數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)*

方 磊，李德寶，唐火紅，何其昌

(1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院,合肥 230009；2.上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240)

數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)*

方 磊1，李德寶1，唐火紅1，何其昌2

(1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院,合肥 230009；2.上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240)

數(shù)字化車間的建設是實現(xiàn)制造業(yè)智能化、信息化的關鍵環(huán)節(jié)，而目前生產(chǎn)車間存在生產(chǎn)過程不透明、生產(chǎn)信息集成度不高、管理手段落后等問題。針對這些問題，提出了一種數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)框架；并對三維虛擬車間環(huán)境的構建、信息集成可視化以及設備狀態(tài)分析等關鍵技術進行了研究，在此基礎上開發(fā)了數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)物理車間的“虛擬映射”；最后，通過某生產(chǎn)車間的實際應用，驗證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

數(shù)字化車間；Uinty3D；實時監(jiān)測；虛擬映射

0 引言

隨著網(wǎng)絡技術和信息技術的迅速發(fā)展，數(shù)字化已成為制造業(yè)未來發(fā)展的主要方向之一[1-2]?！吨袊圃?025》[3]中也明確指出“在重點領域試點建設智能工廠/數(shù)字化車間，加快人機智能交互、工業(yè)機器人、智能物流管理、增材制造等技術和裝備在生產(chǎn)過程中的應用，促進制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實時監(jiān)測和自適應控制?！睌?shù)字化車間的建設對制造業(yè)企業(yè)轉型升級、快速適應市場需求具有重要意義。但目前數(shù)字化車間存在生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)實物流和信息流脫節(jié)，車間管理層與車間現(xiàn)場過程控制層不能進行及時有效的信息交互，車間管理人員無法對生產(chǎn)過程進行實時有效的監(jiān)測和管理等問題[4]。因此，有必要加強對數(shù)字化車間的監(jiān)測與管理。

近年來，國內(nèi)外許多專家學者針對數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)信息實時監(jiān)測方面展開了大量的研究和實踐，例如姜康等[5]構建了數(shù)字化車間的虛擬監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了車間信息的可視化；周光源等[6]設計開發(fā)了生產(chǎn)車間可視化實時監(jiān)控平臺，能對生產(chǎn)過程進行實時、動態(tài)監(jiān)控；Senkuvien等[7]論述了實時生產(chǎn)進度監(jiān)控和實時監(jiān)測設備的工作量的方法，實踐證明其所提出的方法對提高生產(chǎn)進度率是非常有效的；Abrishamkar等[8]針對自動化水平較低的制造業(yè)，提出了一種基于TCP/IP協(xié)議的遠程監(jiān)控制造系統(tǒng)的框架；周寅鵬[9]建立了面向系統(tǒng)監(jiān)控的制造過程信息表達框架,并提出了面向離散車間制造過程狀態(tài)監(jiān)控的解決方案；尹超等[10]構建了三維可視化動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，能動態(tài)反映生產(chǎn)進度、物料消耗、零件加工等車間信息；等等。

上述研究在數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)信息可視化、實時監(jiān)測等方面取得了許多有價值的成果，促進了車間的數(shù)字化建設。但仍存在一些問題：在數(shù)字化車間狀態(tài)信息集成、數(shù)據(jù)分析處理等方面的研究不多，車間現(xiàn)場三維可視化程度不足，GUI交互性不高等。為此，本文借鑒已有的研究成果，采用VR、Web、信息集成等技術， 以Unity3D[11]作為開發(fā)平臺，設計開發(fā)了能對數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測、集成和處理分析的監(jiān)控系統(tǒng)，并將其成功應用到某離散制造企業(yè)，驗證了其可行性和有效性，實現(xiàn)了可視化生產(chǎn)、精益生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)在結合企業(yè)現(xiàn)有信息系統(tǒng)(MES、ERP等)的基礎上，將車間生產(chǎn)現(xiàn)場、中央控制平臺以及客戶端統(tǒng)籌起來，對車間內(nèi)的制造資源進行三維可視化導航，顯示、分析與管理車間現(xiàn)場設備狀態(tài)信息如開關機、故障報警、關鍵的工藝參數(shù)等，實現(xiàn)車間生產(chǎn)管理的可視化、透明化。系統(tǒng)整體框架如圖1所示，分為設備物料層、核心業(yè)務層和終端表現(xiàn)層。

圖1 系統(tǒng)整體框架

(1)終端表現(xiàn)層是系統(tǒng)的頂層，是用戶與系統(tǒng)進行人機交互的可視化界面。系統(tǒng)采用B/S結構(Browser/Server)，其前端以TCP/IP協(xié)議為基礎，企業(yè)內(nèi)的WWW服務器可接受安裝了Web瀏覽器的Internet終端訪問[12]。因此，該界面可以通過多種途徑(中央大屏、移動PC等)展示，終端用戶只要通過Web瀏覽器就可調(diào)用系統(tǒng)資源處理各種任務[13]。這樣,客戶端電腦的載荷既可以得到簡化，系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量還可以減輕，最終降低了用戶的總體成本[14]。此外，人機交互界面友好，用戶可以通過鼠標、鍵盤等外設進行場景漫游、點擊設備、信息查詢等操作；車間三維場景的渲染采用虛擬現(xiàn)實技術，給用戶一種沉浸式的體驗。

(2)核心業(yè)務層是系統(tǒng)的核心部分，采用模塊化設計，主要包含了三個功能模塊，分別為設備狀態(tài)監(jiān)管、物流監(jiān)管和生產(chǎn)效能監(jiān)管?！霸O備狀態(tài)監(jiān)管”模塊提供三維虛擬現(xiàn)實環(huán)繞型導航與二維詳細數(shù)據(jù)表單展示兩種方式。三維可視化頁面嵌入于整個監(jiān)控系統(tǒng)的首頁，展現(xiàn)車間整體的設備布局、物流狀態(tài)等；二維數(shù)據(jù)表單則展現(xiàn)每臺設備更為詳細的狀態(tài)信息：主軸轉速、主軸功率、進給速度、故障信息、加工累計時間等?！拔锪鞅O(jiān)管”模塊主要對車間內(nèi)的行車、AGV小車等運輸設備的位姿進行可視化，在系統(tǒng)中實時反映出車間內(nèi)的物流情況，方便車間生產(chǎn)人員進行管理調(diào)度?！吧a(chǎn)效能監(jiān)管”模塊能基于每臺設備詳細的加工日志，以柱狀圖、餅狀圖、曲線圖等方式針對單臺設備不同周期定義下的開機率、待機總時長、設備有效利用率、任務負荷、執(zhí)行進度、故障次數(shù)等進行統(tǒng)計分析與評估；同時，該模塊還能基于MES系統(tǒng)中調(diào)取的完工確認信息與零部件標識信息，支持多個生產(chǎn)進度的并行表征。

(3)設備物料層是系統(tǒng)的底層，主要是生產(chǎn)車間內(nèi)的硬件設備，如數(shù)控機床、加工中心、物料運輸工具等。該層是設備狀態(tài)信息的來源，同時也是系統(tǒng)所需要進行實時監(jiān)測的對象。

設備物料層產(chǎn)生狀態(tài)信息，信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中；業(yè)務邏輯層根據(jù)各自的功能模塊分別從數(shù)據(jù)庫獲取相應的信息數(shù)據(jù)，進行預處理與分析；終端表現(xiàn)層將根據(jù)系統(tǒng)使用人員的指令，將相應的信息可視化出來。車間管理人員根據(jù)終端表現(xiàn)層展示的實時狀態(tài)信息，再來對設備物料層進行管理，形成信息閉環(huán)。

2 系統(tǒng)關鍵技術

2.1 三維虛擬車間環(huán)境的構建

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術是系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術之一，是創(chuàng)建虛擬三維車間環(huán)境的基礎。虛擬三維車間環(huán)境的構建可分為三個階段：第一階段是進行車間現(xiàn)場調(diào)研，獲取車間的布局信息并采集建模所需的圖片資源，利用3DS Max、Maya等三維建模軟件對廠房、設備、工裝、車間6S元素等進行三維建模，如圖2所示。第二階段是將這些模型導入Unity3D之中，并為設備編寫動作代碼，實現(xiàn)生產(chǎn)車間的虛擬呈現(xiàn)，使用戶有沉浸式的體驗；Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的一款國際領先的專業(yè)游戲引擎，具有場景渲染能力出色、多操作系統(tǒng)兼容等優(yōu)點，在航空航天、軍事國防、工業(yè)仿真等嚴肅游戲領域(Serious Games)均有廣泛應用。第三階段是人機交互界面的設計，界面如圖3所示。用戶使用鼠標點擊圖3右側的按鈕，可實現(xiàn)復位、平移、縮放等功能，用戶可以根據(jù)自己的需求進行相應的操作。

圖2 Fooker機床三維虛擬模型

圖3 人機交互界面

2.2 信息集成可視化

系統(tǒng)采用基于Web的開發(fā)技術，在將Unity3D發(fā)布成網(wǎng)頁版并在客戶端安裝Unity Webplayer插件后，將Unity3D嵌入網(wǎng)頁中，并通過二維/三維集成界面進行信息可視化。在Unity3D操作界面中，用戶可以通過點擊設備模型來查看相應設備的

狀態(tài)信息，也可以通過點擊網(wǎng)頁上相應的設備按鈕，在虛擬三維車間中對設備進行迅速定位，并顯示設備信息，用戶還可以根據(jù)需求自定義數(shù)據(jù)顯示的內(nèi)容，如圖4所示。因此，這就需要網(wǎng)頁與Unity3D之間能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的通信。

圖4 信息顯示配置界面

當用戶在Unity3D操作界面通過點擊虛擬三維車間中的虛擬設備來查看相應設備的狀態(tài)信息時，Unity3D這邊通過Application.ExternalCall()這一方法來調(diào)用網(wǎng)頁中定義好的JavaScript函數(shù)，從而獲得信息。例如：

Application.ExternalCall("clickEquipment",ChooseObject.name)；

其中，clickEquipment是被調(diào)用的網(wǎng)頁函數(shù)，ChooseObject.name則是給這個函數(shù)傳遞的參數(shù)，這里指的是被選中設備的名稱。

當用戶通過點擊網(wǎng)頁上的設備按鈕來選擇設備時，網(wǎng)頁這邊通過u.getUnity().SendMessage()這一方法向Unity3D發(fā)送消息，Unity3D做出應答(迅速定位到該設備)并向網(wǎng)頁發(fā)出獲得信息的請求。例如：

u.getUnity().SendMessage("Cube","SelectEquipment","EquipmentName")；

其中，Cube是Unity3D這邊腳本所在的物體，SelectEquipment是被調(diào)用的函數(shù)，EquipmentName則是給這個函數(shù)傳遞的參數(shù)，這里指的是被選中設備的名稱。

這樣，便實現(xiàn)了Unity3D和網(wǎng)頁之間的通信。當然，事先需要約定好傳參函數(shù)、參數(shù)意義以及傳遞的數(shù)據(jù)格式，網(wǎng)頁還需寫好實時更新數(shù)據(jù)的方法。為了增加傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的易解讀性，網(wǎng)頁在向Unity3D中傳遞數(shù)據(jù)時采用了JSON字符串的格式。部分通信函數(shù)的定義如表1所示。

表1 Unity3D和網(wǎng)頁之間的通信函數(shù)

2.3 設備狀態(tài)分析

生產(chǎn)車間內(nèi)的設備在運行時會產(chǎn)生各種各樣的狀態(tài)數(shù)據(jù)，有時，僅僅查看這些具體的數(shù)據(jù)是不夠的，還需要知道數(shù)據(jù)之中所蘊含的信息，這就要求系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進行分析處理。下面以設備報警、設備閾值預警和設備效能分析為例進行闡述。

當系統(tǒng)檢測到有報警信息時，則在系統(tǒng)的三維界面中會有紅色包圍框?qū)脑O備包圍起來，直到設備的報警信息消除后才會消失，這樣可以使生產(chǎn)人員與管理者一目了然，能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。如圖5所示。

圖5 設備報警

設備閾值預警對于及時發(fā)現(xiàn)設備故障、生產(chǎn)計劃制定、生產(chǎn)安全等方面具有重大意義。因此，系統(tǒng)具有設備閾值預警作用。以溫度為例，系統(tǒng)設有3個閾值：可允許最大溫度Tmax、標準均溫Tsta和可允許均溫最大偏差TΔ。系統(tǒng)每次從數(shù)據(jù)庫中讀取到設備實時溫度Ti，都會將之與Tmax比較；每連續(xù)10個溫度值求一次均值Tave，將其與TΔ比較，最后判斷報警與否。其算法邏輯如圖6所示。

圖6 設備閾值預警算法邏輯

設備效能分析主要是計算設備在不同定義周期下的利用率，系統(tǒng)根據(jù)用戶定義的時間周期T,統(tǒng)計計算出設備各個工況的時間Ti,則其所占比例為Ti/T。最后，對于單臺設備，系統(tǒng)以餅狀圖的形式將結果展示出來；對于多臺設備，系統(tǒng)以柱狀圖的形式將結果展示出來，方便比較，如圖7所示。

(a)單臺設備分析

(b)多臺設備對比分析圖7 設備效能分析界面

3 應用案例

筆者所在團隊基于.NET框架，利用C#語言和Unity引擎，開發(fā)了數(shù)字化車間狀態(tài)信息實時監(jiān)測系統(tǒng)，并將其成功應用到某復材成形生產(chǎn)車間。

系統(tǒng)利用VR、Web、信息集成等技術對實際生產(chǎn)車間(包括環(huán)境布局、設備狀態(tài)、生產(chǎn)效能等)進行虛擬仿真，實時呈現(xiàn)了整個生產(chǎn)車間的生產(chǎn)運轉情況，成功構建了“第二車間現(xiàn)場”。系統(tǒng)一方面與生產(chǎn)車間現(xiàn)場實時信息采集系統(tǒng)相銜接，實現(xiàn)了生產(chǎn)一線各項數(shù)據(jù)的匯總、預處理、顯示與分析等；另一方面對設備運行狀態(tài)、工件流轉、加工狀態(tài)、生產(chǎn)進度與效率等進行監(jiān)控，并結合必要的數(shù)據(jù)匯總分析手段，將可能對生產(chǎn)線造成的影響進行分析和診斷并形成決策提供給調(diào)度人員，以便對生產(chǎn)過程進行動態(tài)調(diào)度和緊急處理，確保車間穩(wěn)定高效運行。系統(tǒng)局部界面如圖8所示。

圖8 虛擬監(jiān)控系統(tǒng)界面

4 總結

本文在分析研究了國內(nèi)外專家學者研究成果的基礎之上，針對數(shù)字化車間狀態(tài)信息實時監(jiān)測方面存在一些問題，利用VR、Web等技術，基于Unity3D平臺設計開發(fā)了數(shù)字化車間狀態(tài)信息實時監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)字化車間狀態(tài)信息的實時監(jiān)測，完成了對實際生產(chǎn)車間的“虛擬映射”——“第二車間現(xiàn)場”。文章還詳細分析了系統(tǒng)框架及其關鍵技術，并以某實際車間為例介紹了系統(tǒng)的實際應用。

通過對制造業(yè)企業(yè)轉型升級這一實際需求的把握，本文為制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)信息化、數(shù)字化管理提出了切實可行的方法，也為數(shù)字化車間的建設與管理提供了一個新思路，十分具有借鑒意義。

[1] 楊叔子，吳波，李斌. 再論先進制造技術及其發(fā)展趨勢[J]. 機械工程學報, 2006, 42(1): 1-5.

[2] Chryssolouris G, Mavrikios D, Papakostas N, et al. Digital manufacturing: history, perspectives, and outlook[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2009, 223(5): 451-462.

[3] 國務院.國務院關于印發(fā)《中國制造2025》的通知[EB/OL].(2015-05-19)[2016-09-05].http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.html.

[4] 劉明周，王強,葛茂根,等. 基于射頻識別的裝配過程監(jiān)控體系研究[J]. 合肥工業(yè)大學學報: 自然科學版, 2012, 35(9): 1157-1162.

[5] 姜康，柯榕，趙小勇，等. 數(shù)字化車間虛擬監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 航空制造技術, 2016,515(20): 97-100.

[6] 周光源，王強. 生產(chǎn)車間可視化實時監(jiān)控平臺設計與開發(fā)[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2015(11): 145-148.

[7] Senkuvien I, Jankauskas K, Kvietkauskas H. Using manufacturing measurement visualization to improve performance[J]. Mechanika, 2014, 20(1): 99-107.

[8] Abrishamkar M, Hussein M, Zakaria K, et al. TCP/IP-Based Control and Monitoring of Manufacturing System[J]. Advanced Materials Research, 2013, 845:975-979.

[9] 周寅鵬. 離散型車間制造過程狀態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)研究[D]. 武漢:武漢理工大學, 2013.

[10] 尹超,張飛,李孝斌,等. 多品種小批量機加車間生產(chǎn)任務執(zhí)行情況可視化動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2013, 19(1): 46-54.

[11] Unity Technologies. Unity 4.X從入門到精通[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2013.

[12] 王于琳, 李進蘭. 數(shù)字化車間工具庫存管理系統(tǒng)研究[J]. 機械設計與制造, 2010(4): 250-252.

[13] Tomiyama T. A manufacturing paradigm towards the 21st century[J]. Integrated Computer Aided Engineering, 1997,4(3): 159-178.

[14] 吳大剛, 肖榮榮.C/S結構與B/S結構的信息系統(tǒng)比較分析[J]. 情報科學, 2003, 21(3): 313-315.

ResearchandRealizationofReal-timeMonitoringSystemforDigitalFactoryStatus

FANG Lei1, LI De-bao1, TANG Huo-hong1, HE Qi-chang2

(1. School of Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The construction of digital workshop is the key link to realize the intellectualization and informatization of manufacturing industry. However, there are still some problems such as the production process is not transparent enough, the integration of production information is not enough, and the management is backward. Aiming at these problems, a real-time monitoring system framework for digital factory status was put forward. The key technologies such as the construction of 3D virtual factory environment, the visualization of information integration and the analysis of equipment status were studied, on this basis, the real-time monitoring system for digital factory status was developed and the system achieved the “virtual mapping”of the physics factory.Finally, the system was applied to a production workshop, and the reliability and stability of the system were verified.

digital workshop; Uinty3D; real-time monitoring; virtual mapping

THl66;TG659

A

1001-2265(2017)12-0117-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.029

2017-02-28

上海市科學技術委員會科研計劃項目(15111107502)

方磊(1993—)，男，安徽舒城人，合肥工業(yè)大學機械工程學院在讀碩士，研究方向為計算機集成制造系統(tǒng)，(E-mail)fl18715150789@163.com。

(編輯李秀敏)