CN113050501A - 一种车间虚拟监控系统及服务终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车间虚拟监控系统及服务终端，所述的虚拟车间根据真实的物理车间的布局和环境建立，所述的车间虚拟监控系统包括：数据采集平台、数据处理平台、业务逻辑平台、功能支持平台以及人机交互界面。本发明通过数据驱动使得物理车间与虚拟车间同步运动，并通过人机交互界面实现用户对虚拟车间的三维可视化监控，并具有设备信息查看多视图展示、设备故障检测、车间场景漫游功能。

Description

一种车间虚拟监控系统及服务终端

技术领域

本发明涉及现代化车间生产领域，尤其涉及一种车间虚拟监控系统及服务终端。

背景技术

随着车间生产制造的信息化程度不断提高，人们对车间生产现场的监控与智能化管理要求越来越高，传统的生产监控系统多采用二维界面进行操作，交互程度不高无法满足用户的需求。

目前，我国制造业对大数据、物联网、信息系统的应用多数还停留在产品销售，产品设计等阶段，特别是生产过程监控、资源调度、故障检测等方面，信息化程度较为薄弱，其主要原因是生产过程监控会产生大量数据信息，而当前的数据存储和管理技术难以实现如此巨大的数据交互，制约了数字化与智能化技术在装备制造中的进一步应用。近年来，虚拟现实技术与增强现实技术不断发展，因其良好的真实度和沉浸感，逐渐被广泛应用于制造业。车间是产品生产制造的执行基础，如何利用虚拟现实技术，建立孪生模型，对车间生产状态进行实时监控，同时，实现车间运行设备的事前维护与故障检测，实现车间物理环境和虚拟环境的数据交互，是未来智能制造发展的一个重要的研究方向。

数字化车间虚拟监控系统的构建，可以实现物理车间与虚拟车间的交互共融，实现车间生产状态的虚拟监控，车间故障检测技术可以实现对车间设备进行故障检测和预防，因此，车间虚拟监控系统与故障检测方法的研究对加速发展智能制造有重要意义。国内外学者在车间虚拟监控方面已经取得了很多成果，但仍然存在不少技术问题亟待进一步解决，如数据库系统的实时性不高，虚拟车间平台的交互性不强等。

发明内容

本发明提出了一种车间虚拟监控系统及服务终端，利用虚拟车间模型与采集数据的交互流程与方法，实现了数据库、服务器和车间虚拟模型的数据传输，对系统框架及功能模块进行了设计，实现了设备信息查看、多视角监控、多视图展示、设备故障检测、车间场景漫游等功能。

为了达到上述目的，本发明提出了一种车间虚拟监控系统及服务终端，所述的虚拟车间根据真实的物理车间的布局和环境建立，所述的车间虚拟监控系统包括：

数据采集平台，用于采集物理车间中所有生命生产要素的数据；

数据处理平台，其与数据采集平台连接，用于根据数据采集平台所采集的数据进行挖掘及分析，实现虚拟车间与物理车间之间实时数据交互，驱动虚拟车间与物理车间同步运动；

业务逻辑平台，其与数据处理平台连接，用于获得车间设备进度管理、车间设备管理以及能耗效率管理的相关信息，依据设备的运行状态获得车间虚拟监控系统要展示的信息；

功能支持平台，其与业务逻辑平台，用于根据业务逻辑平台获得的信息支持车间虚拟监控系统的设备信息查看、车间多视角监控、生产现场多视图展示、设备故障检测、车间场景漫游功能；

人机交互界面，其用于呈现功能支持平台所要展示的内容，为用户提供三维可视化的虚拟车间布局、设备信息以及运行状态。

优选地，所述的数据采集平台所采集的数据包括：静态参数及动态参数，所述的静态参数是指车间设备的设备编码、设备名称、设备分类、工作环境以及相关的不会发生改变的数据信息，所述的动态参数是指车间设备状态、零件现状以及由于设备或零件的状态变化而随之发生改变的数据信息。

优选地，所述的数据处理平台包括：

数据库，其用于存储数据采集平台所采集的数据；

车间信息系统，其用于挖掘及分析数据，并根据数据分析结构发出生产指令信息，实现虚拟车间与物理车间的实时数据交互，驱动虚拟车间与物理车间同步运动和/或对物理车间的生产行为进行管控。

优选地，所述的业务逻辑平台包括：进度管理模块，其用于对车间生产线上的生产进度与整个产品的产出计划进行管理；车间设备管理模块，其用于对车间设备的工作状态、实时信息进行实时监控，及对车间现场的整个工作状况进行实时管控；能效管理模块，其用于对整个车间的生产效率和耗能情况进行管控。

优选地，所述的功能支持平台包括：

设备信息查看功能模块，其用于查看设备的详细信息及实时数据；

多视角监控功能模块，其通过切换多个摄像机用于实现从多个角度观察车间生产过程；

多视图展示功能模块，其用于实现从多个视图展示车间生产过程；

设备故障检测功能模块，其用于检测车间出现故障的设备。

优选地，所述的多视角监控功能模块的工作原理为：对车间场景中的各个摄像机编写其相对应的切换代码及切换操作方式，并通过检测用户的切换操作方式，从而识别所需展示的视角。

优选地，所述的多视图展示功能模块的工作原理为：将人机交互界面划分为大小一致的若干个显示区域，每个显示区域对应一个摄像机的视图，编写每一个显示区域的视图切换代码及切换操作方式，通过识别用户的切换操作方式实现单个视图与多个视图间的切换。

优选地，所述的设备信息查看功能模块的工作原理为：查看设备模型的名称或编号，数据网页根据获取的编号查找对应的物理车间的实际设备，并从数据处理平台的数据库中调取该设备的实时数据并将该实时数据解析为JSON数据格式，然后传送到该设备的三维组件上，通过将JSON格式进行解析后显示在人机交互界面中，实现设备信息的实时查看及监控。

优选地，所述的设备故障检测功能模块的工作原理为：当设备故障发生后，故障的数据信息会以一定的格式传递到服务器上，服务器会将接收到的故障信息进行数据解析以表单的形式存储起来，同时车间虚拟监控系统会接收到故障信息表单更新的通知，定义故障代码接收函数，该函数负责将从数据库传递来的故障数据接收并解析为三维场景的数据格式，包括设备编号、故障类型等内容，设备模型的三维组件接收到设备故障信息指令后，会将故障信息显示出来并且报警灯开始闪烁，当故障维修人员将设备维修好后，表单中更新设备的最新数据，定义清除故障信息函数，该函数负责将之前显示的故障信息清除并关闭报警闪烁灯，设备维修好故障解除后系统调用该函数，函数通过代码指令连接故障信息显示组件与报警灯闪烁组件将其关闭。

优选地，所述的设备故障检测功能模块采用主元分析法进行车间设备的故障检测。

优选地，所述的主元分析法包括以下步骤：

S1、建立正常工况的主元模型；

S2、采集故障数据并根据主元模型进行在线故障检测与诊断；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

Step1.采集正常运行过程中的车间数据，进行标准化处理；

Step2.建立主元模型，确定主元个数；

Step3.计算SPE统计量与T2统计量的控制限；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

Step4.在线采集故障数据，进行标准化处理；

Step5.将处理后的故障数据代入Step2建立的主元模型；

Step6.计算SPE统计量和T2统计量；

Step7.将Step6中得出的SPE统计量和T2统计量分别与Step3中SPE统计量与T2统计量的控制限进行比较，若超过控制限，则故障检测，进行Step8；若没有超限，则返回到Step4；

Step8.计算每个过程变量对SPE统计量和T2统计量的贡献率，贡献率最大的变量就是可能引起故障的变量；

其中，SPE统计量又称为Q统计量，表示在残差子空间上原始数据投影变化的大小；SPE统计量反映了采集的数据与主元模型的匹配程度，如果SPE的值超过控制上限，则可以推测系统可能存在故障；T2统计量是得分向量的标准平方和，指示每个采样在变化趋势和幅值上偏离模型的程度。

本发明还提出了一种车间虚拟监控系统的服务终端，包括存储器和处理器，所述的存储器用于储存车间虚拟监控系统的程序指令，所述的处理器用于调用所述的存储器中的程序指令，从而执行车间虚拟监控系统的各个功能。

本发明具有以下优势：

本发明根据真实车间布局和环境搭建虚拟车间，实现了车间在虚拟环境下的完整还原，并通过数据驱动使得物理车间与虚拟车间同步运动，同时实现了车间设备信息查看、多视角监控、多视图展示、设备故障检测以及车间场景漫游等功能。

附图说明

图1为车间虚拟监控系统的结构示意图。

图2为车间虚拟监控系统的多视图展示示意图。

图3为车间虚拟监控系统的设备信息查看示意图。

图4为车间虚拟监控系统的设备故障报警示意图。

图5为车间虚拟监控系统某一时刻场景漫游的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种车间虚拟监控系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提出了一种车间虚拟监控系统，所述的虚拟车间的建立方法包括以下步骤：S1、依据物理车间设备模型的数据建立虚拟车间模型，使得物理车间与虚拟车间实现一一映射，完成虚拟车间数据库的建立；S2、定义虚拟车间中各个设备模型的动作，使得虚拟车间的模型的运动效果与物理车间相同；S3、编写脚本控制虚拟车间中设备模型的运动方式，并将脚本与相关设备模型进行管理，形成可驱动的动态模型。

具体地，为了仿真虚拟车间中设备模型的物理运动效果，使其运动效果与物理车间运动效果相同，需要给设备模型添加网格、刚体和盒碰撞器，添加了刚体和碰撞器的模型在发生碰撞时，就会应用物理引擎产生真实的物理效果，而不会穿透模型。

如图1所示，所述的车间虚拟监控系统包括：

数据采集平台1，用于采集物理车间中所有生命生产要素的数据；

数据处理平台2，其与数据采集平台1连接，用于根据数据采集平台所采集的数据进行挖掘及分析，实现虚拟车间与物理车间之间实时数据交互，驱动虚拟车间与物理车间同步运动；

业务逻辑平台3，其与数据处理平台2连接，用于获得车间设备进度管理、车间设备管理以及能耗效率管理的相关信息，依据设备的运行状态获得车间虚拟监控系统要展示的信息；

功能支持平台4，其与业务逻辑平台3连接，用于根据业务逻辑平台获得的信息支持车间虚拟监控系统的设备信息查看、车间多视角监控、生产现场多视图展示、设备故障检测、车间场景漫游功能；

人机交互界面5，其用于呈现功能支持平台4所要展示的内容，为用户提供可视化的虚拟车间布局、设备信息以及运行状态。

所述的数据采集平台1所采集的数据包括：静态参数及动态参数，所述的静态参数一般情况下表示车间中不会发生改变的数据信息，例如：车间设备的设备编码、设备名称、设备分类、工作环境等；所述的动态参数一般情况下表示在产品的制造过程中，由于产品生产状态的变化而随之发生改变的一类数据，例如：设备状态、零件现状等。静态参数不会受生产过程的影响，并且在生产流程开始之前已经确定，是车间生产过程管理中的常量数据，但这些数据并非永恒的不会改变的，它们可以在生产过程结束后由用户根据生产变化进行一定调整。动态参数一方面体现了车间在制造产品时的实时状态，有利于对车间进行实时监控和管理调度；另一方面为上层车间信息系统提供了数据基础，从而保障了产品制造过程中的数据处理、质量管控、任务调度及相应的供应链管理。

所述的数据处理平台2包括：数据库，其用于存储数据采集平台1所采集的数据；车间信息系统，其用于挖掘及分析数据，并根据数据分析结构发出生产指令信息，实现虚拟车间与物理车间的实时数据交互，驱动虚拟车间与物理车间同步运动和/或对物理车间的生产行为进行管控。

具体地，所述的数据库包括：用于存储用户信息的用户数据库；根据车间设备的编码与名称创建的数据库表单，用于存储数据采集平台1采集的数据；用于存储车间设备历史加工数据的MySQL数据库。

所述的业务逻辑平台包括：进度管理模块，其用于对车间生产线上的生产进度与整个产品的产出计划进行管理；车间设备管理模块，其用于对车间设备的工作状态、实时信息进行实时监控，及对车间现场的整个工作状况进行实时管控；能效管理模块，其用于对整个车间的生产效率和耗能情况进行管控。

所述的功能支持平台4包括：

系统登录功能模块，其与用户数据库连接，用于登录车间虚拟监控系统，且在登录成功后才显示人机交互界面5；

设备信息查看功能模块，其用于查看设备的详细信息及监控设备的实时数据；

多视角监控功能模块，其通过切换多个摄像机实现从多个角度观察车间生产过程；

多视图展示功能模块，其用于实现从多个视图展示车间生产过程；

设备故障检测功能模块，其用于检测车间出现故障的设备；

场景漫游功能模块，其用于实现用户从多个视角漫游参观车间；

模块结构功能，其用于实现与其他车间信息系统的信息连接。

具体地，所述的系统登录功能模块的原理为：

在人机交互界面5绘制登录界面的文本、按钮以及窗口，然后为按钮控件编写脚本使系统登录功能模块与用户数据库连接，实现点击注册按钮可以弹出注册信息框，点击登录按钮可以登录车间虚拟监控系统，点击退出按钮可以退出登录等功能。

具体地，所述的多视角监控功能模块的工作原理为：

在物理车间(虚拟车间)添加多个摄像机，分别调整摄像机的观察角度，保证车间各个角落都能被观察到。编写各个摄像机的切换脚本及相应的切换操作方式，通过识别用户的切换操作方式，确定所需要展示的视角。

本实施例提供的实施方案为：虚拟监控系统中设置有16个摄像机，并调整每个摄像机的位置确保车间的每个角落都能被观察到。编写代码当按下计算机功能键“F1”时切换到第一视角，当按下键“F2”时切换到第二视角，按下键“F3”时切换到第三视角，以此类推。通过Input.GetKey Down()函数检测键盘上的按键是否被按下确定所需要展示的视角，实现多视角监控功能。所述的多视图展示功能模块的工作原理为：

将人机交互界面5划分为大小一致的若干个显示区域，每个显示区域对应一个摄像机的视图，编写每一个显示区域的视图切换代码及切换操作方式，通过识别用户的切换操作方式实现单个视图与多个视图间的切换。

本实施例提供的实施方案为：

将人机交互界面5划分为16个大小一致的显示区域，每个显示区域对应一个摄像机的视图，可同时显示车间生产场景的16个不同角度的视图。编写视图切换代码，当按下计算机功能键“P”键时可以由主摄像机单个视图转换为多视图展示，按下“O”键可由单个视图转换为单一视图展示。如图2所示，为车间虚拟监控系统的多视图展示示意图。

所述的设备信息查看功能模块的工作原理为：

当用户通过计算机的鼠标点击虚拟车间中的设备模型时，调用clickEquipment()函数获取该设备模型的名称或编号，数据网页根据获取的编号查找对应的物理车间的实际设备，并从数据处理平台2的数据库中调取该设备的实时数据并将该实时数据解析为JSON数据格式，然后通过调用ShowEquipmentRealData()函数传送到该设备的三维组件上，通过将JSON数据格式进行解析后显示在人机交互界面5中，实现设备信息的实时查看及监控。如图3所示，为车间虚拟监控系统的设备信息查看示意图。

本实施例提供的查看设备信息的步骤为：

Step1：鼠标单击设备模型；

Step2：将鼠标点击位置信息转化为射线；

Step3：取出碰撞射线检测到的设备名称；

Step4：从数据库中取出该设备的状态信息；

Step5：弹出设备状态信息窗口。

所述的设备故障检测功能模块的工作原理为：

当设备故障发生后，故障的数据信息会以一定的格式传递到服务器上，服务器会将接收到的故障信息进行数据解析以表单的形式存储起来，同时车间虚拟监控系统会接收到故障信息表单更新的通知，故障代码接收函数定义ReceiveEmergencyData()，该函数负责将从数据库传递来的故障数据接收并解析为三维场景的数据格式，包括设备编号、故障类型等内容，设备模型的三维组件接收到函数传来的设备故障信息指令后，会将故障信息显示出来并且报警灯开始闪烁，当故障维修人员将设备维修好后，表单中更新设备的最新数据，定义清除故障信息函数ClearEmergencyData()，该函数负责将之前显示的故障信息清除并关闭报警闪烁灯，设备维修好故障解除后系统调用该函数，函数通过代码指令连接故障信息显示组件与报警灯闪烁组件将其关闭。

进一步地，故障检测算法步骤可以分为两大部分：一是建立正常工况的主元模型；二是在线故障检测与诊断。

所述的建立正常工况的主元模型具体包含以下步骤：

Step1.采集正常运行过程中的车间数据，并进行标准化处理；

Step2.建立主元模型，确定主元个数；

Step3.计算SPE统计量和T2统计量的控制限。

所述的在线故障检测与诊断具体包含以下步骤：

Step4.在线采集故障数据，进行标准化处理；

Step5.将处理后的故障数据代入Step2建立的主元模型；

Step6.计算SPE统计量和T2统计量；

Step7.将Step6中得出的统计量与Step3中统计量的控制限进行比较，若超过控制限，则故障检测，进行Step8；若没有超限，则返回到Step4；

Step8.计算每个过程变量对SPE统计量和T2统计量的贡献率，贡献率最大的变量就是可能引起故障的变量。

其中，SPE统计量又称为Q统计量，表示在残差子空间上原始数据投影变化的大小；SPE统计量反映了采集的数据与主元模型的匹配程度，如果SPE的值超过控制上限，则可以推测系统可能存在故障；T2统计量是得分向量的标准平方和，指示每个采样在变化趋势和幅值上偏离模型的程度。如图4所示，为车间虚拟监控系统的设备故障报警示意图。

所述的场景漫游功能模块的工作原理为：

采用Frame Move函数计算摄像机的位置，实现用户在车间场景中视图的移动。用户可通过计算机鼠标、键盘、VR头盔等外设实现车间场景向前、向后、向左、向右、向上以及向下等多个方向的运动展示，同时，用户可采用第一人称或第三人称等多个视角进行车镜场景漫游，使用户获取身临其境的感觉。如图5所示，为车间虚拟监控系统的某一时刻场景漫游的示意图。

用户通过功能支持平台4的系统登录功能模块成功登录虚拟车间监控系统，登录后显示人机交互界面5，用户可通过人机交互界面5实现车间设备的详细信息查看、实时状态的监控、多角度观察车间生产过程、设备故障的检测以及车间场景漫游等。

本发明还提出了一种车间虚拟监控系统的服务终端，包括存储器和处理器，所述的存储器用于储存车间虚拟监控系统的程序指令，所述的处理器用于调用所述的存储器中的程序指令，从而执行车间虚拟监控系统的各个功能。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种车间虚拟监控系统，所述的虚拟车间根据真实的物理车间的布局和环境建立，其特征在于，所述的车间虚拟监控系统包括：

数据采集平台，用于采集物理车间中所有生命生产要素的数据；

数据处理平台，其与数据采集平台连接，用于根据数据采集平台所采集的数据进行挖掘及分析，实现虚拟车间与物理车间之间实时数据交互，驱动虚拟车间与物理车间同步运动；

业务逻辑平台，其与数据处理平台连接，用于获得车间设备进度管理、车间设备管理以及能耗效率管理的相关信息，依据设备的运行状态获得车间虚拟监控系统要展示的信息；

功能支持平台，其与业务逻辑平台，用于根据业务逻辑平台获得的信息支持车间虚拟监控系统的设备信息查看、车间多视角监控、生产现场多视图展示、设备故障检测、车间场景漫游功能；

人机交互界面，其用于呈现功能支持平台所要展示的内容，为用户提供三维可视化的虚拟车间布局、设备信息以及运行状态。

2.如权利要求1所述的一种车间虚拟监控系统，其特征在于，所述的数据处理平台包括：

数据库，其用于存储数据采集平台所采集的数据；

车间信息系统，其用于挖掘及分析数据，并根据数据分析结构发出生产指令信息，实现虚拟车间与物理车间的实时数据交互，驱动虚拟车间与物理车间同步运动和/或对物理车间的生产行为进行管控。

3.如权利要求1所述的一种车间虚拟监控系统，其特征在于，所述的业务逻辑平台包括：

进度管理模块，其用于对车间生产线上的生产进度与整个产品的产出计划进行管理；

车间设备管理模块，其用于对车间设备的工作状态、实时信息进行实时监控，及对车间现场的整个工作状况进行实时管控；

能效管理模块，其用于对整个车间的生产效率和耗能情况进行管控。

4.如权利要求1所述的一种车间虚拟监控系统，其特征在于，所述的功能支持平台包括：

设备信息查看功能模块，其用于查看设备的详细信息及实时数据；

多视角监控功能模块，其通过切换多个摄像机用于实现从多个角度观察车间生产过程；

多视图展示功能模块，其用于实现从多个视图展示车间生产过程；

设备故障检测功能模块，其用于检测车间出现故障的设备；

场景漫游功能模块，其用于实现用户从多个视角漫游参观车间。

5.如权利要求1所述的一种车间虚拟监控系统，其特征在于，所述的多视角监控功能模块中设置有车间场景中的各个摄像机的切换代码及切换操作方式，并通过检测用户的切换操作方式，从而识别所需展示的视角。

6.如权利要求4所述的一种车间虚拟监控系统，其特征在于，所述的设备信息查看功能模块调取所需查看的设备模型的名称或编号，再从数据库中获取该设备的实时数据并将该实时数据解析为JSON数据格式，然后再传送到该设备的三维组件上，将JSON数据格式进行解析后显示在人机交互界面中，实现设备信息的实时查看及监控。

7.如权利要求4所述的一种车间虚拟监控系统，其特征在于，所述的设备故障检测功能模块采用主元分析法进行车间设备的故障检测。

8.如权利要求7所述的一种车间虚拟监控系统，其特征在于，所述的主元分析法包括以下步骤：

S1、建立正常工况的主元模型；

S2、采集故障数据并根据主元模型进行在线故障检测与诊断；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

Step1.采集正常运行过程中的车间数据，进行标准化处理；

Step2.建立主元模型，确定主元个数；

Step3.计算SPE统计量和T2统计量的控制限；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

Step4.在线采集故障数据，进行标准化处理；

Step5.将处理后的故障数据代入Step2建立的主元模型；

Step6.计算SPE统计量和T2统计量；

Step7.将Step6中得出的SPE统计量和T2统计量分别与Step3中SPE统计量和T2统计量的控制限进行比较，若超过控制限，则故障检测，进行Step8；若没有超限，则返回到Step4；

Step8.计算每个过程变量对SPE统计量和T2统计量的贡献率，贡献率最大的变量就是可能引起故障的变量；

其中，SPE统计量又称为Q统计量，表示在残差子空间上原始数据投影变化的大小；SPE统计量反映了采集的数据与主元模型的匹配程度，如果SPE的值超过控制上限，则可以推测系统可能存在故障；T2统计量是得分向量的标准平方和，指示每个采样在变化趋势和幅值上偏离模型的程度。

9.一种车间虚拟监控系统的服务终端，其特征在于，包括存储器和处理器，所述的存储器用于储存如权利要求1-8中任意一项所述的车间虚拟监控系统的程序指令，所述的处理器用于调用所述的存储器中的程序指令，从而执行车间虚拟监控系统的各个功能。

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