数字化车间生产状态实时监测系统的研究与实现*

方 磊，李德宝，唐火红，何其昌

(1.合肥工业大学 机械工程学院,合肥 230009；2.上海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200240)

数字化车间生产状态实时监测系统的研究与实现*

方 磊1，李德宝1，唐火红1，何其昌2

(1.合肥工业大学 机械工程学院,合肥 230009；2.上海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200240)

数字化车间的建设是实现制造业智能化、信息化的关键环节，而目前生产车间存在生产过程不透明、生产信息集成度不高、管理手段落后等问题。针对这些问题，提出了一种数字化车间生产状态实时监测系统框架；并对三维虚拟车间环境的构建、信息集成可视化以及设备状态分析等关键技术进行了研究，在此基础上开发了数字化车间生产状态实时监测系统，实现物理车间的“虚拟映射”；最后，通过某生产车间的实际应用，验证了该系统的可行性和有效性。

数字化车间；Uinty3D；实时监测；虚拟映射

0 引言

随着网络技术和信息技术的迅速发展，数字化已成为制造业未来发展的主要方向之一[1-2]。《中国制造2025》[3]中也明确指出“在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间，加快人机智能交互、工业机器人、智能物流管理、增材制造等技术和装备在生产过程中的应用，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制。”数字化车间的建设对制造业企业转型升级、快速适应市场需求具有重要意义。但目前数字化车间存在生产过程中各环节实物流和信息流脱节，车间管理层与车间现场过程控制层不能进行及时有效的信息交互，车间管理人员无法对生产过程进行实时有效的监测和管理等问题[4]。因此，有必要加强对数字化车间的监测与管理。

近年来，国内外许多专家学者针对数字化车间生产状态信息实时监测方面展开了大量的研究和实践，例如姜康等[5]构建了数字化车间的虚拟监控系统，实现了车间信息的可视化；周光源等[6]设计开发了生产车间可视化实时监控平台，能对生产过程进行实时、动态监控；Senkuvien等[7]论述了实时生产进度监控和实时监测设备的工作量的方法，实践证明其所提出的方法对提高生产进度率是非常有效的；Abrishamkar等[8]针对自动化水平较低的制造业，提出了一种基于TCP/IP协议的远程监控制造系统的框架；周寅鹏[9]建立了面向系统监控的制造过程信息表达框架,并提出了面向离散车间制造过程状态监控的解决方案；尹超等[10]构建了三维可视化动态监控系统，能动态反映生产进度、物料消耗、零件加工等车间信息；等等。

上述研究在数字化车间生产状态信息可视化、实时监测等方面取得了许多有价值的成果，促进了车间的数字化建设。但仍存在一些问题：在数字化车间状态信息集成、数据分析处理等方面的研究不多，车间现场三维可视化程度不足，GUI交互性不高等。为此，本文借鉴已有的研究成果，采用VR、Web、信息集成等技术， 以Unity3D[11]作为开发平台，设计开发了能对数字化车间生产状态信息进行实时监测、集成和处理分析的监控系统，并将其成功应用到某离散制造企业，验证了其可行性和有效性，实现了可视化生产、精益生产。

1 系统框架

系统在结合企业现有信息系统(MES、ERP等)的基础上，将车间生产现场、中央控制平台以及客户端统筹起来，对车间内的制造资源进行三维可视化导航，显示、分析与管理车间现场设备状态信息如开关机、故障报警、关键的工艺参数等，实现车间生产管理的可视化、透明化。系统整体框架如图1所示，分为设备物料层、核心业务层和终端表现层。

图1 系统整体框架

(1)终端表现层是系统的顶层，是用户与系统进行人机交互的可视化界面。系统采用B/S结构(Browser/Server)，其前端以TCP/IP协议为基础，企业内的WWW服务器可接受安装了Web浏览器的Internet终端访问[12]。因此，该界面可以通过多种途径(中央大屏、移动PC等)展示，终端用户只要通过Web浏览器就可调用系统资源处理各种任务[13]。这样,客户端电脑的载荷既可以得到简化，系统维护与升级的成本和工作量还可以减轻，最终降低了用户的总体成本[14]。此外，人机交互界面友好，用户可以通过鼠标、键盘等外设进行场景漫游、点击设备、信息查询等操作；车间三维场景的渲染采用虚拟现实技术，给用户一种沉浸式的体验。

(2)核心业务层是系统的核心部分，采用模块化设计，主要包含了三个功能模块，分别为设备状态监管、物流监管和生产效能监管。“设备状态监管”模块提供三维虚拟现实环绕型导航与二维详细数据表单展示两种方式。三维可视化页面嵌入于整个监控系统的首页，展现车间整体的设备布局、物流状态等；二维数据表单则展现每台设备更为详细的状态信息：主轴转速、主轴功率、进给速度、故障信息、加工累计时间等。“物流监管”模块主要对车间内的行车、AGV小车等运输设备的位姿进行可视化，在系统中实时反映出车间内的物流情况，方便车间生产人员进行管理调度。“生产效能监管”模块能基于每台设备详细的加工日志，以柱状图、饼状图、曲线图等方式针对单台设备不同周期定义下的开机率、待机总时长、设备有效利用率、任务负荷、执行进度、故障次数等进行统计分析与评估；同时，该模块还能基于MES系统中调取的完工确认信息与零部件标识信息，支持多个生产进度的并行表征。

(3)设备物料层是系统的底层，主要是生产车间内的硬件设备，如数控机床、加工中心、物料运输工具等。该层是设备状态信息的来源，同时也是系统所需要进行实时监测的对象。

设备物料层产生状态信息，信息数据存入数据库中；业务逻辑层根据各自的功能模块分别从数据库获取相应的信息数据，进行预处理与分析；终端表现层将根据系统使用人员的指令，将相应的信息可视化出来。车间管理人员根据终端表现层展示的实时状态信息，再来对设备物料层进行管理，形成信息闭环。

2 系统关键技术

2.1 三维虚拟车间环境的构建

虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是系统实现的关键技术之一，是创建虚拟三维车间环境的基础。虚拟三维车间环境的构建可分为三个阶段：第一阶段是进行车间现场调研，获取车间的布局信息并采集建模所需的图片资源，利用3DS Max、Maya等三维建模软件对厂房、设备、工装、车间6S元素等进行三维建模，如图2所示。第二阶段是将这些模型导入Unity3D之中，并为设备编写动作代码，实现生产车间的虚拟呈现，使用户有沉浸式的体验；Unity3D是由Unity Technologies公司开发的一款国际领先的专业游戏引擎，具有场景渲染能力出色、多操作系统兼容等优点，在航空航天、军事国防、工业仿真等严肃游戏领域(Serious Games)均有广泛应用。第三阶段是人机交互界面的设计，界面如图3所示。用户使用鼠标点击图3右侧的按钮，可实现复位、平移、缩放等功能，用户可以根据自己的需求进行相应的操作。

图2 Fooker机床三维虚拟模型

图3 人机交互界面

2.2 信息集成可视化

系统采用基于Web的开发技术，在将Unity3D发布成网页版并在客户端安装Unity Webplayer插件后，将Unity3D嵌入网页中，并通过二维/三维集成界面进行信息可视化。在Unity3D操作界面中，用户可以通过点击设备模型来查看相应设备的

状态信息，也可以通过点击网页上相应的设备按钮，在虚拟三维车间中对设备进行迅速定位，并显示设备信息，用户还可以根据需求自定义数据显示的内容，如图4所示。因此，这就需要网页与Unity3D之间能够实现稳定的通信。

图4 信息显示配置界面

当用户在Unity3D操作界面通过点击虚拟三维车间中的虚拟设备来查看相应设备的状态信息时，Unity3D这边通过Application.ExternalCall()这一方法来调用网页中定义好的JavaScript函数，从而获得信息。例如：

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

其中，clickEquipment是被调用的网页函数，ChooseObject.name则是给这个函数传递的参数，这里指的是被选中设备的名称。

当用户通过点击网页上的设备按钮来选择设备时，网页这边通过u.getUnity().SendMessage()这一方法向Unity3D发送消息，Unity3D做出应答(迅速定位到该设备)并向网页发出获得信息的请求。例如：

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

其中，Cube是Unity3D这边脚本所在的物体，SelectEquipment是被调用的函数，EquipmentName则是给这个函数传递的参数，这里指的是被选中设备的名称。

这样，便实现了Unity3D和网页之间的通信。当然，事先需要约定好传参函数、参数意义以及传递的数据格式，网页还需写好实时更新数据的方法。为了增加传输数据的稳定性和数据的易解读性，网页在向Unity3D中传递数据时采用了JSON字符串的格式。部分通信函数的定义如表1所示。

表1 Unity3D和网页之间的通信函数

2.3 设备状态分析

生产车间内的设备在运行时会产生各种各样的状态数据，有时，仅仅查看这些具体的数据是不够的，还需要知道数据之中所蕴含的信息，这就要求系统能够对数据进行分析处理。下面以设备报警、设备阈值预警和设备效能分析为例进行阐述。

当系统检测到有报警信息时，则在系统的三维界面中会有红色包围框将对应的设备包围起来，直到设备的报警信息消除后才会消失，这样可以使生产人员与管理者一目了然，能够及时发现和解决问题。如图5所示。

图5 设备报警

设备阈值预警对于及时发现设备故障、生产计划制定、生产安全等方面具有重大意义。因此，系统具有设备阈值预警作用。以温度为例，系统设有3个阈值：可允许最大温度Tmax、标准均温Tsta和可允许均温最大偏差TΔ。系统每次从数据库中读取到设备实时温度Ti，都会将之与Tmax比较；每连续10个温度值求一次均值Tave，将其与TΔ比较，最后判断报警与否。其算法逻辑如图6所示。

图6 设备阈值预警算法逻辑

设备效能分析主要是计算设备在不同定义周期下的利用率，系统根据用户定义的时间周期T,统计计算出设备各个工况的时间Ti,则其所占比例为Ti/T。最后，对于单台设备，系统以饼状图的形式将结果展示出来；对于多台设备，系统以柱状图的形式将结果展示出来，方便比较，如图7所示。

(a)单台设备分析

(b)多台设备对比分析图7 设备效能分析界面

3 应用案例

笔者所在团队基于.NET框架，利用C#语言和Unity引擎，开发了数字化车间状态信息实时监测系统，并将其成功应用到某复材成形生产车间。

系统利用VR、Web、信息集成等技术对实际生产车间(包括环境布局、设备状态、生产效能等)进行虚拟仿真，实时呈现了整个生产车间的生产运转情况，成功构建了“第二车间现场”。系统一方面与生产车间现场实时信息采集系统相衔接，实现了生产一线各项数据的汇总、预处理、显示与分析等；另一方面对设备运行状态、工件流转、加工状态、生产进度与效率等进行监控，并结合必要的数据汇总分析手段，将可能对生产线造成的影响进行分析和诊断并形成决策提供给调度人员，以便对生产过程进行动态调度和紧急处理，确保车间稳定高效运行。系统局部界面如图8所示。

图8 虚拟监控系统界面

4 总结

本文在分析研究了国内外专家学者研究成果的基础之上，针对数字化车间状态信息实时监测方面存在一些问题，利用VR、Web等技术，基于Unity3D平台设计开发了数字化车间状态信息实时监测系统，系统实现了对数字化车间状态信息的实时监测，完成了对实际生产车间的“虚拟映射”——“第二车间现场”。文章还详细分析了系统框架及其关键技术，并以某实际车间为例介绍了系统的实际应用。

通过对制造业企业转型升级这一实际需求的把握，本文为制造业企业生产实现信息化、数字化管理提出了切实可行的方法，也为数字化车间的建设与管理提供了一个新思路，十分具有借鉴意义。

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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

上海市科学技术委员会科研计划项目(15111107502)

方磊(1993—)，男，安徽舒城人，合肥工业大学机械工程学院在读硕士，研究方向为计算机集成制造系统，(E-mail)fl18715150789@163.com。

(编辑李秀敏)