智能車間可視化大屏設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳濤 鄭菲 石景文 彭長超 劉文軍

摘要：智能化生產(chǎn)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為驅(qū)動工業(yè)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的有效途徑。以某紡織廠智能車間可視化大屏設(shè)計與實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，綜合考慮政府監(jiān)管、企業(yè)發(fā)展不同視角進(jìn)行了大屏框架總體設(shè)計，提出了一種基于“端-邊-云”的系統(tǒng)架構(gòu)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)、3D交互技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和驗證。初步應(yīng)用表明，該系統(tǒng)較完美地解決了工業(yè)生產(chǎn)車間監(jiān)測可視化問題，實(shí)現(xiàn)了流利、實(shí)時、雅觀的監(jiān)測可視化。

關(guān)鍵詞：智能車間;數(shù)據(jù)可視化;3D交互;數(shù)字化轉(zhuǎn)型

中圖分類號：TP399? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）01-0105-03

1 引言

隨著“中國制造2025”作為國家戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，智能制造在壯大新興產(chǎn)業(yè)、提升綜合國力等諸多方面都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，已成為推動科技創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)增長和社會穩(wěn)定的重要力量，是新工業(yè)革命的核心，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和轉(zhuǎn)型的新機(jī)遇以及形成新競爭力的主戰(zhàn)場。

智能制造車間生產(chǎn)過程實(shí)時追蹤體系的構(gòu)建是滿足當(dāng)前智能制造車間優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵[1-3]。針對監(jiān)控模式效率低、溝通協(xié)作性差，難以滿足現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)需求問題，王海峰等人對車間智能監(jiān)控系統(tǒng)展開研究。在生產(chǎn)車間數(shù)字化的建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間的智能監(jiān)測與可視化呈現(xiàn)是一個十分具有研究價值的課題[4-5]?？梢哉f，當(dāng)前智能化改造與數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

本文給出一種針對智能車間數(shù)據(jù)可視化的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法，兼顧政府、企業(yè)、用戶各自訴求，系統(tǒng)采用“端-邊-云”的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)時獲取車間設(shè)備數(shù)據(jù)，并借助大數(shù)據(jù)技術(shù)、3D交互技術(shù)、文本與可視化圖表技術(shù)，優(yōu)化和提升可視化效果，設(shè)計了一個流暢、實(shí)時、美觀的監(jiān)測可視化系統(tǒng)，解決了數(shù)據(jù)響應(yīng)不及時、可視化效果不佳等問題，為制造型企業(yè)基于可視化的分析決策提供了一個可以參考和借鑒的解決方案。

2 關(guān)鍵問題

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)前端數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)更加實(shí)時流暢，需要從根本上解決傳統(tǒng)技術(shù)擴(kuò)展性不足的局限，因而提出一種基于“端-邊-云”的可擴(kuò)展系統(tǒng)架構(gòu)，將車間設(shè)備與環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、顯示進(jìn)行分層處理，徹底解決數(shù)據(jù)擁堵、卡頓、丟失等典型問題。

2.2 數(shù)據(jù)存儲與分析

智能車間數(shù)字化改造中要求車間數(shù)據(jù)的獲取通常具有低延時、高并發(fā)特性，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)推送與傳輸方面，可能因網(wǎng)絡(luò)信號、遠(yuǎn)程設(shè)備硬件性能低下等問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、堵塞等發(fā)生，本文嘗試將MQTT（消息隊列遙測傳輸）消息協(xié)議和MQ消息隊列結(jié)合使用，并引入消息隊列集群以彌補(bǔ)MQTT協(xié)議不支持負(fù)載均衡的弊端，使數(shù)據(jù)傳輸愈加穩(wěn)固、高效;在數(shù)據(jù)存儲方面，借助磁盤順序?qū)懰俣瓤斓奶攸c(diǎn)，解決高并發(fā)場景下大批量數(shù)據(jù)快速寫操作的難題，通過這些技術(shù)措施加快消息的傳送速度;在數(shù)據(jù)分析方面，探索采用基于Elasticsearch的聚合查詢與多維度數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計模型，以便提高數(shù)據(jù)分析的效果。

2.3 可視化展示方案

在當(dāng)前智能制造朝著定制化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化加速發(fā)展的趨勢下，本文設(shè)計的可視化大屏系統(tǒng)為行業(yè)企業(yè)、政府監(jiān)管部門等不同角色的主體提供各自關(guān)切的監(jiān)測功能。要求系統(tǒng)從行業(yè)視角、工廠-車間視角、設(shè)備維度視角提供不同的可視化監(jiān)測界面，讓相關(guān)用戶更加有針對性地掌握與自身相關(guān)的信息。

3 系統(tǒng)設(shè)計分析

3.1 功能分析

本文所設(shè)計的基于“端-邊-云”架構(gòu)的智能工廠可視化系統(tǒng)，本質(zhì)上是一個基于計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)等信息處理技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測平臺。該系統(tǒng)可以完成企業(yè)車間內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、生產(chǎn)實(shí)況分析、故障報警及診斷等功能，還可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，進(jìn)行深一步的數(shù)據(jù)挖掘，分析企業(yè)生產(chǎn)中存在的問題和故障預(yù)警、發(fā)展趨勢分析，以便于有效地提升制造業(yè)生產(chǎn)力。

在登錄界面可以區(qū)分不同的用戶角色，在登錄后根據(jù)角色展示與之相關(guān)的可視化數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)查詢結(jié)果。超級管理員角色查看系統(tǒng)中所有企業(yè)工廠相關(guān)信息，包括車間傳感器數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、能效情況等，結(jié)合可視化圖表分析對企業(yè)進(jìn)行有效評估。普通企業(yè)用戶登錄后，可查看自身企業(yè)相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，基于獲得信息以便實(shí)施改進(jìn)方案。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)需求支持廣泛的設(shè)備接入能力，并且實(shí)現(xiàn)對多種主流工業(yè)協(xié)議的支持;在數(shù)據(jù)實(shí)時性和并發(fā)性方面設(shè)計滿足海量設(shè)備接入與快速響應(yīng)需求以及完善了多種功能性設(shè)計，大幅度提升生產(chǎn)效率。

完整的系統(tǒng)主要涉及數(shù)據(jù)接收服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)和Web實(shí)時消息推送服務(wù)。分別為車間數(shù)據(jù)源、大數(shù)據(jù)接收存儲分析區(qū)及業(yè)務(wù)可視化展示區(qū)，即各車間的設(shè)備和環(huán)境信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)組包并發(fā)送到云端，繼而進(jìn)行一系列接收、解析、存儲、分析、查詢服務(wù)，其中數(shù)據(jù)存儲采用了MySQL+Elasticsearch的組合方案，MySQL用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化存儲;Elasticsearch時序數(shù)據(jù)庫則實(shí)現(xiàn)批處理存儲以及高效的聚合查詢與多維度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。最后，在PC端進(jìn)行可視化大屏的展現(xiàn)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

3.3 可視化設(shè)計

大屏從“行業(yè)-工廠-車間-設(shè)備”四個遞進(jìn)維度進(jìn)行設(shè)計，可擴(kuò)展性強(qiáng)，采用多種圖表合理搭配，解決生產(chǎn)車間設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)實(shí)況分析、報警故障發(fā)現(xiàn)及診斷等數(shù)據(jù)可視化及數(shù)據(jù)分析問題，具體功能如下：

1）宏觀信息——通過地圖方式展示接入系統(tǒng)的全國行業(yè)企業(yè)信息匯總。這些宏觀信息包括總接入工廠數(shù)、設(shè)備數(shù)、能效情況、設(shè)備故障情況等。

2）環(huán)境與指標(biāo)——生產(chǎn)環(huán)境通常包括溫濕度、PM2.5以及相關(guān)的預(yù)警信息，生產(chǎn)指標(biāo)包括任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度、效益、產(chǎn)能等信息。

3）設(shè)備信息——生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行信息，如三菱紡織加工設(shè)備運(yùn)行實(shí)時信息、西門子加工單元，采集主軸轉(zhuǎn)速等信息。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 登錄

本平臺采用SaaS化部署。登錄頁三維動態(tài)旋轉(zhuǎn)地球達(dá)到良好的視覺效果，權(quán)限分為超級管理員、企業(yè)用戶、監(jiān)管賬戶等。用戶輸入賬號和密碼調(diào)用后端接口進(jìn)行登錄校驗，若驗證不成功則彈出窗口提示。用戶登錄后，若為管理員權(quán)限進(jìn)入系統(tǒng)首頁，若為企業(yè)用戶則登錄進(jìn)入企業(yè)詳情頁，通過分別調(diào)用相關(guān)接口返回數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的角色管理。大屏登錄頁面如圖3所示。

4.2 行業(yè)-企業(yè)視角

首頁中采用行業(yè)視圖展示全國紡織行業(yè)接入該系統(tǒng)大屏的信息匯總，屏幕上方以顯著區(qū)塊展示行業(yè)總體宏觀信息，包括接入企業(yè)數(shù)、總車間數(shù)、設(shè)備數(shù)與健康指標(biāo)數(shù)、總產(chǎn)量數(shù)等;屏幕右側(cè)顯示開機(jī)報警率、總報警率以及總使用率等指標(biāo)，屏幕下方展示總體能耗情況包括了水耗、電耗、油耗等，并以橫向柱狀圖的形式展示了消耗量的基本信息。屏幕中間部分以橫向柱狀圖的形式展示了總產(chǎn)量排名前列企業(yè)。屏幕中心區(qū)域以地圖的形式直觀顯示接入的企業(yè)。地圖具有交互功能，鼠標(biāo)移動到該區(qū)域會顯示相應(yīng)公司名稱和數(shù)據(jù)量，點(diǎn)擊特定省市則可以進(jìn)入相應(yīng)的區(qū)域更細(xì)粒度地呈現(xiàn)相關(guān)信息，具體效果如圖4所示。

4.3 工廠-車間視角界面

選定特定接入企業(yè)后則進(jìn)入該企業(yè)自身的大屏視圖。如圖5所示，大屏中心區(qū)域給出選定生產(chǎn)企業(yè)的3D工廠布局。大屏左側(cè)展示設(shè)備狀態(tài)，包括報警次數(shù)、報警內(nèi)容、月報警趨勢及報警詳情等。大屏右側(cè)展示相關(guān)生產(chǎn)信息，包括設(shè)備產(chǎn)量、月產(chǎn)量及月回退量、日報信息及運(yùn)行時長等。大屏底部則展示該接入企業(yè)的一般性摘要信息。

4.4 車間-設(shè)備視角

進(jìn)入企業(yè)的某一生產(chǎn)車間，則顯示該車間相關(guān)的設(shè)備運(yùn)行情況。圖6給出某紡織企業(yè)的車間生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控大屏，屏幕左側(cè)為該企業(yè)車間導(dǎo)航，右側(cè)為設(shè)備類型導(dǎo)航，包括生產(chǎn)設(shè)備、供電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等。這種雙側(cè)導(dǎo)航的設(shè)計形式具有良好的擴(kuò)展性。中間部分以動態(tài)滾動展示特定生產(chǎn)加工設(shè)備的詳細(xì)信息。上部包括基本信息，如品牌、型號、出廠日期、用途等。設(shè)備狀態(tài)包括開機(jī)、待機(jī)、關(guān)機(jī)等。若設(shè)備開機(jī)則展示運(yùn)行時長、開機(jī)產(chǎn)量、報警次數(shù)以及實(shí)時產(chǎn)量和回退量等。最后，屏幕下方展示了該車間的宏觀信息，包括車間名稱、設(shè)備數(shù)量、作業(yè)數(shù)量、待機(jī)數(shù)量、報警數(shù)據(jù)等。

此外，可視化大屏還具有很好的實(shí)時性，如針對需要實(shí)時報警的信息，利用WebSocket實(shí)現(xiàn)實(shí)時彈窗提示處理，系統(tǒng)會自動彈出報警信息，點(diǎn)擊報警按鈕也可查看相關(guān)信息。

5 結(jié)論

制造業(yè)企業(yè)在智能化改造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，隨著多種生產(chǎn)要素的接入，會產(chǎn)生海量的信息。通過Kafka、Netty、ES等多種技術(shù)的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了車間數(shù)據(jù)收集的高并發(fā)、高實(shí)時性。通過綜合使用Vue.js、ECharts、3D交互技術(shù)、定位技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了大屏的可視化顯示，改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化只能顯示單調(diào)靜態(tài)圖表的現(xiàn)狀，大大改善了可視化的效果。初步實(shí)踐表明通過可視化大屏的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，顯著改善了車間設(shè)備利用率低、能耗消耗大、安全預(yù)警不及時、人力資源無法合理支配等問題，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-09-10

基金項目：江蘇省青藍(lán)工程;江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202012686016Y）;蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研啟動基金（2017kyqd017）;蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題（2020kytd04）

作者簡介：陳濤（2000—），男，大專，主要研究方向為軟件技術(shù);劉文軍（1981—），男，講師，博士，主要研究方向為并行與分布式系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

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