數(shù)字化車間虛擬監(jiān)控系統(tǒng)研究*

姜 康，柯 榕，趙小勇，何其昌

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，合肥 230009；2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)車間現(xiàn)場信息繁多、情況復(fù)雜，導(dǎo)致車間的管理層和執(zhí)行層之間的信息交互不及時(shí)、不準(zhǔn)確、不全面[1-3]，車間管理人員迫切需要一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各工作單元之間的信息交換和生產(chǎn)狀態(tài)的及時(shí)反映。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)車間監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究實(shí)現(xiàn)，常仕軍等[4]建立了車間監(jiān)控對(duì)象的模型，應(yīng)用甘特圖等方式來展現(xiàn)監(jiān)控結(jié)果，Qiu等[5]建立了一種數(shù)控機(jī)床加工過程狀態(tài)的信息模型，用于監(jiān)測加工過程中的加工狀態(tài)，這些研究在技術(shù)層面上實(shí)現(xiàn)了車間狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，但是忽略了對(duì)于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理，會(huì)造成監(jiān)控狀態(tài)滯后、監(jiān)控對(duì)象不全和監(jiān)控力度不夠等問題。李智等[6]設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集方案和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，提高了實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用二維的監(jiān)控界面，雖然能實(shí)現(xiàn)登陸、查詢、操作等功能，但不能將車間真實(shí)情況可視化。而工業(yè)監(jiān)控中使用的組態(tài)軟件具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、工程監(jiān)控等功能，但其二維用戶界面與實(shí)際工業(yè)場景有較大的差距，顯示數(shù)據(jù)的方式比較單調(diào)，不夠直觀和形象，這些都會(huì)造成用戶操作不便或?qū)е抡`操作[7-9]。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到監(jiān)控系統(tǒng)中來，建立基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)，使車間管理人員可以通過客戶端實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)車間運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，對(duì)于工業(yè)監(jiān)控的技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立車間三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)車間制造資源狀態(tài)進(jìn)行三維可視化，顯示車間現(xiàn)場監(jiān)控信息、生產(chǎn)進(jìn)度信息、設(shè)備信息，并對(duì)其進(jìn)行管理。同時(shí)利用現(xiàn)場傳感器采集的信息來驅(qū)動(dòng)三維虛擬場景中模型，實(shí)時(shí)可視化車間中制造資源的位姿和運(yùn)行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)框架

車間虛擬監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)囬g設(shè)備狀態(tài)，如開機(jī)、關(guān)機(jī)、故障燈等進(jìn)行虛擬實(shí)時(shí)監(jiān)控；可以通過鼠標(biāo)等外設(shè)進(jìn)行漫游操作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間的監(jiān)控管理；三維虛擬界面上高亮顯示與產(chǎn)品生產(chǎn)工序相關(guān)的設(shè)備，并展示加工路線；此外，系統(tǒng)還可對(duì)車間生產(chǎn)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可顯示生產(chǎn)進(jìn)度、工單狀態(tài)以及人員狀態(tài)等。

車間三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)通過車間現(xiàn)場傳感器及局域網(wǎng)進(jìn)行車間中各設(shè)備資源的位置、姿態(tài)和運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)的采集及傳輸，利用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與管理實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)、資源模型數(shù)據(jù)及生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，并通過數(shù)據(jù)接口與車間其他信息系統(tǒng)如ERP、MES等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)整體基于C/S架構(gòu)，三維制造資源模型包括加工設(shè)備、物流設(shè)備等存儲(chǔ)在客戶端，監(jiān)控過程中網(wǎng)絡(luò)只是傳遞各種傳感信息，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，保證監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。同時(shí)利用車間現(xiàn)場傳感器采集的信息來驅(qū)動(dòng)虛擬場景中的模型，在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Unity3D中實(shí)時(shí)可視化運(yùn)輸設(shè)備的位姿和加工設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。用戶通過人機(jī)交互界面進(jìn)行狀態(tài)信息的查詢、系統(tǒng)消息處理中心響應(yīng)用戶操作命令，進(jìn)行信息的可視化。車間虛擬監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 車間虛擬監(jiān)控系統(tǒng)整體框架Fig.1 Overall framework of the virtual monitoring system for workshop

可視化模塊基于Unity3D平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，Unity3D是跨平臺(tái)的三維圖形渲染引擎，它的可視化操作環(huán)境便于用戶使用，并支持各種腳本語言包括C#、JavaScript，兼容多種操作系統(tǒng)，真正地實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)，讓開發(fā)者能簡單直觀地開發(fā)基于各種平臺(tái)以及硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)可視化應(yīng)用程序[10]。

2 車間虛擬監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)描述模型

為實(shí)現(xiàn)虛擬模型的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，需要對(duì)生產(chǎn)過程中的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、在制零件質(zhì)量與狀態(tài)、數(shù)控加工設(shè)備的工況、加工人員的狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，并采集這些信息，從而對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。所建立的數(shù)據(jù)庫分別存儲(chǔ)設(shè)備參數(shù)、在制零件信息、加工設(shè)備工作參數(shù)、車間生產(chǎn)進(jìn)度信息、報(bào)警信息以及運(yùn)輸設(shè)備參數(shù)，其數(shù)據(jù)模型邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 某制造車間數(shù)據(jù)模型Fig.2 Data model of a manufacturing workshop

采用XML規(guī)范建立系統(tǒng)模塊間的數(shù)據(jù)接口。XML是一種標(biāo)記語言，具有良好的跨平臺(tái)數(shù)據(jù)交換能力，可以實(shí)現(xiàn)快速查找、修改、替換等操作。本文用結(jié)構(gòu)化的XML格式描述變量，部分?jǐn)?shù)據(jù)形式如下：

<加工設(shè)備工作參數(shù)>

<部門 NAME=“XX事業(yè)部”><車間NAME=“XX車間”><工作參數(shù)信息>

< Equipment _NAME=“數(shù)控銑床”/>

< Spindle load =“1500”/>

…

以上是采集到的加工設(shè)備工作參數(shù)數(shù)據(jù)模型在XML中的部分描述，由此可知基于XML的數(shù)據(jù)描述具有較好的層次性，能較好地表現(xiàn)出信息的結(jié)構(gòu)層次。

2.2 基于現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的設(shè)備模型驅(qū)動(dòng)

在虛擬監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控的運(yùn)動(dòng)可視化對(duì)象主要3種類型：加工設(shè)備如機(jī)床的主要加工動(dòng)作、物料運(yùn)輸設(shè)備叉車的運(yùn)動(dòng)以及桁架機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。其中加工設(shè)備機(jī)床的運(yùn)動(dòng)包括機(jī)床整體的運(yùn)動(dòng)和機(jī)床上零件的運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)父對(duì)象機(jī)床和子對(duì)象零件的運(yùn)動(dòng)。叉車的運(yùn)動(dòng)路線是由從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中獲取的起始位置和終點(diǎn)位置進(jìn)行插值來設(shè)定的。而桁架機(jī)械手是由數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中包含其運(yùn)動(dòng)過程中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的位置，再根據(jù)這些點(diǎn)來確定運(yùn)動(dòng)路線。

在Unity3D中，子對(duì)象是跟隨著父對(duì)象進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的。一個(gè)模型可能擁有多個(gè)子對(duì)象，每個(gè)子對(duì)象還可能包含下一層的子節(jié)點(diǎn)，而各層級(jí)的子對(duì)象也跟隨著其父對(duì)象一起運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)一個(gè)模型發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，組成他的子對(duì)象的各個(gè)部分也進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這樣，當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型時(shí)，也同樣驅(qū)動(dòng)了模型中的各個(gè)子對(duì)象，以模型整體為對(duì)象對(duì)其實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行研究。

圖3為模型的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)流程圖。一個(gè)實(shí)時(shí)性的仿真場景的生成過程是：首先加載配置文件，向服務(wù)器請(qǐng)求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并獲取[11]，對(duì)獲取的XML文件進(jìn)行解析，從而得到模型的位姿數(shù)據(jù)；根據(jù)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到模型的運(yùn)動(dòng)路線，并計(jì)算出模型運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角度；得到以上數(shù)據(jù)后再利用位姿矩陣來實(shí)現(xiàn)模型的驅(qū)動(dòng)，最后利用Unity3D平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模型運(yùn)動(dòng)的可視化渲染。下面以車間虛擬監(jiān)控系統(tǒng)中的物流設(shè)備叉車的運(yùn)動(dòng)為例來描述模型驅(qū)動(dòng)。

圖3 模型實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)流程圖Fig.3 Flow chart of real-time driving model

由于采集到的叉車位置、姿態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是離散的位置點(diǎn)，為保證叉車運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，需要進(jìn)行插值。叉車的運(yùn)動(dòng)路線上的關(guān)鍵點(diǎn)通過Unity3D平臺(tái)提供的Mathf.lerp函數(shù)插值獲取，Mathf.lerp函數(shù)的插值方法是線性插值，假設(shè)已知坐標(biāo)（x0，y0）與（x1，y1），要得到 [x0，y1]區(qū)間內(nèi)某一位置x在直線上的y值，則可以根據(jù)表達(dá)式：

其中，k= （x-x0）/ （x1-x0）= （y-y0）/ （y1-y0）。

從XML文件中解析到叉車運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，得到叉車運(yùn)動(dòng)前后的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，再通過式（2）插值得到運(yùn)動(dòng)過程中其他的坐標(biāo)點(diǎn)，將它們連接起來就得到叉車的運(yùn)動(dòng)路線。

叉車是在XOZ平面上做平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則叉車在原始位置時(shí)的向量坐標(biāo)為已知量，其坐標(biāo)位置為（x，0，z）。運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)的向量坐標(biāo)為，其坐標(biāo)位置為（x'，0，z'），易知向量坐標(biāo)=。θ為與的夾角，則由余弦公式可得：

叉車模型的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是通過以上2個(gè)變換矩陣來實(shí)現(xiàn)的，其中dx，dy，dz分別表示叉車在X軸、Y軸、Z軸方向上的平移量，由于叉車是在XOZ平面上運(yùn)動(dòng)，因此dy=0。θ表示叉車運(yùn)動(dòng)繞Y軸偏移的角度。那么，對(duì)叉車先作繞Y軸旋轉(zhuǎn)變換再作平移變換，其運(yùn)動(dòng)模型是：

綜上可知，由式（2）計(jì)算出θ值，再代入（5）式求出叉車的運(yùn)動(dòng)模型，并按照插值法確定的運(yùn)動(dòng)路線則可完成模型的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。模型運(yùn)動(dòng)的可視化在Unity3D平臺(tái)上進(jìn)行，由transform類中的Translate函數(shù)和Rotate函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的代碼如下：

transform.Translate（1, 0, Time.deltaTime）;

transform.Rotate（Vector3.up * Time.deltaTime）。

2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸

車間狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)主要包括數(shù)控機(jī)床通訊模塊、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工控上位機(jī)、OPC服務(wù)、DNC軟件系統(tǒng)。利用車間局域網(wǎng)，將網(wǎng)絡(luò)延伸到各設(shè)備節(jié)點(diǎn)，從而使數(shù)控設(shè)備與各個(gè)服務(wù)器及工作站形成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。圖4為生產(chǎn)現(xiàn)場信息實(shí)時(shí)采集。

應(yīng)用加工設(shè)備數(shù)字化接口、傳感器、檢測設(shè)備等多形式的數(shù)據(jù)采集方式，形成針對(duì)不同設(shè)備不同接口的統(tǒng)一采集方法。定義所有采集數(shù)據(jù)的表達(dá)方式和統(tǒng)一接口，并將不同的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的格式。將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，通過企業(yè)現(xiàn)有的以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、I/O接口卡等多種方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廠家設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)整合。

圖4 生產(chǎn)現(xiàn)場信息實(shí)時(shí)采集Fig.4 Real-time acquisition of information in the production site

為了保證傳輸速度，必須對(duì)大量的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理或取舍，因此如何確保在制品和設(shè)備狀態(tài)信息能被準(zhǔn)確、穩(wěn)定傳輸就成為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。解決方法為：一方面，通過大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析確定有用傳感信號(hào)，然后提取能夠表征異常工況預(yù)兆的特征量；另一方面，采用時(shí)間序列分析方法動(dòng)態(tài)建立傳感信號(hào)時(shí)間序列模型，提取蘊(yùn)涵豐富工況信息的模型參數(shù)，并對(duì)非實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)批量傳輸，再利用數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮的方法，盡量減少網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提高傳輸速度。

2.4 人機(jī)交互

在人機(jī)交互系統(tǒng)中系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)占據(jù)非常重要的地位，因?yàn)樵诮换ゲ僮髦薪缑娴姆奖闩c否直接影響到用戶的使用。Unity3D擁有一套非常完善的圖形化界面引擎，包括常見的窗口、文本框、輸入框、按鈕等，而且它的界面自定義皮膚功能夠美化系統(tǒng)界面[12]。本系統(tǒng)利用Unity3D自帶的GUI界面組件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)虛擬監(jiān)控系統(tǒng)的信息顯示、功能流程等交互操作。

虛擬監(jiān)控系統(tǒng)中鼠標(biāo)鍵盤的交互操作使用Unity3D的輸入接口Input來實(shí)現(xiàn)。利用鼠標(biāo)和鍵盤的操作可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等功能以及漫游操作，其中模型的運(yùn)動(dòng)利用Unity3D的變換類transform實(shí)現(xiàn)。雙擊模型彈出設(shè)備狀態(tài)信息查看窗口功能實(shí)現(xiàn)的流程,如下所示：

步驟1:鼠標(biāo)雙擊場景中的設(shè)備模型;

步驟2:將鼠標(biāo)在屏幕上點(diǎn)擊的位置信息轉(zhuǎn)化為射線;

步驟3:取出碰撞射線檢測到的設(shè)備名稱;

步驟4:從XML文件中解析取出該設(shè)備的狀態(tài)信息;

步驟5:調(diào)用已經(jīng)定義的生成窗口函數(shù)，彈出設(shè)備狀態(tài)顯示窗口。

3 應(yīng)用案例

圖5為某車間虛擬監(jiān)控系統(tǒng)，它實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的是整個(gè)車間的生產(chǎn)操作情況，車間中設(shè)備模型狀態(tài)以及布局等與現(xiàn)場生產(chǎn)車間保持一致。

系統(tǒng)開始運(yùn)行后，生產(chǎn)現(xiàn)場傳輸來的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬場景中的模型，此時(shí)，物流設(shè)備叉車接到信號(hào)后會(huì)到物料堆放地取物料并按照指定路線將物料運(yùn)送到指定地點(diǎn)。雙擊圖中任意一個(gè)設(shè)備會(huì)彈出設(shè)備狀態(tài)信息顯示窗口，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，被雙擊拾取的設(shè)備會(huì)出現(xiàn)包圍盒。用戶按下鼠標(biāo)左鍵、移動(dòng)鼠標(biāo)滑輪可從各個(gè)角度觀察虛擬車間工作情況并進(jìn)行漫游操作。點(diǎn)擊產(chǎn)品，界面上高亮顯示與生產(chǎn)工序相關(guān)的設(shè)備，并顯示加工路線。用戶可在系統(tǒng)的操作界面上查詢生產(chǎn)進(jìn)度等車間生產(chǎn)信息，當(dāng)生產(chǎn)車間在加工過程中出現(xiàn)異常或發(fā)生故障時(shí)，虛擬監(jiān)控系統(tǒng)中報(bào)警燈發(fā)出紅色報(bào)警信號(hào)，管理人員可根據(jù)信號(hào)對(duì)異常情況進(jìn)行處理。

圖5 虛擬監(jiān)控系統(tǒng)Fig.5 Virtual monitoring system

4 結(jié)論

本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與信息集成技術(shù)，基于Unity3D平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三維制造車間虛擬監(jiān)控系統(tǒng)，為車間三維虛擬監(jiān)控提出了可行的方案。

本系統(tǒng)是三維數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)，在此平臺(tái)基礎(chǔ)上，可以集成其他管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，形成集成的三維數(shù)字化生產(chǎn)控制平臺(tái)。同時(shí)本文對(duì)從車間采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、模型驅(qū)動(dòng)的方法，對(duì)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的虛擬仿真研究具有一定的借鑒意義，為三維虛擬監(jiān)控技術(shù)在制造業(yè)上的應(yīng)用提供了技術(shù)保證和可行性驗(yàn)證。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)虛擬監(jiān)控技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用，這將大大推動(dòng)整個(gè)智能制造技術(shù)行業(yè)的發(fā)展。

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