實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控與效能評(píng)估技術(shù)研究

鐘珂珂，郭具濤，何其昌，金永喬

（1.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；2. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用是離散制造業(yè)企業(yè)能力提升的關(guān)鍵。以信息技術(shù)、感知技術(shù)、智能技術(shù)為依托，踐行兩化融合的數(shù)字化車間建設(shè)是當(dāng)前制造業(yè)車間的建設(shè)方向，是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)[1]。數(shù)字化車間是信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其通過網(wǎng)絡(luò)及信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備以及機(jī)器人等數(shù)控自動(dòng)化設(shè)備的互聯(lián)互通，自動(dòng)感知物料、人員、設(shè)備、生產(chǎn)工藝與環(huán)境等制造過程信息，進(jìn)而通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行車間運(yùn)營(yíng)的自主決策和快速自組織生產(chǎn)，使復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)更加柔性、敏捷、智能，從而改變制造業(yè)的生產(chǎn)、管理和服務(wù)方式，推動(dòng)制造模式的深刻變革[2]。復(fù)雜產(chǎn)品的制造系統(tǒng)具有大規(guī)模、數(shù)據(jù)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)隨機(jī)等特性，建立制造系統(tǒng)的數(shù)字化雙胞胎（Digital Twin）仿真模型，通過虛實(shí)仿真對(duì)生產(chǎn)線狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與效能分析，從而實(shí)現(xiàn)制造資源動(dòng)態(tài)調(diào)度，是提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)水平的重要手段。隨著信息通信技術(shù)（ICT）的發(fā)展，數(shù)字化車間制造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能，如何存儲(chǔ)管理、分析和應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，建立虛擬環(huán)境下的數(shù)字化車間雙胞胎模型，仍然是亟待解決的問題。

目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)車間虛擬監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，常仕軍等[3]建立了車間監(jiān)控對(duì)象的模型，應(yīng)用甘特圖等方式來可視化監(jiān)控結(jié)果， Qiu等[4]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(cè)加工過程中的工藝狀態(tài)。這些研究在技術(shù)層面上實(shí)現(xiàn)了車間狀態(tài)的監(jiān)控，但對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理能力不夠，造成監(jiān)控對(duì)象不全、監(jiān)控狀態(tài)分析滯后等問題。李智等[5]設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集方案和監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，提高了實(shí)時(shí)性，但其監(jiān)控系統(tǒng)是二維的監(jiān)控界面，雖然能實(shí)現(xiàn)登陸、查詢、操作等功能，但界面與真實(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有較大的差距，數(shù)據(jù)的顯示與交互方式較為單調(diào)，不夠直觀和形象。

本文結(jié)合我國(guó)航天領(lǐng)域首個(gè)數(shù)字化車間“航天器大型薄壁結(jié)構(gòu)件制造數(shù)字化車間”項(xiàng)目，基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（ICT）技術(shù)，研發(fā)車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與管理、生產(chǎn)效能評(píng)估建模、人機(jī)交互式三維/二維集成可視化等功能模塊，通過與數(shù)字化車間的其他信息系統(tǒng)如MES系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，構(gòu)建數(shù)字化車間運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)下的車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、中央控制大屏幕以及客戶端三位一體的信息化服務(wù)軟件工具，對(duì)車間制造資源進(jìn)行三維可視化導(dǎo)航，顯示、分析與管理車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息、生產(chǎn)工藝參數(shù)信息、車間物流過程，形成面向數(shù)字化車間的虛擬監(jiān)控與評(píng)估平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)透明化生產(chǎn)。

數(shù)字化車間運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字化車間運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的架構(gòu)如圖1所示，分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層、功能業(yè)務(wù)層與用戶界面層。

（1）數(shù)據(jù)采集層：設(shè)備信息實(shí)時(shí)采集模塊獲取車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的狀態(tài)與加工工藝參數(shù)；條碼系統(tǒng)采集加工任務(wù)的完工信息與在制品狀態(tài)信息；MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)推送生產(chǎn)任務(wù)指令、物流指令，從而形成實(shí)時(shí)高效的車間生產(chǎn)狀態(tài)信息流。

（2）數(shù)據(jù)管理層：通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)有效期內(nèi)的生產(chǎn)線狀態(tài)數(shù)據(jù)，超出有效期的數(shù)據(jù)通過歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)。

（3）功能業(yè)務(wù)層：信息可視化處預(yù)處理模塊主要完成信息可視化映射，包括設(shè)備動(dòng)作驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)接口、三維/二維可視化界面數(shù)據(jù)更新模式等；生產(chǎn)效能評(píng)估模塊主要基于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息、在制品信息、任務(wù)完工進(jìn)度信息對(duì)MES系統(tǒng)輸出的理論生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，從而評(píng)估生產(chǎn)狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)資源的調(diào)度優(yōu)化。

（4）用戶界面層：三維可視化模塊對(duì)車間制造資源對(duì)象進(jìn)行三維可視化仿真交互屬性定義及模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模，并采用模型輕量化技術(shù)以保證大規(guī)模車間虛擬場(chǎng)景的流暢渲染。通過車間制造實(shí)時(shí)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)虛擬數(shù)字化車間模型的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)模擬，并將可視化信息推送至各客戶端及中央控制平臺(tái)大屏，同時(shí)集成顯示車間/產(chǎn)線/物料的實(shí)時(shí)/歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的制造車間生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估。

圖1 數(shù)字化車間運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Realtime monitoring platform of digital workshop

制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與管理

航天器大型薄壁結(jié)構(gòu)件制造數(shù)字化車間進(jìn)行運(yùn)載火箭貯箱產(chǎn)品的制造，包含機(jī)加、焊接、鉚接、檢測(cè)等數(shù)字化加工設(shè)備。利用加工設(shè)備數(shù)字化通訊接口、傳感器、條碼等多種形式的數(shù)據(jù)采集方式，形成車間現(xiàn)場(chǎng)多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集方法。采集方案如圖2所示，對(duì)于具有DNC接口、支持 OPC（OLE for Process Control，OPC）的數(shù)控機(jī)加設(shè)備，采用基于OPC的狀態(tài)信息采集方案, 通過設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的 OPC接口和必要的軟件配置，讀取設(shè)備的各種狀態(tài)信息[6-7]；對(duì)于不支持OPC的數(shù)字化設(shè)備，采用PLC網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊，通過點(diǎn)位讀取設(shè)備的狀態(tài)信息；對(duì)于焊接電流、電壓、功率等焊接工藝參數(shù)，安裝相應(yīng)的測(cè)量傳感器，通過現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。零件狀態(tài)標(biāo)識(shí)信息由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工人手動(dòng)掃描條形碼或二維碼獲得。

采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過車間局域網(wǎng)TCP/IP上傳到上層服務(wù)器，為了保證數(shù)據(jù)傳輸速度，對(duì)實(shí)時(shí)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，一方面對(duì)于工藝參數(shù)信息，通過經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定有效的采集信號(hào)，提取能夠表征異常工況預(yù)兆的特征量；采用時(shí)間序列分析方法動(dòng)態(tài)建立信號(hào)時(shí)間序列模型，提取蘊(yùn)涵工況信息的模型參數(shù)，另一方面對(duì)非實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)如焊縫DR成像檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)通過FTP協(xié)議進(jìn)行定時(shí)批量傳輸，同時(shí)利用數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮的方法，減少網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提高傳輸速度。

車間現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)、海量、多來源、異構(gòu)（結(jié)構(gòu)化，半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并存），因此與其他行業(yè)數(shù)據(jù)相比，制造車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理面臨更多挑戰(zhàn)。本研究定義采集數(shù)據(jù)的表達(dá)方式和統(tǒng)一接口，將不同的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的格式，并通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)象D包括3個(gè)分量，可表示為：

式中，value是指是測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)值，time是指數(shù)據(jù)采集時(shí)間，period是指數(shù)據(jù)有效期，表示從采樣時(shí)間算起的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有效時(shí)間長(zhǎng)度，超過有效期的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將存入歷史數(shù)據(jù)。

在有效期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)用向量V來表示，Di表示以i為標(biāo)識(shí)的某個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)，在時(shí)刻j采集到的數(shù)據(jù)如下所示：

式中，period[p,q]代表的是開始時(shí)刻p到結(jié)束時(shí)刻q之間的數(shù)據(jù)有效期時(shí)間段區(qū)間。在period[p,q]的時(shí)間區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的能力Cas可表示為：

當(dāng)q為當(dāng)前時(shí)刻，Cas反映具體某個(gè)檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)范圍，在此時(shí)間范圍采集到的數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，超出這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)將被存入歷史數(shù)據(jù)庫。

生產(chǎn)效能評(píng)估模型的建立

由于航天器薄壁結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)如設(shè)備的故障、焊縫重復(fù)檢測(cè)、工裝準(zhǔn)備時(shí)間等隨機(jī)因素，造成MES輸出的生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整?；诓杉纳a(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)與資源調(diào)度經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，利用離散事件仿真軟件Delmia/QUEST建立三維的生產(chǎn)效能評(píng)估模型，對(duì)MES輸出的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，并生成生產(chǎn)資源調(diào)度優(yōu)化方案，流程如圖3所示。

QUEST軟件是對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃與物流進(jìn)行建模與分析的全三維數(shù)字化環(huán)境，是成熟的離散事件建模工具[8]。采用Excel表建立生產(chǎn)效能評(píng)估模型的參數(shù)化接口，對(duì)模型中加工設(shè)備、物流設(shè)備、在制品、緩沖區(qū)等生產(chǎn)對(duì)象的屬性參數(shù)進(jìn)行配置，可以校核輸入數(shù)據(jù)，保證參數(shù)的準(zhǔn)確性；通過二次開發(fā)生成QUEST軟件的仿真控制命令，自動(dòng)生成生產(chǎn)效能評(píng)估模型，具體流程如圖4所示。首先通過集成接口將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等錄入到Excel參數(shù)化配置界面中；然后通過VBA語言生成BCL（Batch Control Language）和 SCL（Simulation Control Language）等仿真邏輯控制命令文件；最后在QUEST軟件中執(zhí)行這些命令文件，生成參數(shù)化的三維生產(chǎn)效能評(píng)估模型。

圖2 車間現(xiàn)場(chǎng)多源數(shù)據(jù)的采集Fig.2 Multi source data collection from workshop floor

圖3 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)線效能評(píng)估流程Fig.3 Production operation evaluation based on real-time data

圖4 參數(shù)化的生產(chǎn)效能評(píng)估模型Fig.4 Production efficiency evaluation based on parameterized model

生產(chǎn)效能評(píng)估模型實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，包括工序的完工狀態(tài)、設(shè)備的狀態(tài)、物料的準(zhǔn)備狀態(tài)等，對(duì)生產(chǎn)線上正在執(zhí)行的生產(chǎn)計(jì)劃（工作令）進(jìn)行評(píng)估，對(duì)執(zhí)行進(jìn)度進(jìn)行可視化，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。圖5是工作令712-06-08短艙部件的生產(chǎn)計(jì)劃完成進(jìn)度可視化。

人機(jī)交互式二維/三維集成可視化界面

可視化界面基于B/S架構(gòu)，采用三維虛擬車間環(huán)繞型導(dǎo)航與二維數(shù)據(jù)表單結(jié)合展示車間的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。三維可視化嵌入于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的首頁，二維界面采用網(wǎng)頁，如圖6所示。三維可視化界面展現(xiàn)車間整體的設(shè)備布局、設(shè)備的狀態(tài)信息（零件對(duì)象、加工、待機(jī)、故障停機(jī)等）、加工工藝信息（焊接電流、電壓、溫度等）；二維數(shù)據(jù)表單展現(xiàn)每臺(tái)設(shè)備更為詳細(xì)的狀態(tài)信息：主軸轉(zhuǎn)速、主軸功率、進(jìn)給速度、焊前檢測(cè)信息、故障信息、加工累計(jì)時(shí)間等。上述兩者都與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)象相關(guān)聯(lián)，定時(shí)刷新。三維人機(jī)界面的“車間漫游”功能按鈕，可以鳥瞰3D虛擬車間，通過鼠標(biāo)或者鍵盤可進(jìn)行3D虛擬車間的交互式漫游。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity3D軟件進(jìn)行虛擬車間三維模型的渲染與動(dòng)作建模，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。Unity3D支持各種腳本語言包括JavaScript、C#、Python，兼容各種操作系統(tǒng)，真正的實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)。本文選用Visual Studio 2010和C#分別作為開發(fā)平臺(tái)和腳本語言。利用三維CAD軟件如Solidworks、多媒體建模軟件如3DS Max等對(duì)數(shù)字化車間的廠房、設(shè)備、工裝、車間6S元素等車間制造資源進(jìn)行三維建模，如圖7所示。為了實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景模型的實(shí)時(shí)渲染，保證渲染的幀率，需要對(duì)面片較多的模型進(jìn)行細(xì)節(jié)層次（LOD）的制作。虛擬場(chǎng)景采用場(chǎng)景樹進(jìn)行管理，利用樹結(jié)構(gòu)來表現(xiàn)物體之間的層級(jí)關(guān)系，子節(jié)點(diǎn)是父節(jié)點(diǎn)的子物體，所有節(jié)點(diǎn)是根節(jié)點(diǎn)的子物體，直觀的描述場(chǎng)景物體之間的關(guān)系。通過Unity引擎中提供的動(dòng)作建模、三維漫游、碰撞檢測(cè)、場(chǎng)景導(dǎo)入等功能模塊實(shí)現(xiàn)虛擬車間模型的實(shí)時(shí)渲染和人機(jī)交互功能。設(shè)計(jì)場(chǎng)景功能模塊，通過渲染管理器進(jìn)行視點(diǎn)、光照、場(chǎng)景模型節(jié)點(diǎn)的渲染與網(wǎng)頁發(fā)布，成為車間虛擬場(chǎng)景文件[9]。另外在三維場(chǎng)景中，由于有些場(chǎng)景模型需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的可視化，在建模過程中要定義各個(gè)部件之間的附屬關(guān)系，建立模型的運(yùn)動(dòng)自由度（DOF）。

采用JSON數(shù)據(jù)交換格式實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景與二維網(wǎng)頁之間的通信，實(shí)現(xiàn)它們之間的控制命令、可視化數(shù)據(jù)的雙向傳送；三維場(chǎng)景獲得JSON字符串后，將其中的內(nèi)容解析，用于不同設(shè)備的數(shù)據(jù)顯示，如圖8所示。當(dāng)在三維場(chǎng)景中點(diǎn)擊相應(yīng)設(shè)備模型后，模型的名稱、設(shè)備號(hào)等信息會(huì)傳遞給網(wǎng)頁中定義的接收函數(shù)，設(shè)備實(shí)時(shí)信息和參數(shù)值則會(huì)在三維場(chǎng)景中進(jìn)行可視化，從而實(shí)現(xiàn)二者之間的通信[10]。

圖5 生產(chǎn)效能評(píng)估模型結(jié)果可視化Fig.5 Visualization of production efficiency evaluation

圖6 二維/三維集成人機(jī)交互界面Fig.6 2D/3D human computer interaction interface

圖7 設(shè)備三維模型Fig.7 3D model of equipment

圖8 設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化Fig.8 Real time data visualization

結(jié)束語

本文研究了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化車間運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，開發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與管理、生產(chǎn)效能評(píng)估建模、人機(jī)交互式三維/二維集成可視化等功能模塊，建立起數(shù)字化車間運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)。平臺(tái)基于B/S架構(gòu)，采用多種接口協(xié)議對(duì)各種數(shù)控設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行采集，并通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理；建立了車間實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)效能評(píng)估模型，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，提供優(yōu)化調(diào)度方案；設(shè)計(jì)三維可視化/二維數(shù)據(jù)表單的一致化數(shù)據(jù)可視化界面，提高了人機(jī)交互性。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字化車間的實(shí)時(shí)監(jiān)控與評(píng)估，助力航天產(chǎn)品制造企業(yè)生產(chǎn)向數(shù)字化、信息化與精益化管理模式轉(zhuǎn)型升級(jí)。

參 考 文 獻(xiàn)

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