面向數(shù)字化鐵路貨車檢修車間智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

中圖分類號：TQ014;TP277.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）07-0136-04

Abstract：The construction ofa digital workshop is a key link to realize the inteligent and automated maintenance of railway wagons，and visual monitoring isan important functional module for thedigital workshop to realize the transparencyof the production process.Inorder to solve the problems of limited perspective，isolated images，poor real-time and interactivityof the existing monitoring system，basedon digital twin technology，information perception integration technology，data acquisitionand processing technologyand VR/AR technology，this paperstudiedand constructed a three-dimensional visual virtual monitoring system.Combined with the production status and actual needs offreight car maintenance，through the studyof the virtual workshop establishment methodand multi-source heterogeneous information perception integration technology，the data acquisitionand processng technologyand human-computer interaction were realized，and the systemarchitecture of the virtual monitoring system of therailway freight car maintenance workshop was established，as wellas the virtual monitoring mode of all elementsand the whole process monitoring driven by data and the production and operation status of the physical workshop were mapped by the three-dimensional virtual workshop，and the practical method was explored for the three-dimensional visual monitoring of therailway freight car maintenanceindustry.Itis an important technical support for the inteligent construction monitoring system of digital workshop.

Key words ：MES system;virtual monitoring;three-dimensional visualization;data driven; digital twin

生產(chǎn)過程執(zhí)行（MES）系統(tǒng)是數(shù)字化車間的核心控制系統(tǒng)，可視化監(jiān)控是MES系統(tǒng)的重要功能模塊之一，其強調(diào)的是生產(chǎn)運行過程中各個環(huán)節(jié)的透明化與可視化。

傳統(tǒng)的可視化監(jiān)控主要有兩種模式：一種是通過攝像監(jiān)控和設(shè)備預(yù)警的方式，監(jiān)控車間實際的生產(chǎn)狀況；一種是將車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合成圖表信息，以便管理人員進行分析判斷。

而“工業(yè)4.0”時代，自動化裝備通過配置PLC、傳感器等，可以抓取并傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備或設(shè)備與系統(tǒng)的信息互聯(lián)，形成實體設(shè)備與信息化技術(shù)的深度融合。攝像監(jiān)控結(jié)合報表的傳統(tǒng)監(jiān)控模式的實時性和交互性較差，已不能滿足智能化數(shù)字化工廠對生產(chǎn)監(jiān)控的要求。

本文結(jié)合“虛擬物理融合”的概念，以貨車檢修數(shù)字化工廠為原型，利用三維虛擬仿真技術(shù)搭建車間三維模型，通過與車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成，將實體車間的物理模型和生產(chǎn)信息以虛擬數(shù)字鏡像模型的狀態(tài)呈現(xiàn)，使得可視化系統(tǒng)具有實時性和交互性。該虛擬系統(tǒng)是面向鐵路貨車檢修全過程的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)[1]，能夠?qū)崟r、信息化地體現(xiàn)車間實際的生產(chǎn)過程，滿足管理人員對車間各狀態(tài)信息實時精準(zhǔn)監(jiān)控的需求。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)整體框架分為設(shè)備感知層、控制層、服務(wù)支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和表示層[3]

1.1 設(shè)備感知層

設(shè)備感知層位于虛擬監(jiān)控系統(tǒng)的底層，涵蓋貨車檢修車間的所有檢修設(shè)備、物料存儲輸轉(zhuǎn)設(shè)備、壓裝設(shè)備、試驗設(shè)備等，設(shè)備層通過傳感器直接檢測或讀取PLC（可編輯邏輯控制器）數(shù)據(jù)獲取設(shè)備的工作參數(shù)和狀態(tài)信息[4]，同時能夠識別檢修部件的RFID（射頻自動識別技術(shù)）編碼，記錄并上傳部件在工序流轉(zhuǎn)過程中的位置信息和檢修信息。

1.2 控制層

系統(tǒng)控制層通過OPC-UA服務(wù)器采集設(shè)備PLC 數(shù)據(jù)[2]，能夠?qū)鬏斝畔⑦M行處理打包。按需傳遞，輕量化數(shù)據(jù)傳輸體量，保證監(jiān)控系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)的模塊和接口需具備強大的兼容性[5]，能夠接入不同類型的工業(yè)通訊協(xié)議，準(zhǔn)確高效地完成設(shè)備數(shù)據(jù)上傳頂層監(jiān)控系統(tǒng)的工作。

1.3服務(wù)支撐層

服務(wù)支撐層是虛擬監(jiān)控系統(tǒng)的平臺環(huán)境，是多源數(shù)據(jù)處理與分析的關(guān)鍵組件，包含微服務(wù)組件、中間件組件、Devops、低代碼配置中心等，其主要作用是支撐數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化、規(guī)范化的分解和組合，滿足上層服務(wù)器對底層設(shè)備信息的訪問以及應(yīng)用層對數(shù)據(jù)庫的查詢、處理與反饋[6]

1.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層是虛擬監(jiān)控系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)功能，由相應(yīng)的功能模塊體現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)需求。根據(jù)貨車檢修車間的特點，業(yè)務(wù)應(yīng)用層分為設(shè)備監(jiān)控模塊、檢修部件監(jiān)控模塊、物流監(jiān)控模塊和人員監(jiān)控模塊[7]?！霸O(shè)備監(jiān)控模塊”是設(shè)備三維虛擬模型與多源數(shù)據(jù)的融合，既能從宏觀層面通過有色信號概覽設(shè)備的運行狀態(tài)是否正常，又能深人每條檢修工藝線，查看設(shè)備的即時負(fù)載、能耗、利用率、執(zhí)行進度、故障信息等[8]；“檢修部件監(jiān)控模塊”依托RFID 編碼對部件進行全過程追蹤，實時監(jiān)控檢修部件的位置、流轉(zhuǎn)路徑、在每個工位每臺設(shè)備的檢修信息，最終形成以部件為導(dǎo)航的檢修三維地圖；“物流監(jiān)控模塊”主要對車間內(nèi)負(fù)責(zé)部件和物料移動、輸轉(zhuǎn)的AGV、桁架機械手等運輸設(shè)備的位置變化進行監(jiān)控，包括工藝線內(nèi)的運動路徑，以及在各檢修區(qū)域間的路徑信息，實時監(jiān)控物流輸轉(zhuǎn)是否順暢，并反饋物流信息至MES系統(tǒng)，調(diào)整物流通道的疏密，保證高效節(jié)能的轉(zhuǎn)運效率[9]；“人員監(jiān)控模塊”主要監(jiān)控人員作業(yè)狀態(tài)以及安全狀態(tài)，車間內(nèi)劃分一級無人區(qū)、二級無人區(qū)、有人區(qū)，系統(tǒng)監(jiān)控作業(yè)人員按照不同區(qū)域的要求進行作業(yè)，及時預(yù)警及報警，確保作業(yè)正確安全。

1.5表示層構(gòu)建及實現(xiàn)

表示層是人機交互界面，同時是監(jiān)控內(nèi)容的具象展示層。表示層需配置中央控制室大屏幕看板、車間PC端和移動端應(yīng)用。中央看板是對檢修車間的總覽，是信息匯總和展示的頂層界面；車間PC端分布在各個檢修區(qū)域以及檢修工位，按照不同層級展示監(jiān)控信息[1；移動端配置給作業(yè)人員，監(jiān)控人員行走路線，向作業(yè)人員預(yù)警無人作業(yè)區(qū)的區(qū)域范圍以及AGV運行路徑，對異常作業(yè)行為進行反饋與報警。

2關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建及實現(xiàn)

2.1虛擬貨車檢修車間構(gòu)建

虛擬車間構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字孿生技術(shù)，以數(shù)字化方式拷貝工廠物理對象，虛擬映射設(shè)備、物料、人員等在現(xiàn)實車間中的行為和狀態(tài)，實現(xiàn)物理車間的全流程可視化監(jiān)視和管控[11-13]。虛擬車間模型建立的要素是物理模型、信息模型和工序模型。

2.1.1 物理模型

物理模型是對檢修車間中客觀存在的檢修裝備、檢修流水線、轉(zhuǎn)運設(shè)備、檢修部件、作業(yè)人員、配件及物料等的數(shù)字化映射模型，通過三維建模軟件從實體外觀、物理動作、行為路線等多個維度對車間進行建模。模型架構(gòu)分為3個層級：第1層級是單體設(shè)備、單個部件以及單個人員的單獨生產(chǎn)要素的單元級模型；第2層級是由多個單元級模型組成的檢修流水線、檢修區(qū)域、物流通道、立體倉庫等系統(tǒng)級模型[14];第3層級是多個系統(tǒng)級模型集成交互、有序排布的車間級模型。

2.1.2 信息模型

信息模型是物理模型運動衍生的數(shù)據(jù)集合，表達(dá)了部件檢修過程中的全生產(chǎn)要素的信息結(jié)構(gòu)，其模型架構(gòu)分為2個層級：第1層級是車間實體生產(chǎn)單元產(chǎn)生的真實數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運行狀態(tài)、部件檢測數(shù)據(jù)、物料流轉(zhuǎn)路線等，此類數(shù)據(jù)可以通過傳感器直接采集[15]；第2層級是在真實數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過算法定義、仿真推演、深度學(xué)習(xí)的手段獲取的綜合信息，這些信息是對第1層級信息的分析和補充，是管理人員對車間進行可視化監(jiān)控的直觀依據(jù)。信息模型與物理模型相結(jié)合，能夠同步展示生產(chǎn)運行過程，為實現(xiàn)數(shù)字化車間的虛擬監(jiān)控提供基礎(chǔ)條件。

2.1.3 工序模型

構(gòu)建工序模型是在虛擬監(jiān)控系統(tǒng)中定義生產(chǎn)要素的行為邏輯，以部件檢修工序為主要脈絡(luò)，以物流運轉(zhuǎn)為分支脈絡(luò)，呈現(xiàn)各生產(chǎn)要素在時間和空間上的狀態(tài)及活動信息[16]。被納入工序模型的生產(chǎn)要素，在進入檢修工序后會被賦予質(zhì)量數(shù)據(jù)判定標(biāo)準(zhǔn)和檢修路徑，也就代表該生產(chǎn)要素在某一時間段的狀態(tài)以及其途徑地和目的地都是被預(yù)設(shè)的，需要按照工序模型設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)前行。反之，如果在檢修過程中，當(dāng)部件或者配件被轉(zhuǎn)運至錯誤的工位，監(jiān)控系統(tǒng)將識別、定義并反饋該情況至MES系統(tǒng)，MES系統(tǒng)通過分析判斷，將該部件的正確工位和返回路線下達(dá)至設(shè)備層，同樣由監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)命令是否被正確執(zhí)行。

2.2 信息感知集成

貨車檢修車間按照檢修部件分為6條檢修工藝線，每條工藝線均配置檢測、檢修、轉(zhuǎn)運、試驗等各種不同類型的設(shè)備，種類繁雜并且數(shù)量較多，設(shè)備通過PLC、工控機或者上位機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，由于工業(yè)通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)接口的不同，數(shù)據(jù)信息傳輸方式也存在多種不同的表達(dá)方式，既有結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的混合型數(shù)據(jù)，又有分布于不同的平臺或系統(tǒng)的離散型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要與各類應(yīng)用系統(tǒng)進行交互，從而組成了多源異構(gòu)信息[17]

對于虛擬監(jiān)控系統(tǒng)而言，多源異構(gòu)信息的信息組成較為復(fù)雜，涵蓋設(shè)備工況信息源、物料信息源、工序運行信息源、人員信息源、檢修質(zhì)量信息源、生產(chǎn)環(huán)境信息源等，而信息感知層是通過在車間配置多種信息采集裝置，通過RFID編碼、條形碼、工控機、PLC等實時采集各生產(chǎn)要素的信息，此類數(shù)據(jù)往往信息量龐大且無法直接使用。多源異構(gòu)信息感知集成模型如圖1所示。信息集成層的核心是信息標(biāo)準(zhǔn)化描述，是將多源異構(gòu)性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的過濾、篩選、解釋、組合，形成可被上層系統(tǒng)有效理解的異構(gòu)同源數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)信息增值。

過濾 篩選 解釋 組合信息集成

4 中工業(yè)通訊協(xié)議 數(shù)據(jù)接口 數(shù)據(jù)采集Modus CAN X XML格式 RControlNet PLC..*·..·信息感知

2設(shè)備工況信息源 物料信息源 工序運行信息源設(shè)備負(fù)荷工作效率 物料庫存物料位置 工序啟停工序交互振動分析 輸轉(zhuǎn)路徑.人員信息源 檢修質(zhì)量信息源 生產(chǎn)環(huán)境信息源人員位置操作行為 工藝參數(shù)合格率 作業(yè)防護周界報警...·能源異常消.多源異構(gòu)信息源

2.3 實時數(shù)據(jù)采集處理

貨車檢修車間檢修環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常龐大，虛擬監(jiān)控系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時，需要根據(jù)應(yīng)用層功能模塊的需要進行信息的篩選、重組和表達(dá)，去除冗雜信息，保留反映車間運行的監(jiān)控類信息，并按層級需要反饋到中央大屏、車間客戶端和手持移動端。

由于各生產(chǎn)要素的信息是隨著時間積累不斷更新變化的，因此數(shù)據(jù)采集的實時性非要重要，實時數(shù)據(jù)處理模型圖如圖2所示。

開始數(shù)據(jù)整理 標(biāo)準(zhǔn)化處理清除冗雜數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)分類識別缺失數(shù)據(jù)、偏離數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)輕量化處理，邊緣計算確認(rèn)數(shù)據(jù)有效性 初步聚合，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化否↑ ↓數(shù)據(jù)表達(dá)確認(rèn)數(shù)據(jù)可靠性 數(shù)據(jù)鏈聚合堤 數(shù)據(jù)模型測試上傳系統(tǒng)↓結(jié)束

數(shù)據(jù)采集方式主要包括可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）機床信息采集監(jiān)控系統(tǒng)（DNC）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）等。PLC是面向單個生產(chǎn)要素的邏輯控制器，用于實現(xiàn)檢修設(shè)備的具體操作與工藝控制；DNC和DCS是系統(tǒng)級數(shù)據(jù)采集方式；SCADA增加了數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。各數(shù)據(jù)采集設(shè)備分散在車間各個工點，通過車間局域網(wǎng)的方式進行連接，并統(tǒng)一傳輸至數(shù)據(jù)庫進行處理[18]。

為了確保實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院蜏?zhǔn)確性，數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理才能上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理過程包括數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和數(shù)據(jù)表達(dá)3個層次。第一層次是整理原始數(shù)據(jù)，清除冗雜數(shù)據(jù)，識別缺失數(shù)據(jù)和偏離數(shù)據(jù)[19]，確認(rèn)數(shù)據(jù)的有效性;第二層次是對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將多源數(shù)據(jù)整合成能夠被上層系統(tǒng)識別的信息，同時對數(shù)據(jù)進行輕量化處理，借助邊緣計算方法，將數(shù)據(jù)運算分析工作由網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點轉(zhuǎn)移至邊緣節(jié)點去處理，進而提高數(shù)據(jù)處理效率、減少云端數(shù)據(jù)負(fù)荷、降低數(shù)據(jù)傳輸時延，為數(shù)字傳輸?shù)膶崟r性提供保障；第三層次是面向功能模塊所需要的目標(biāo)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，從移動端級、車間客戶端級、中央控制級所需數(shù)據(jù)內(nèi)容的區(qū)別上進行定向表達(dá)，通過數(shù)據(jù)的分類和融合提高數(shù)據(jù)的表達(dá)質(zhì)量[20]

2.4人機交互實現(xiàn)

虛擬監(jiān)控系統(tǒng)把實時監(jiān)控信息分級分類整合推送到車間、檢修區(qū)域、工藝線、工位、移動端的各層級監(jiān)控端，以三維虛擬可視化圖形的方式讓管理和操作人員更好地觀察生產(chǎn)過程。其人機交互主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是管理和操作人員通過對三維虛擬車間的監(jiān)控實現(xiàn)對物理車間的監(jiān)控；另一方面是通過AR/VR（虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實）技術(shù)進行沉浸式場景漫游，實現(xiàn)3D人機交互。

鐵路貨車檢修車間具有物理空間大、檢修區(qū)域多、檢修設(shè)備種類多、作業(yè)工序復(fù)雜等特點，傳統(tǒng)攝像監(jiān)控畫面相互孤立、缺乏關(guān)聯(lián)性，需要多個角度綜合觀察[21]。虛擬監(jiān)控系統(tǒng)能夠按照需要切換觀察視角，全景視角可總覽整個車間的生產(chǎn)情況，局部視角能觀察單個流水線、關(guān)鍵工位和主要設(shè)備的運行情況。管理人員可以通過視角的多維轉(zhuǎn)換，全面地、系統(tǒng)地監(jiān)控與生產(chǎn)現(xiàn)場同步的虛擬車間。

當(dāng)出現(xiàn)異常預(yù)警時，管理人員通過點選虛擬場景中的異常點位，能夠詳細(xì)查看該點位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)和異常分析等信息，迅速處理判斷并將命令下達(dá)至車間，實現(xiàn)人機交互。

3結(jié)語

本文面向數(shù)字化貨車檢修車間對可視化監(jiān)控的要求，基于數(shù)字孿生技術(shù)、多源異構(gòu)信息感知集成技術(shù)、實時數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)和VR/AR技術(shù)，研究構(gòu)建了三維可視化虛擬監(jiān)控系統(tǒng)，針對性地解決現(xiàn)有監(jiān)控體系視角局限、畫面孤立、實時性和互動性差的問題。文章分析確立了虛擬監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)體系，并通過建立三維虛擬車間實現(xiàn)對物理車間的虛擬映射，結(jié)合貨車檢修的生產(chǎn)現(xiàn)狀和實際需求，提出數(shù)據(jù)驅(qū)動下全要素、全流程監(jiān)控的虛擬監(jiān)控模式，為鐵路貨車檢修行業(yè)的可視化監(jiān)控提出了切實可行的方法，為數(shù)字化車間建設(shè)監(jiān)控體系提供了具有借鑒意義的思路。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馮俊，唐敦兵，朱海華，等.面向離散車間生產(chǎn)過程的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)研究［J].機械制造與自動化，2021，50（5） ：152-155.

[2]于旭冉.基于OPCUA的工控信息化數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2019.

[3]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(shù)，2016（20）：97-100.

[4]方磊，李德寶，唐火紅，等.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)[J].組合機床與自動化加工術(shù)，2017（12）：117-120.

[5]尚福瑞，范云飛，郝強，等.基于深度學(xué)習(xí)的工程作業(yè)智能監(jiān)控技術(shù)的模型優(yōu)化測試［J].粘接，2023，50（4） ：182-186.

[6]田富君，田錫天，耿俊浩，等.基于模型定義的工藝信息建模及應(yīng)用［J].計算機集成制造系統(tǒng)，2012，18（5） ：913-919.

[7］林璃，陳日成，金濤.面向復(fù)雜信息系統(tǒng)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)[J].中國測試，2020，46（7）：1-7.

[8]許逵，羅顯躍，龍黔，等.設(shè)備終端智能監(jiān)控視區(qū)布點技術(shù)方案優(yōu)化設(shè)計[J].粘接，2023，50（11）：153-156.

[9]徐一銘.實時數(shù)據(jù)采集處理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2021.

[10]魏勇軍，劉璇，齊銳，等.輸變配一體化智能技術(shù)的視頻監(jiān)控云平臺設(shè)計與應(yīng)用[J].粘接，2023，50（11）：185-188.

[11］劉腸波.5G環(huán)境下虛擬映射理論研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2019.

[12]魏一雄，郭磊，陳亮希，等.基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生車間研究及實現(xiàn)［J].計算機集成制造系統(tǒng)，2021，27（2）：352-363.

[13]周成，孫愷庭，李江，等.基于數(shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)［J].計算機集成制造系統(tǒng)，2022，28（3） ：758-768.

[14］孫愷廷.基于數(shù)字孿生的車間三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)研究［D].南京：南京理工大學(xué)，2020.

[15］楊海素.面向MES的制造過程信息采集與處理系統(tǒng)研究［D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[16]王旭.我國焊管制造企業(yè)提質(zhì)轉(zhuǎn)型路徑思考—生產(chǎn)過程數(shù)字化、自動化和企業(yè)管控信息化[J].鋼管，2022，51（1） ：1-6.

[17］孫云.面向生產(chǎn)過程管控的數(shù)據(jù)建模、集成及存儲技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2021.

［18]羅珊珊.基于數(shù)字孿生的機房三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2021.

[19］蔡小平.基于 BIM+GIS 的高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].粘接，2022，49（12）：165-168.

[20］彭祥.基于Cesium的智慧園區(qū)三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].武漢：武漢郵電科學(xué)研究院，2021.

［21]張平.基于BIM技術(shù)的三維監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究［J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2019（4）：97-101.