基于无线自组网的玻璃棉大数据智能制造管理平台的探索

衡 刚，陈照峰，李曼娜

（南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016）

关键字：无线自组网；玻璃棉；大数据；沉浸式监控

0 前言

超细化玻璃棉具有极强的吸声隔热性能，是提高国产大飞机保温隔热性能的核心材料，对于促进国家科技工业和国家战略水平的发展和提高具有重要意义［1］。

受产品需求及原材料供应的影响，当前国内的玻璃棉企业大多分布在相对偏远的区域，普遍存在小而散、产品竞争力差、技术人员流动大、设备落后、工艺落后等不足，同时，由于玻璃棉的需求受气候影响较大，迫切需要一个大数据智能制造管理平台（图1），以物联网为核心技术的深入推进两化融合，提出面向流程生产过程精益管控的网络协同制造模式和开放式架构，突破数据跨域互联、跨域服务共享、跨域流程管理等关键技术，开发一体化计划、预测运行、跨层域优化控制并逐步催生出智能化远程监控的“无人工厂”，尽可能依托物联网智能化实现人力替代，对玻璃棉生产现场的关键部件及工艺参数进行监控，并根据大数据分析进行参数优化，合理分配各区域生产数量，提高产品精度，稳定产品质量，全面提升我国玻璃棉技术水平［2］。

图1 大数据智能平台辐射图

所谓“无人工厂”是指制造过程由计算机进行操控，通过大数据及人工智能进行分析，生产第一线配有机器人进行自动化生产的工厂，人将通过互联网远程实现诸如技术创新、策略规划、生产监督及协调维护等控制工作。以此实现：降低对人力依赖，提质增效、降低成本，提高企业的核心竞争力［3，4］。

1 玻璃棉的制备

1.1 玻璃棉的常见制备方法

玻璃棉的常见制备方法主要有4种：压缩空气垂直喷吹法、微旋风法、火焰喷吹法和离心喷吹法，其中火焰喷吹法和离心喷吹法是目前较为成熟且广泛使用的方法［5］。垂直喷吹法制备的棉纤维直径较大、长度短、棉毡撕裂强度非常低，已逐渐淘汰；微旋风法技术还处于实验室研发和工程验证阶段，尚未得到普及；离心喷吹法容易实现检测和自动化、工艺成熟稳定并且产量大，但是玻璃纤维平均直径很难做到3μm以下，纤维结构排布较差，保温隔声性能很难提升；火焰喷吹法能够生产纤维直径在0.1μm 以下的玻璃纤维棉毡，保温隔声性能优异［6-9］。

1.2 火焰喷吹法制备玻璃棉

本系统主要针对火焰喷吹法，深度开发面向生产过程精准控制的大数据智能化制造管理平台，彻底解决玻璃棉产品制造过程中数据传递阻塞、服务跨区屏蔽、流程管理滞后、设备监控落后、控制操作延迟、工序衔接不当等关键科学问题［10，11］。关键技术涉及物联网、人工智能、大数据、无线自组网、5G/4G移动通信、VR等前沿技术，实现生产过程的自动化、智能化远程控制，开发适用于精细化管控的玻璃棉产品数据、高端生产制造数据以及多维一体化管理数据等主题的玻璃棉大数据智能制造管理平台。

图2为火焰喷吹法制备玻璃棉生产线的关键位置和各类待监测参数分布示意图，每个数据节点将各类监测数据汇总到整条产线的上位机处，再发送至大数据一体化服务平台，以供后续信息处理与分析。以下根据产品从原料到成品的流转顺序及影响玻璃棉品质的各关键工艺节点对玻璃棉智能制造进行模块化分析，主要的数据监控与控制的节点共分为9项，其中：

图2 火焰喷吹法生产线示意图

①为胶辊部分，可测量电机转速；

②为炉头部分，可测量火焰温度、天然气流量，空气流量；

③为窑炉部分，可测量熔池温度、天然气流量，空气流量；

④为喷胶装置，可测量喷嘴流量和胶黏剂余量；

⑤为出棉口，可测量气流速度和负压风机负压；

⑥为集棉室，可测量传送带运转速度；

⑦为固化炉，可测量前、中、后温度；

⑧为水平传送带，可测量运转速度、产品面密度、棉毡厚度；

⑨为裁切包装工位，可测量产品批次号。

1.3 玻璃棉大数据智能制造管理平台

通过开发玻璃棉大数据智能制造管理平台，在设备管理层面和制造过程管理中实现工业制造物联网及智能化管理。

在设备管理层面，快速实现各设备的联网通讯，自动采集数据并及时反馈现场状态，通过多种方式自动计算设备综合运行效率，提高生产设备的自动化水平以及综合利用率，减少设备故障时间，降低设备使用成本［12］。

在制造过程管理中，实时接收生产任务，结合BOM（Bill of Material，物料清单）数据和工艺数据，通过技术工艺管理、产品管理、订单管理、数据分析4部分内容完成制造过程管理，充分利用信息系统的远程数据反馈能力与数据集中管理能力，对各种事件管理过程进行监控，实现生产过程的可控可追溯，通过实时监控生产过程和产品质量，实现信息的透明化，节省统计数据人工编制报表的时间，提高对问题的处理效率。

2 系统设计与实现

2.1 系统总体设计

通过建立大数据智能制造管理平台（图3），利用无线自组网技术完成立体化异构网络的建设，搭配一体化全景摄像机，管理人员可在控制中心通过VR头显设备，实现沉浸式实时观测，足不出户的即可身临其境般掌握各地玻璃棉产线的实时生产状况，并实现远程参数控制，提升产品质量的同时，最大限度地节省了人力物力。

图3 大数据一体化智能管理平台系统架构

2.2 主要模块

2.2.1 基于无线自组网的立体化异构网络

传统的玻璃棉制造现场通过内部静态的局域网实现自动化控制，需要依托于固定的基础设施来完成网络系统的搭建，需要提前布设光纤或以太网线路［3］。而传统的通信方式一旦线路或者基础设施出现故障，整个系统将无法正常运行。对于故障发生的具体位置和产生原因，需要逐步详细排查方可得知，维护工作相当复杂困难。此外，传统的通信方式进行后续拓展时，需要对基础设施进行再次施工配套，工程量较大，成本较高。

本系统主要基于无线自组网构建形成高速率、低时延、广覆盖和抗损毁的智能网络，在网络信息交换上采用了分组交换机制，支持点对点和多点间的大容量文本、语音、视频的高速传输，每个设备终端不限于移动或者静止状态。同时能够在部分通信网络遭到破坏后维持剩余的通信能力，具有很强的鲁棒性和抗毁性［13，14］。

在玻璃棉生产现场采用无线自组网完成的立体化动态网络搭建，可实现设备终端间的实时可靠通信、各类设备终端动态接入和网络资源优化。在各个生产工序部署固定的无线自组网设备，实现数据采集及参数控制；采用移动机器人等可移动平台，搭配无线自组网完成动态网络的覆盖，配合一体化全景摄像机，实现生产现场的沉浸式动中通监控（图4）。

图4 基于无线自组网的生产现场网络

远程通信方面，采用无线自组网结合蜂窝公众移动通信（5G/4G网络）、光纤通信、卫星通信等传统的网络通信方式协同通信，组成异构融合网络，将数据传输至大数据一体化管理平台，最大限度保证互联互通（图5）。

图5 远程传输网络结构图

2.2.2 沉浸式实时视频监控

本系统摄像机采用一体化设计，将多目全景摄像机及高清云台摄像机合二为一，拥有全视角和细节观看的双重能力，可以根据应用场景和使用需求，将摄像机快速安装于三脚架或诸如机器人之类的可移动载体上，结合无线自组网支持高机动性组网的特点，使得整个监控系统动起来（图6）。其中，多目全景摄像机将4个非圆周成像镜头采集的画面进行本地实时拼接，在获取光学镜头最佳成像区域的同时，实现360°×360°全方位的视角覆盖；高清云台摄像机支持20倍高清光学变焦，可通过云台控制获取远距离细节场景；多目全景摄像机与高清云台摄像机间实现一体化联动，无缝融合，精准定位并获取高清细节图像，在重点监控场所可根据现场情况及安全防范的需要，在保证全景覆盖的同时，还能够对细节进行高变倍光学放大，将细节看得清清楚楚。

图6 实时监控结构图

管理人员可通过佩戴的VR头显设备，进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟现实环境中，与之产生互动，进行交流。通过管理人员与虚拟仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息，让管理人员有身临其境的沉浸感，能够亲身地、全方位地感受生产现场发生的情况，进而更好地做判断，更加精准地指挥处理［15］。

2.2.3 大数据一体化管理平台

各个生产现场上位机整合的数据上传至本系统，将玻璃棉制备参数形成一个数据库，构建大数据空间，开发产品数据、制造数据、管理数据等主题的大数据一体化管理平台。基于原料参数、工艺控制条件以及原产品物料状态、产品性能到生产管理过程中的人员信息、能耗监控以及环境监测等系列数针对不同的玻璃棉产品，管理人员可随时利用远程控制软件（图7）或移动终端应用（图8）通过互联网连接大数据管理平台，了解现场生产情况，系统可根据实际情况调用适当的生产工序，并远程控制设备的工作参数，满足不同的产品制备需求，在降低生产成本的同时提高玻璃棉的附加值，减少人力成本和管理成本，加快处理速度。

图7 远程控制软件

图8 移动终端应用

基于大数据存储系统和分布式计算框架，对保温材料基础数据、玻璃棉专题数据、公共基础数据等多来源、多形态的数据进行存储和管理，利用最新的数据挖掘技术和数据可视化技术，充分揭示数据的规律性和价值性，结合专家支持平台、数据共享平台和信息发布平台，为玻璃棉的精细化制造管理服务工作提供强大的信息支撑和技术支持，是玻璃棉智能制造平台建设的核心组成部分（图9）。

图9 大数据一体化平台

3 数据分析

数据分析功能是整个系统的大脑，通过大数据分析，对生产过程中的数据建立数据资源库，为质量保证以及工艺优化提供技术支撑。

3.1 窑炉温控实验

窑炉温度决定了玻璃的融化程度，而窑炉的温度与天然气及空气的流量息息相关，提供稳定可控的气体流量，进而精准地控制窑炉温度对玻璃棉的品质至关重要，图10是不同天然气及空气流量下的窑炉温度［16-19］。

图10 不同天然气及空气流量下的窑炉温度

3.2 固化温度对隔音性能的影响

固化温度决定了胶粘剂的固化程度，固化温度过低，固化不完全，纤维结构稳定性差不足以抵御高频声波震动，而固化温度过高导致棉毡硬脆，同样不利于棉毡的隔声性能发挥。如图11，通过数据采集与分析，120 ℃左右固化后棉毡仍处于湿毡状态隔音量最大，但是棉毡不能成型。固化温度升高，棉毡对3种频率声波的阻隔性能均呈现先增加后减小的规律，在180±5 ℃时棉毡的隔声性能最好［20］。

图11 不同固化温度对玻璃棉隔音性能的影响

3.3 面密度对抗撕裂性能的影响

棉毡的胶含量不变时，棉毡密度增加意味着单位面积内承载拉力载荷的纤维数目增多，纤维之间缠绕互锁程度更加复杂，棉毡破坏需要吸收更多的能量，棉毡强度增强［16］。

图12 不同固化温度对玻璃棉抗撕裂性能的影响

通过大数据分析，利用其高容量、存取速度快、实时性高、可智能感知和预测等特点，对玻璃棉生产过程中的工艺参数实现精准控制，在有效提升产品质量的同时，进一步优化流程和决策，实现资源的最大化利用，进而有效降低生产成本，缩短生产周期，提升人工效率，最大限度地节省了人力物力。

4 结语

通过建设玻璃棉物联网大数据一体化智能管理平台，结合大数据及人工智能技术，建立综合联网联控信息资源库和信息管理综合应用系统，实现了传统制造环境与远程物联网控制与数据采集的完美融合，形成以大数据一体化智能分析与服务为大脑，无线自组网为神经中枢，沉浸式实时视频监控为眼睛，各前端传感器为触手的一体化的综合信息应用体系，具备大数据智能分析、专家在线支持、数据发布与共享等多方面功能。