智能车间可视化大屏设计与实现

摘要：智能化生产和数字化转型成为驱动工业企业高质量发展的有效途径。以某纺织厂智能车间可视化大屏设计与实现为目标，综合考虑政府监管、企业发展不同视角进行了大屏框架总体设计，提出了一种基于“端-边-云”的系统架构，运用大数据技术、3D交互技术、数据可视化技术，对系统进行实现和验证。初步应用表明，该系统较完美地解决了工业生产车间监测可视化问题，实现了流利、实时、雅观的监测可视化。

关键词：智能车间;数据可视化;3D交互;数字化转型

中图分类号：TP399     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）01-0105-03

1 引言

随着“中国制造2025”作为国家战略的不断推进，智能制造在壮大新兴产业、提升综合国力等诸多方面都将产生深远的影响，已成为推动科技创新、经济增长和社会稳定的重要力量，是新工业革命的核心，是经济发展和转型的新机遇以及形成新竞争力的主战场。

智能制造车间生产过程实时追踪体系的构建是满足当前智能制造车间优化、实现我国制造业转型升级的关键[1-3]。针对监控模式效率低、沟通协作性差，难以满足现代化工厂生产需求问题，王海峰等人对车间智能监控系统展开研究。在生产车间数字化的建设过程中，实现生产车间的智能监测与可视化呈现是一个十分具有研究价值的课题[4-5]。可以说，当前智能化改造与数字化转型已经成为工业发展高质量发展的必由之路。

本文给出一种针对智能车间数据可视化的设计与实现方法，兼顾政府、企业、用户各自诉求，系统采用“端-边-云”的系统架构，实时获取车间设备数据，并借助大数据技术、3D交互技术、文本与可视化图表技术，优化和提升可视化效果，设计了一个流畅、实时、美观的监测可视化系统，解决了数据响应不及时、可视化效果不佳等问题，为制造型企业基于可视化的分析决策提供了一个可以参考和借鉴的解决方案。

2 关键问题

2.1 系统架构

为了实现前端数据可视化呈现更加实时流畅，需要从根本上解决传统技术扩展性不足的局限，因而提出一种基于“端-边-云”的可扩展系统架构，将车间设备与环境数据的采集、传输、分析、显示进行分层处理，彻底解决数据拥堵、卡顿、丢失等典型问题。

2.2 数据存储与分析

智能车间数字化改造中要求车间数据的获取通常具有低延时、高并发特性，系统在数据推送与传输方面，可能因网络信号、远程设备硬件性能低下等问题导致数据丢失、堵塞等发生，本文尝试将MQTT（消息队列遥测传输）消息协议和MQ消息队列结合使用，并引入消息队列集群以弥补MQTT协议不支持负载均衡的弊端，使数据传输愈加稳固、高效;在数据存储方面，借助磁盘顺序写速度快的特点，解决高并发场景下大批量数据快速写操作的难题，通过这些技术措施加快消息的传送速度;在数据分析方面，探索采用基于Elasticsearch的聚合查询与多维度数据的分析统计模型，以便提高数据分析的效果。

2.3 可视化展示方案

在当前智能制造朝着定制化、网络化、智能化加速发展的趋势下，本文设计的可视化大屏系统为行业企业、政府监管部门等不同角色的主体提供各自关切的监测功能。要求系统从行业视角、工厂-车间视角、设备维度视角提供不同的可视化监测界面，让相关用户更加有针对性地掌握与自身相关的信息。

3 系统设计分析

3.1 功能分析

本文所设计的基于“端-边-云”架构的智能工厂可视化系统，本质上是一个基于计算机、网络通信、大数据等信息处理技术的远程实时监测平台。该系统可以完成企业车间内各种设备的状态数据监测、生产实况分析、故障报警及诊断等功能，还可以将生产数据上传至服务器，进行深一步的数据挖掘，分析企业生产中存在的问题和故障预警、发展趋势分析，以便于有效地提升制造业生产力。

在登录界面可以区分不同的用户角色，在登录后根据角色展示与之相关的可视化数据以及数据查询结果。超级管理员角色查看系统中所有企业工厂相关信息，包括车间传感器数据、生产数据、能效情况等，结合可视化图表分析对企业进行有效评估。普通企业用户登录后，可查看自身企业相关传感器数据、异常数据、设备运行状态等，基于获得信息以便实施改进方案。

3.2 系统架构

系统架构需求支持广泛的设备接入能力，并且实现对多种主流工业协议的支持;在数据实时性和并发性方面设计满足海量设备接入与快速响应需求以及完善了多种功能性设计，大幅度提升生产效率。

完整的系统主要涉及数据接收服务、数据存储服务和Web实时消息推送服务。分别为车间数据源、大数据接收存储分析区及业务可视化展示区，即各车间的设备和环境信息数据通过网关组包并发送到云端，继而进行一系列接收、解析、存储、分析、查询服务，其中数据存储采用了MySQL+Elasticsearch的组合方案，MySQL用来实现数据持久化存储;Elasticsearch时序数据库则实现批处理存储以及高效的聚合查询与多维度的数据统计。最后，在PC端进行可视化大屏的展现。系统数据传输流程如图2所示。

3.3 可视化设计

大屏从“行业-工厂-车间-设备”四个递进维度进行设计，可扩展性强，采用多种图表合理搭配，解决生产车间设备状态、生产实况分析、报警故障发现及诊断等数据可视化及数据分析问题，具体功能如下：

1）宏观信息——通过地图方式展示接入系统的全国行业企业信息汇总。这些宏观信息包括总接入工厂数、设备数、能效情况、设备故障情况等。

2）环境与指标——生产环境通常包括温湿度、PM2.5以及相关的预警信息，生产指标包括任务执行进度、效益、产能等信息。

3）设备信息——生产设备运行信息，如三菱纺织加工设备运行实时信息、西门子加工单元，采集主轴转速等信息。

4 系统实现

4.1 登录

本平台采用SaaS化部署。登录页三维动态旋转地球达到良好的视觉效果，权限分为超级管理员、企业用户、监管账户等。用户输入账号和密码调用后端接口进行登录校验，若验证不成功则弹出窗口提示。用户登录后，若为管理员权限进入系统首页，若为企业用户则登录进入企业详情页，通过分别调用相关接口返回数据实现的角色管理。大屏登录页面如图3所示。

4.2 行业-企业视角

首页中采用行业视图展示全国纺织行业接入该系统大屏的信息汇总，屏幕上方以显著区块展示行业总体宏观信息，包括接入企业数、总车间数、设备数与健康指标数、总产量数等;屏幕右侧显示开机报警率、总报警率以及总使用率等指标，屏幕下方展示总体能耗情况包括了水耗、电耗、油耗等，并以横向柱状图的形式展示了消耗量的基本信息。屏幕中间部分以横向柱状图的形式展示了总产量排名前列企业。屏幕中心区域以地图的形式直观显示接入的企业。地图具有交互功能，鼠标移动到该区域会显示相应公司名称和数据量，点击特定省市则可以进入相应的区域更细粒度地呈现相关信息，具体效果如图4所示。

4.3 工厂-车间视角界面

选定特定接入企业后则进入该企业自身的大屏视图。如图5所示，大屏中心区域给出选定生产企业的3D工厂布局。大屏左侧展示设备状态，包括报警次数、报警内容、月报警趋势及报警详情等。大屏右侧展示相关生产信息，包括设备产量、月产量及月回退量、日报信息及运行时长等。大屏底部则展示该接入企业的一般性摘要信息。

4.4 车间-设备视角

进入企业的某一生产车间，则显示该车间相关的设备运行情况。图6给出某纺织企业的车间生产设备监控大屏，屏幕左侧为该企业车间导航，右侧为设备类型导航，包括生产设备、供电设备、监控设备等。这种双侧导航的设计形式具有良好的扩展性。中间部分以动态滚动展示特定生产加工设备的详细信息。上部包括基本信息，如品牌、型号、出厂日期、用途等。设备状态包括开机、待机、关机等。若设备开机则展示运行时长、开机产量、报警次数以及实时产量和回退量等。最后，屏幕下方展示了该车间的宏观信息，包括车间名称、设备数量、作业数量、待机数量、报警数据等。

此外，可视化大屏还具有很好的实时性，如针对需要实时报警的信息，利用WebSocket实现实时弹窗提示处理，系统会自动弹出报警信息，点击报警按钮也可查看相关信息。

5 结论

制造业企业在智能化改造和数字化转型过程中，随着多种生产要素的接入，会产生海量的信息。通过Kafka、Netty、ES等多种技术的综合运用，实现了车间数据收集的高并发、高实时性。通过综合使用Vue.js、ECharts、3D交互技术、定位技术等实现了大屏的可视化显示，改变了传统数据可视化只能显示单调静态图表的现状，大大改善了可视化的效果。初步实践表明通过可视化大屏的设计与实现，显著改善了车间设备利用率低、能耗消耗大、安全预警不及时、人力资源无法合理支配等问题，实现了降本增效的目的。

参考文献：

[1] 张华.基于“互联网+”背景下智能制造车间生产过程实时跟踪系统研究[J].粘接，2020，43（8）：152-155，166.

[2] 王海峰，郭晓军，王振东.某保温管厂发泡车间智能监控系统研究[J].装备制造技术，2020（11）：60-63，71.

[3] 方磊.基于物联网的生产车间智能监测研究[D].合肥：合肥工业大学，2018.

[4] 张安思.数字车间数据感知、融合及可视化研究[D].贵阳：贵州大学，2019.

[5] 芮亮亮.大屏可视化在钢铁管控中心系统中的运用[J].信息与电脑（理论版），2020，32（11）：85-87.

【通联编辑：梁书】

收稿日期：2021-09-10

基金项目：江苏省青蓝工程;江苏省大学生创新创业训练计划项目（202012686016Y）;苏州工业职业技术学院科研启动基金（2017kyqd017）;苏州工业职业技术学院院级课题（2020kytd04）

作者简介：陈涛（2000—），男，大专，主要研究方向为软件技术;刘文军（1981—），男，讲师，博士，主要研究方向为并行与分布式系统、无线传感器网络等。