基于实时信息驱动的制造过程可视化监控平台

基于实时信息驱动的制造过程可视化监控平台

刘明周王强马靖

合肥工业大学,合肥,230009

摘要：针对目前由于缺乏有效的手段支持离散制造过程实时监控,导致生产车间透明程度低、信息流实时性差等问题，采用面向对象的方法构建制造资源本体模型(ROM)和一种支持生产系统实时监控的对象模型(IMPV),并定义了IMPV的对象数据模型、可视化表征模型、对象操作模型和信息交互控制模型。在此基础上，设计并实现了一种支持制造过程实时可视化监控的体系架构，详细讨论了IMPV的实例化方法以及基于规则映射的资源感知与信息集成模式，最后将该可视化监控系统应用于某发动机装配车间中，取得了良好的应用效果。

关键词：可视化;生产系统;信息集成;过程监控

中图分类号:TH166

收稿日期:2014-12-10

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB013406)

作者简介：刘明周，男，1968年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院教授、博士研究生导师。研究方向为制造过程监测与控制、制造系统建模与仿真和CIMS等。王强(通信作者),男,1987年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院博士研究生。马靖,男,1987年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院博士研究生。

VisualMonitoringPlatformofManufacturingProcessBasedonReal-timeInformationDriven

LiuMingzhouWangQiangMaJing

HefeiUniversityofTechnology,Hefei,230009

Abstract:In order to deal with the low visibility for manufacturing processes,the time-lag effects of the information,and other problems,which were caused by the lack of the efficient measurements in the real-time monitoring of the discrete manufacturing process status,an object-oriented modeling approach was adopted to establish the resource ontology model(ROM) and the interface model for manufacturing process visibility(IMPV).Further,the data model,the visualization model,the operation model and the information interface model of IMPV were proposed and defined.Based on that,a framework of the real-time visual monitoring for manufacturing processes was designed,and the instantiation method of IMPV and the information integration mode were discussed based on mapping rules.Finally,the results of the visual monitoring system’s applications on an engine assembly line demonstrate that the proposed system can improve the productivity and efficiency.

Keywords:visualization;manufacturingsystem;informationintegration;processmonitoring

0引言

市场竞争的加剧,市场环境的瞬息万变,使得提高产品质量、降低生产成本、缩短交货期成为离散制造企业核心竞争力的集中体现,而这依赖于企业能否及时根据生产系统的运行状况进行制造资源的合理优化与配置。在实际生产过程中，由于缺乏有效的手段来实时监测生产系统的运行状态,故易造成生产过程不透明、信息滞后等问题,对作业车间的资源优化配置和生产调度造成了很大困难。为了解决上述问题，传统制造企业亟需一种能够直观掌握生产系统运行状态的可视化监控平台。

目前，国内外专家从不同角度对生产过程监控问题进行了研究。文献[1]为解决复杂产品制造过程中生产计划进度信息和生产异常信息实时监控问题，构建了一种面向复杂产品制造过程的可视化监控系统;针对质量监控与调整中噪声信息对测量数据质量影响的问题,文献[2]提出了一种基于统计过程控制与工程过程控制集成的制造过程质量监控与调整方法，并实现了产品加工质量的在线优化；文献[3]利用射频识别(RFID)中间件技术实现了关键制造节点状态监控；Senkuvienèt等[4]提出了一种能够实时显示设备运行状态(如有效工作时间、非有效工作时间和资源利用率等)的可视化方法，使设备管理更加实时化、透明化；高振清等[5]提出了基于多代理技术的制造过程可视化监控系统框架，但未详细阐述其实现过程；孙伟等[6]提出了一种机加工设备运行关键参数的监测方法,为设备的维护决策提供数据支撑；为了实现制造设备的广泛互联和远程诊断,刘日良等[7]利用MTConnect技术实现了数控设备运行状态的远程监测；针对多品种小批量机加车间监控可视性低、生产进度信息实时性差等问题,尹超等[8]基于flexsim软件构建了一种能动态反映车间生产进度、物料消耗情况、零件加工信息的机加车间生产任务执行情况的动态可视化监控系统；针对复杂产品装配执行过程中物料流与信息流脱节的问题，孙惠斌等[9]提出了一种装配执行过程网模型，以提高装配执行过程在线监控的实时性和准确性。文献[10]提出了一种基于生产过程的实时监控系统,该系统具有良好的可配置性和可拓展性，并能实时监控各类设备的工艺过程信息。

综上所述，国内外学者在生产过程实时监控领域取得了许多有价值的成果，但研究对象大都偏向于部分工况，并没有从生产系统全局角度出发，此外，上述系统不具有开放式的框架结构，且可拓展性较差、资源可重用度不高。鉴于此，本文借鉴已有的研究成果，提出一种基于实时信息驱动的生产系统实时可视化监控平台(real-timevisualizationmonitoringandcontrolplatform,RT-VMP)及其运行模式，以提升生产过程的透明化程度，为管理者决策提供数据支撑。

1制造资源本体模型与IMPV

本文采用面向对象和基于本体相结合的资源建模方法,建立统一、规范的制造资源本体模型(resourceontologymodel,ROM)，将制造资源的运行信息实时反映在ROM中,通过建立信息感知集成单元(datacollectionandIntegratedunit,DCIU)与ROM间的多层次关系及动态映射模型，实现制造资源运行信息的统一感知与发布，从而解决离散制造车间多源信息集成问题。通过建立DCIU与IMPV的映射模型，将制造资源运行状态反映在IMPV模型对象中，并以可视化的形式动态展示，从而实现生产系统运行状态的实时监测，使生产过程透明化。

1.1ROM

制造资源是生产信息的载体(信源)，制造资源的不同导致生产过程信息呈现多源异构特性，信息之间呈现独立性。本体作为知识的良好载体，有很好的概念层次结构以及对逻辑推理的有效支持;可实现各个层次信息领域本体之间的独立性，具有良好的可扩展性和互操作性，能够为多源异构信息集成提供一致性的语义环境。本文根据生产过程中各种相关信息的内涵及其依赖与从属关系，结合资源本体和元资源建模方法对制造资源领域的知识进行描述和建模[11],并使用形式化的方法进行表达。

定义1元资源BObj属于制造资源基本粒度,是不可再分的单元资源。元资源BObj由元资源标识Base-ID、元资源数据项DataItem所组成,其描述方法为BObj∷={Base-ID,DataItem1,DataItem2,…,DataItemN},元资源数据项DataItem可以定义为DataItem∷={BDIID,ItemPro1,ItemPro2,ItemPro3,…,ItemProN},其中BDIID是数据项的唯一标识,元资源属性ItemPro由属性名称ProName、属性值ProValue、属性数据类型ProDataType、属性描述ProDes来表征，即ItemPro∷ ={ProName,ProValue、ProDataType,ProDes}，其中属性数据类型有STRING、BOOL、WORD等。

定义2组合资源ComObj具有可再分性,是多个元资源或组合资源的组合体,其描述方法为ComObj∷={COID,CO-Set1,CO-Set2,…,CO-SetN,CO-Rels}。组合资源集CO-Set是元资源在一定的约束条件下耦合而成的,描述方法为CO-Set∷={COSID,SetPro1,SetPro2,…,SetProN,∑BObj,COS-Rels},其中COSID为组合资源集标识,SetPro为组合资源集属性,其描述与元资源属性描述一致,∑BObj为元资源集合,COS-Rels表示元资源之间的逻辑关系集合,CO-Rels表示组合资源之间的逻辑关系集合，逻辑关系有继承关系、组合关系、依赖关系等。

1.2IMPV

IMPV是制造资源的抽象化表达形式，能够实时反映制造资源的运行状态，此外，IMPV支持监控对象的自定义配置，从而能够灵活监控生产系统各环节的实时工况，IMPV由对象数据模型、可视化表征模型和对象操作模型三部分组成,即IMPV∷={Ob-DataModel,ViewSet-Model,Ob-OperateModel}。

定义3对象数据模型Ob-DataModel是IMPV的数据集合,Ob-DataModel由对象实体Entity和对象关系EntityRel组成,即Ob-DataModel∷={Entity,EntityRel},对象实体Entity则由数据集DataSet和数据集关系DataSetRel所组成，其描述方法为Entity∷={DataSet,DataSetRel},每个数据集DataSet有多个数据项Item所组成,即DataSet∷={Item1,Item2,…,ItemN},数据项Item可以定义为Item∷={ODIID,ItemPro1,ItemPro2,ItemPro3,…,ItemProN},其中ODIID是数据项的唯一标识，数据项属性ItemPro由属性名称ProName和属性数据类型ProType来表征，即ItemPro∷={ProName,ProType},数据集关联关系DataSetRel是数据项之间的内在逻辑关系ItemRel的集合，ItemRel可表征为ItemRel∷={ItemS,ItemG,Rel},其中ItemS源数据项,ItemG为目标数据项,Rel为两者的关联关系。

定义4可视化表征模型ViewSet-Model是IMPV界面呈现形式的集合，ViewSet-Model由视图样式Style和视图样式关系StyleRel所构成，即ViewSet-Model∷={Style,StyleRel},其中Style可表征为Style∷={ID,Color,Location,Size,Image,UDA},其中ID是视图样式的唯一标识，Color是视图的颜色样式，Location为视图的空间位置基准，Size为视图的空间尺寸基准，Image为视图关联图形样式，UDA为视图的用户自定义属性。StyleRel可表征为StyleRel∷={StyleS,StyleG,Rel},其中StyleS源视图样式，StyleG为目标视图样式，Rel为两者关联关系。

定义5对象操作模型Ob-OperateModel是IMPV对象操作类的集合，主要分为基本操作集BaseOpSet和复杂操作集ComOpSet，基本操作类实现对象的单一界面交互操作，如改变位置、大小、拖放等操作，BaseOpSet∈{Resize,Click,ForeColorChanged,Remove,AddElement,…}，复杂操作类是实现基本操作类无法实现的交互操作，属于用户自定义操作，主要包含数据检索、组合动态表征和信息发布等操作,ComOpSet∈{DataRetrieval,DataAnalysis,AndonStatistics,InfoFeedBack,…}。

2RT-VMP体系架构

如图1所示，RT-VMP平台框架分为物理感知层、网络通信层、IMPV建模及运作层和人机交互层。

图1　RT-VMP体系架构

物理感知层主要由RFID和各类感知传感器构成。其中，RFID、扫描仪等能够激活信息载体(如电子标签、二维码)并采集信息载体中的资源信息；传感器通过功能元件等对制造过程中的各种资源的状态、参数值进行感知、转换和输出，并能够按一定数据帧将信息输出。同时提供对其他层的数据服务功能。能够在不改变其他层数据关系的情况下，只需改变数据接口层中对数据库的连接即可适应数据服务层的变化，从而有效地保持系统的可扩展性和灵活性。

IMPV建模及运作层是系统功能应用的实现层,由IMPV建模模块和运行模块组成，其中IMPV建模模块负责构建各类监控对象，包括其数据格式、显示及交互方式的定义。IMPV运行模块通过解析监控对象模型获取组态信息，并根据与信息感知集成单元(DCIU)中变量的映射关系获取制造资源运行信息和增值信息，并以配置的可视表征样式呈现。

人机交互层提供可视化监控平台的人机操作画面，用户可以根据监控需求的变化对监控对象本体模型库、监控任务界面等模块进行动态配置，对变量库、可视表征库和对象操作类进行维护。

3RT-VMP关键实现方法

3.1资源感知与信息集成

生产系统的运行状态是制造资源运作情况的综合反映，准确掌握生产系统的运行状态依赖于对生产过程各类制造资源(MR)运行信息的全面感知、集成、共享与处理，本文从MR-ROM、ROM-DCIU、DCIU-IMPV、IMPV-IMPV映射模式入手来描述制造资源状态实时感知与信息集成过程，如图2所示。

图2　基于规则映射的资源感知与信息集成模式

智能制造单元(IAgent)由元制造资源和组合资源构成，制造过程中由制造资源产生各类原始生产事件，通过建立多层次事件间的关联模型，应用关键事件处理引擎对关键事件所涉及的各级多层次事件进行遍历,以获得各制造资源状态信息，根据前文中ROM的定义，为各类制造资源构建基于XML资源数据模型，并按照统一规则将制造资源状态信息映射到XML资源数据模型中，从而实现制造资源运行信息的语义化描述与统一发布，即实现MR-ROM的映射。

DCIU是信息集成的核心单元，由变量库、算法库、约束规则库和映射规则库组成,其中变量Var可描述为Var∷={ItemPro1,ItemPro2,…,ItemProN,Map,Res,Alg},其中ItemPro是制造资源ROM本体中数据项,Map则是数据项与变量间的映射规则，Res则是映射过程中的约束，如非空约束、类型约束等，Alg则是处理算法，如CPK、OEE等指标的算法，算法库中各算法以dll文件的形式进行封装，便于算法的维护与调用。按照配置的算法对输入数据项值进行处理增值后输出变量值，通过变量库动态调用与发布，从而实现底层制造资源运行信息的增值与共享,即ROM-DCIU的映射;Ob-DataModel是IMPV运行的基础，由多个数据集组成,通过建立数据集中各Item与Var间的对应关系即可实现DCIU-IMPV映射。

IMPV对象模型由Ob-DataModel、ViewSet-Model和Ob-OperateModel三个组件组成，组件之间的映射关系可分为以下三种类型：①一对一映射是基本的映射关系，如Ob-OperateModel中尺寸变更类ElementResize只能改变ViewSet-Model的图元尺寸ViewStyle-Size;②一对多映射多用于复杂对象操作, 如Ob-OperateModel中对象添加类ElementAdded会调用其他各组件实现模型对象初始化;③多对多映射也是多用于复杂对象操作，如设备状态和质量状态均可触发对象报警ElementAlert，而ElementAlert则可以同时触发图元颜色ViewStyle-Color和图元尺寸ViewStyle-Size的变化。

3.2IMPV实例化方法

为满足生产运行状态监控的多样化和动态性要求,RT-VMP应该具备监控任务的灵活定制与动态组合特性，IMPV是制造过程可视化监控对象的抽象化表达形式，通过配置对象数据模型、可视化表征模型和对象操作模型的参数以及与DCIU中变量间的映射关系，定义不同监控对象，从而使用户可以自由调整监控对象及监控粒度。IMPV实例化过程如图3所示。

图3　IMPV实例化流程

(1)对象数据模型是IMPV的基础,可视化表征模型、对象操作模型均依赖其数据来运作。采用面向对象的思想与聚类技术，在对象元模型的基础上，通过结构化派生与对象处理构建以数据集为载体的对象实体，并定义其数据接口以及与其他对象实体间的逻辑关系，实现对象数据模型的构建，对象数据模型与监控对象实体是一一对应关系。此外，通过配置数据项与DCIU中变量间的映射关系实现数据的实时获取，当监控需求变更时只需更改数据项关联的DCIU变量而不需要变更底层数据采集接口。

(2)可视化表征模型是IMPV的人机交互接口，它实时呈现了来自制造现场的各类原始数据和增值数据，在对象数据模型的基础上，定义可视化表征模型界面图元各视图样式参数与对象数据模型中数据项之间的映射关系，如Equipment实体对象的数据项Alert值为TRUE时，其可视化表征模型的视图颜色样式为RED，并进行闪烁。

(3)对象操作模型是控制IMPV可视化呈现的操作方法的集合，同时也集成了一些如数据查询、数据分析等功能。因此，在构建对象操作模型时从两方面入手，一方面是建立对象操作类与图元视图样式间的映射关系，如ElementResize方法就是变更视图的ViewStyle-Size，从而能够调整视图大小；另一方面是定义数据查询接口与数据分析算法等，从而实现一些复杂的实体对象操作。

(4)在IMPV各模型定义完成后，对其数据结构和逻辑映射关系进行序列化，进而形成一个对象本体模型，用户根据实际需求定义不同监控对象，形成对象本体模型库，另外对象本体模型库可以导入导出，从而能够实现监控任务的可配置化，配置完成后须经序列化存储，用户通过平台可随时调用配置文件并反序列化，从而能够从不同层级便捷灵活地监控生产系统运行状态。

4RT-VMP应用实例

以安徽某汽车发动机制造企业为例，其发动机种类较多，是典型的多品种、小批量生产模式，另外由于发动机装配精度要求较高且产品本身结构较为复杂，其装配过程需求由多条装配线协作完成，一般可分为缸盖分装线、活塞连杆分装线、曲轴分装线和总装线。发动机生产过程的复杂性要求各业务部门能够实时掌握生产过程各环节状态，进而协调一致才能保证生产的顺利进行。为此,根据第2章提出的基于实时信息驱动的制造过程可视化监控体系，基于.NET构架设计并开发了该企业的1.5TGDI发动机装配线实时可视化监控系统。

由于车间生产系统运行状态的实时监控涉及范围广、监控对象繁多，因此，本文通过对车间设备运行状态的监控来阐述RT-VMP的运行流程，首先利用本体建模工具建立车间设备资源的领域本体，利用xml、owl语言等对资源进行统一、规范化描述，这样能够屏蔽资源的异构性，规范制造资源描述，为设备运行信息的集成提供统一的语义环境。设备模型数据片段如下：

//静态信息集

JAC20-GW-DPV15 //

OP0120

加工设备

缸盖螺栓拧紧机

172.26.34.11

//所在装配线

生产线

缸盖分装线

JAC-415-2EH14-0AB0

正常

//动态信息集

//加工对象及加工结果信息

AE0700003

ET002467L60006GH130

GH130

OK

OK

是

是

//加工数据集

[14.2,15.3]NM

[89.2,91.3]度

//设备报警集

TRUE

FALSE

working

6h54m31s

3m21s

5

……

其次，需要选择合适的数据通道实现设备状态信息的实时采集，该发动机装配车间内所有加工设备均由PLC控制，故均支持OPC通信协议，测量设备不支持OPC通信协议,如海克斯康三坐标仪(需要通过监听PC-DMIS触发事件获取设备运行状态)和阀孔检测仪等，另外数控机床采用SINUMERIK840D数控系统，故需要结合设备厂家提供的接口定义数据格式，通过对设备运行信息和加工信息进行定义，再按照一定的规则映射到通用XML文档中，从而实现制造资源实时运行信息的感知与集成。然后通过基于ROM-DCIU映射模型，按照模型解析规则及匹配机制映射对输入参数进行匹配验证，同时按照配置的数据增值算法对输入参数进行增值,增值后的信息以数据服务的形式发布,有效降低平台耦合度，便于信息共享与集成。

根据用户组态配置和数据描述解析并实例化IMPV各模型组件,根据DCIU-IMPV的映射模型向DCIU发送消息订阅,当消息事件发生变化时,DCIU从订阅者队列中遍历消息的订阅者并发布消息。IMPV获取信息变更后根据模型间映射关系及相关数据变更调用Ob-OperateMode组件和ViewSet-Model组件,通过Ob-OperateMode实现图元的动作变更，通过ViewSet-Model图元的可视表征，并将实时数据匹配到Ob-DataModel中，从而完成实时工况的可视化显示，从而实现生产管理的透明化、实时化和远程化。

通过系统的应用，实现了生产系统运行信息的动态感知，对生产过程中设备运行情况、物料消耗状态、生产异常、产品加工质量等进行了有效的监控，提升了企业管理水平及决策的时效性，有效地改善了该车间的生产效率和产品质量，降低了生产成本。据统计,2012年至2014年该厂均处满负荷生产状态，系统在2013年实施应用后，车间生产率提高了7.9%，订单延时率降低了30%，设备维护成本降低了40%，具体数据如表1所示。

表1　系统应用前后效果对比

5总结

本文针对生产系统运行状态监控问题，提出并实现了一种基于实时信息驱动的生产过程可视化监控平台，并将其应用于某发动机装配车间，通过构建IMPV实现了装配车间监控对象的可配置化和组态化，用户能够自由定制监控任务和需求，通过建立ROM-IMPV逻辑映射模型以及多功能交互式信息终端采集信息的方法，实时、准确、全面地获得装配车间生产过程中设备、物料、生产进度和人员等实时信息，并通过IMPV可视化表征组件实时呈现，从而使生产过程透明化，为管理层提供决策支持。该系统很好地满足了企业对生产实时监控的需求，后续研究将在信息增值和生产过程动态优化控制两个方面展开，结合数据分析和数据挖掘等方法，对多源信息进行增值运算，以精准掌握制造系统运行状态并预测系统潜在的异常；同时研究生产过程的动态优化与反馈控制方法，使系统具备一定的协同优化能力。

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(编辑袁兴玲)