物料自动化输送系统实时可视化故障预警技术

齐雪良

（江西宏柏新材料股份有限公司，江西 乐平）

引言

物料自动化输送系统是支持复杂生产、保障生产效率的基础设备系统，该系统的主要作用是连接与转换生产全部流程。随着物料自动化输送系统的复杂化、柔性化、智能化发展，传统需要依靠大量人工定期巡检的检修维护方式逐渐滞后，无法充分满足现代系统维护需求。因此，需要对该系统增加实时故障预警功能，用以保障生产的连续性和安全性，促进物料自动化输送系统的智能化、现代化发展。基于此，本文主要内容是分析与研究物料自动化输送系统实时可视化故障预警技术。

1 物料自动化输送系统

物料自动化输送系统是工业生产线中的重要内容，该系统的组成包含机器人、移载装置、AGV/RGV系统以及轨道输送系统等部分，借助物料自动化输送系统能够实现生产物料在各生产流程环节间的传送。

现阶段，伴随工业科技水平的不断提高与研发应用，各类新兴科技，如人工智能、大数据、分布式存储、物联网以及区块链等技术被广泛应用于传统物料自动化输送系统研发升级中，使得物料自动化传输系统逐步面向智能化转型[1]。

2 物料自动化输送系统现存问题与实时可视化故障预警的需求分析

以典型数字化车间物料输送系统为例分析物料自动化输送系统的现存问题，其现存问题包含以下五点，其一是系统运行所产生的大量数据与有效信息之间不对等，即物料自动化输送系统在日常运行过程中会产生大量数据，但无法及时有效的提取故障信息。其二是系统运行维护所采用的方式主要以人工定期检修为主，所需要消耗的人工成本较高，且系统检修缺乏针对性。其三是系统中现有故障管理系统的功能更倾向于故障诊断，并不能真正实现有效的故障预警，即无法及时分析出系统运行可能存在的隐形故障。其四是故障无法实现可视化，现有的故障管理系统主要以平面的形式展示故障信息，无法提供复杂生产系统故障信息的可视化展示[2]。

3 基于实时可视化故障预警技术的物料自动化输送系统总体设计

参照上述的问题与需求分析，现提出一种基于实时可视化故障预警技术的物料自动化输送系统构建框架，如图1 所示。

图1 基于实时可视化故障预警技术的物料自动化输送系统总体架构

该系统的总体架构设计共分为三层，分别为数据采集层、故障处理层（复杂事件处理层）以及应用与显示层，各系统层的逻辑框架如图2 所示。

图2 各系统层逻辑框架

其中，数据采集层主要功能是完成实时的多源数据采集，该系统层需要布设多种不同类型的传感器、智能设备元件以及数据采集终端等，通过智能化的底层设备搭建良好的物理基础。同时，借助物联网与大数据等技术完成对各类数据采集终端的数据获取与整合分析，如完成对系统运行电压、温度、电流、电机转速等数据获取与整合分析，进而选用适宜的数据采集方式完成系统信息集成，并实现对物料自动化输送系统运行状态的全面感知。此外，对于感知数据的传输而言，需要以无线传感网络、Internet 以及ZigBee 等为载体完成服务器的数据上传。若选用Internet 为数据传输载体，还可以根据实际上传需求选择网络通信协议（TCP/IP，Transmission Control Protocol/Internet Protocol）中的用户数据包协议（UDP，User Datagram Protocol）或者传输按制协议（TCP，Transmission Control Protocol）[3]。因物料自动化输送系统需要完成对复杂事件的有效处理，且系统整体框架逻辑较为复杂，所以系统数据采集层需要感知的数据量较为庞大，可以选择数据传输更为高效的UDP 协议。

4 系统实现的关键技术

4.1 复杂故障动态识别

如图3 系统故障层次分析所示，若想实现系统故障预警便需要把故障信息按照故障等级进行细化，并且细化到零部件级。在此基础上分别对故障预警中的原子事件与复杂事件进行定义，原子事件定义：设E是原子事件的有限集合，E= {e|n=1，2，...，n}；对于∀e∈E；e 能够表示成：e={id，attr，timestamp}，id是事件唯一的序列号；attr 是事件属性集合；timestamp是事件e 的发生事件。复杂事件定义：设C 是复杂事件，C＝＜CE＿ID，E，Rules，Tbegin，Tend。CE＿ID 是复杂事件的序列号；E 为事件流的有限集合，E＝en{ ｜n=1，2，...，n}，其中，n≥1；Rules 为复杂事件检测规则；Tbegin、Tend是复杂事件的开始与结束事件，T 为时间跨度，T=Tend-Tbegin。

图3 系统故障层次分析

为了能够实现对系统运行的异常实时监测和故障预警，使用了复杂时间处理技术（CEP，Complex Event Processing），通过利用该技术能够将数据采集层上传的数据看作不同类型的事件，深入分析各事件之间的关联，而后搭建不同事件的关系序列库，同时使用数据过滤、关联以及聚合等技术手段使普通类型的事件成为高级事件，并根据模式匹配原则完成对事件中重要数据信息的分析以及跟踪，进而提取到系统运行异常状态信息，完成系统故障预警与故障检测。其故障处理层的主要处理逻辑为：借助输入适配器完成对采集数据的预处理指令，利用相关通信协议完成数据包解析与再次封装，使数据能够封装为原子事件，然后使用CEP 引擎完成对原子事件的进一步处理，获取到“感兴趣”的复杂事件，并由输出适配器完成数据格式的转换，使其数据包能够被应用与显示层所识别与接收处理，其基于复杂事件处理的故障预警机制如图4 所示。

图4 基于复杂事件处理的故障预警机制

4.2 故障预警三位可视化交互实现方法

为有效实现系统故障可视化可以选择使用综合型游戏开发工具（Unity3D）搭建三维虚拟环境，其具体构建流程包含以下4 个流程：

第一，根据系统故障分析构建三维模型。参照对系统对象的故障分析，根据系统对象现有的层次架构，同时基于实际的系统故障可视化需求与要求，能够明确相关建模的层次以及粒度，进而利用Unity3D搭建三维模型库。

第二，创建三维虚拟场景，结合实际的系统应用场景，进一步合理布设三维模型库，使三维虚拟场景能够尽可能地符合实际场景，然后使用外部环境渲染进一步高度还原场景，并借助不同点位布置的摄像机实现各个视角查看三维虚拟场景内部状况的目的。

第三，实现对故障信息对模型动态化特征按制。通过编写相应的可视化脚本，实现对系统模型动态显示故障特征。

第四，实现可视化故障预警。如图5 可视化故障预警所示，在前三个流程搭建的基础上，最终实现物料自动化输送系统的实时可视化故障预警。

图5 可视化故障预警

5 基于实时可视化故障预警技术的物料自动化输送系统功能结构

基于模块化设计理念对无聊自动化运输系统功能结构进行设计，其中包括系统集成接口模块、系统管理模块、故障信息管理模块、故障可视化模块、三维虚拟系统模块、数据处理模块等。系统功能结构如图6 所示。

图6 系统功能结构

5.1 数据处理模块

为动态化掌按物料在实际运输过程中的状态，则需要利用相应的数据结构，实现系统与底层设备之间的数据传输效果，从而达到实时、动态地采集无聊自动化运输系统各个设备的运行状态、数据信息以及物料数据等。而后将所收集的数据信息进行分析与整合，并依据事先设定好的事件描述格式将相应的数据信息封装为事件，采用事件处理技术对封装为事件的数据信息进行动态化处理，以此确保第一时间发现系统可能存在的故障或异常，为可视化故障预警系统的顺利运行提供关键的数据支撑。

5.2 三维虚拟系统模块

三维虚拟系统模块的主要作用是，以物理空间维度对各类对象进行建模。利用先进的图形、图像采集与处理技术，对零部件故障、设备故障、子系统故障以及系统故障等多样化故障进行分析与建模，按照故障预警可视化需求对模型的精细化程度、粒度等相关参数进行调整，从而形成系统对象的三维模型。另外，也可以在上述基础之上，以物料自动化运输系统的具体应用环境为背景，形成整个系统的虚拟化场景，为后续实现系统故障的可视化效果奠定基础。

5.3 故障可视化模块

故障可视化模块的主要作用有两方面，一方面是动态化接收数据处理模块所回馈的故障信息，并对相关故障信息进行分析与整合，根据实际情况结合与故障位置、故障类型等相对应的三维模型；另一方面是故障可视化模块中会提前写入与各个三维模型相对应的脚本，脚本会驱动模型进行相应的可视化表现，如闪灯、高亮等，进而达到故障预警的可视化效果。

结束语

综上所述，在新时代发展背景下，传统的物料自动化输送系统故障检修维护方式已经无法充分满足现代化系统运行维护要求与需求，深入探究基于实时可视化故障预警技术的物料自动化输送系统设计，能够有效提高系统运行检修维护的效率，充分保障生产效率和安全性。此外，本文的研究成果目前已经在江苏电力科学研究院计量中心的电表自动化检定系统中应用，截至目前，系统运行效果良好，也再次验证了该系统设计的合理性与技术可行性。经实践应用表明该系统的研究应用能够有效促进系统运行维护的智能化发展，对提高系统运行性能与效率、减少故障发生概率与损失等方面具有重要意义。