環(huán)境排污實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、工廠(chǎng)流程設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、地下管網(wǎng)管理等功能，在企業(yè)應(yīng)用效果良好，提供了一種有效直觀(guān)的未來(lái)智慧工廠(chǎng)信息系統(tǒng)的構(gòu)建思路。

該系統(tǒng)的拓展性強(qiáng)，與其他軟硬件對(duì)接容易，可以伴隨企業(yè)、工廠(chǎng)的不斷“智慧化”而進(jìn)行配套升級(jí)。同時(shí)，在不同類(lèi)型的化工企業(yè)中廣泛應(yīng)用后，其模型庫(kù)將不斷豐富，復(fù)制推廣到各類(lèi)化工企業(yè)相對(duì)容易，這將使未來(lái)工廠(chǎng)設(shè)計(jì)、工廠(chǎng)管理、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、教學(xué)培訓(xùn)等領(lǐng)域全面實(shí)現(xiàn)可視化、立體化操作，全面推進(jìn)我國(guó)智慧工廠(chǎng)建立進(jìn)程。

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Development and application of integrated management system of smart factory

ZHANG Zhiqiang1，HU Shanying1，HU Xueyao2，GUAN Yanling3，JIA Shengju3
（1Department of Chemical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China;2College of Chemical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China;3Beijing Geo-Vision Tech. Co.，Ltd.，Beijing 100070，China）

Abstract：A reasonable theory and operation mode of smart factories have not been established in China. How to integrate the information resources efficiently，intuitively and rapidly，so as to support intelligent decision-making is the main problem that managers of the enterprises are facing. This paper proceeds from virtual reality which is the key technique of smart factory establishment，analyzes its modeling difficulties and problems in different kinds of plants in chemical industry. The authors use methods of three-dimensional geographic information modeling，laser point cloud scanning，and 360 degree panoramic image technique，combine with visual programming design technology，design and develop an integrated management system of smart factory. The system includes functions of interactive browsing，visual information query statistics，real-time security monitoring and forecasting，real-time environmental monitoring，real-time monitoring of production process and equipment，underground pipeline network management and safety protection，etc. It has achieved good application result in an enterprise，and provides a new way to solve the problem how to build a smart factory.

Key words：smart factory; virtual reality; visualization

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 021.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）04–1000–07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.005

收稿日期：2015-08-24；修改稿日期：2015-09-10。