齊雪良

（江西宏柏新材料股份有限公司，江西 樂(lè)平）

引言

物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)是支持復(fù)雜生產(chǎn)、保障生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要作用是連接與轉(zhuǎn)換生產(chǎn)全部流程。隨著物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)的復(fù)雜化、柔性化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)需要依靠大量人工定期巡檢的檢修維護(hù)方式逐漸滯后，無(wú)法充分滿(mǎn)足現(xiàn)代系統(tǒng)維護(hù)需求。因此，需要對(duì)該系統(tǒng)增加實(shí)時(shí)故障預(yù)警功能，用以保障生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性，促進(jìn)物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展?；诖?，本文主要內(nèi)容是分析與研究物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)實(shí)時(shí)可視化故障預(yù)警技術(shù)。

1 物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)

物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)線中的重要內(nèi)容，該系統(tǒng)的組成包含機(jī)器人、移載裝置、AGV/RGV系統(tǒng)以及軌道輸送系統(tǒng)等部分，借助物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)物料在各生產(chǎn)流程環(huán)節(jié)間的傳送。

現(xiàn)階段，伴隨工業(yè)科技水平的不斷提高與研發(fā)應(yīng)用，各類(lèi)新興科技，如人工智能、大數(shù)據(jù)、分布式存儲(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)以及區(qū)塊鏈等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)研發(fā)升級(jí)中，使得物料自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)逐步面向智能化轉(zhuǎn)型[1]。

2 物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)現(xiàn)存問(wèn)題與實(shí)時(shí)可視化故障預(yù)警的需求分析

以典型數(shù)字化車(chē)間物料輸送系統(tǒng)為例分析物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)的現(xiàn)存問(wèn)題，其現(xiàn)存問(wèn)題包含以下五點(diǎn)，其一是系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)與有效信息之間不對(duì)等，即物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)在日常運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，但無(wú)法及時(shí)有效的提取故障信息。其二是系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)所采用的方式主要以人工定期檢修為主，所需要消耗的人工成本較高，且系統(tǒng)檢修缺乏針對(duì)性。其三是系統(tǒng)中現(xiàn)有故障管理系統(tǒng)的功能更傾向于故障診斷，并不能真正實(shí)現(xiàn)有效的故障預(yù)警，即無(wú)法及時(shí)分析出系統(tǒng)運(yùn)行可能存在的隱形故障。其四是故障無(wú)法實(shí)現(xiàn)可視化，現(xiàn)有的故障管理系統(tǒng)主要以平面的形式展示故障信息，無(wú)法提供復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)故障信息的可視化展示[2]。

3 基于實(shí)時(shí)可視化故障預(yù)警技術(shù)的物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

參照上述的問(wèn)題與需求分析，現(xiàn)提出一種基于實(shí)時(shí)可視化故障預(yù)警技術(shù)的物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)構(gòu)建框架，如圖1 所示。

圖1 基于實(shí)時(shí)可視化故障預(yù)警技術(shù)的物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)共分為三層，分別為數(shù)據(jù)采集層、故障處理層（復(fù)雜事件處理層）以及應(yīng)用與顯示層，各系統(tǒng)層的邏輯框架如圖2 所示。

圖2 各系統(tǒng)層邏輯框架

其中，數(shù)據(jù)采集層主要功能是完成實(shí)時(shí)的多源數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)層需要布設(shè)多種不同類(lèi)型的傳感器、智能設(shè)備元件以及數(shù)據(jù)采集終端等，通過(guò)智能化的底層設(shè)備搭建良好的物理基礎(chǔ)。同時(shí)，借助物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)等技術(shù)完成對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)獲取與整合分析，如完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行電壓、溫度、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)獲取與整合分析，進(jìn)而選用適宜的數(shù)據(jù)采集方式完成系統(tǒng)信息集成，并實(shí)現(xiàn)對(duì)物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的全面感知。此外，對(duì)于感知數(shù)據(jù)的傳輸而言，需要以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、Internet 以及ZigBee 等為載體完成服務(wù)器的數(shù)據(jù)上傳。若選用Internet 為數(shù)據(jù)傳輸載體，還可以根據(jù)實(shí)際上傳需求選擇網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（TCP/IP，Transmission Control Protocol/Internet Protocol）中的用戶(hù)數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP，User Datagram Protocol）或者傳輸按制協(xié)議（TCP，Transmission Control Protocol）[3]。因物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)需要完成對(duì)復(fù)雜事件的有效處理，且系統(tǒng)整體框架邏輯較為復(fù)雜，所以系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層需要感知的數(shù)據(jù)量較為龐大，可以選擇數(shù)據(jù)傳輸更為高效的UDP 協(xié)議。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 復(fù)雜故障動(dòng)態(tài)識(shí)別

如圖3 系統(tǒng)故障層次分析所示，若想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障預(yù)警便需要把故障信息按照故障等級(jí)進(jìn)行細(xì)化，并且細(xì)化到零部件級(jí)。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)故障預(yù)警中的原子事件與復(fù)雜事件進(jìn)行定義，原子事件定義：設(shè)E是原子事件的有限集合，E= {e|n=1，2，...，n}；對(duì)于?e∈E；e 能夠表示成：e={id，attr，timestamp}，id是事件唯一的序列號(hào)；attr 是事件屬性集合；timestamp是事件e 的發(fā)生事件。復(fù)雜事件定義：設(shè)C 是復(fù)雜事件，C＝＜CE＿ID，E，Rules，Tbegin，Tend。CE＿ID 是復(fù)雜事件的序列號(hào)；E 為事件流的有限集合，E＝en{ ｜n=1，2，...，n}，其中，n≥1；Rules 為復(fù)雜事件檢測(cè)規(guī)則；Tbegin、Tend是復(fù)雜事件的開(kāi)始與結(jié)束事件，T 為時(shí)間跨度，T=Tend-Tbegin。

圖3 系統(tǒng)故障層次分析

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，使用了復(fù)雜時(shí)間處理技術(shù)（CEP，Complex Event Processing），通過(guò)利用該技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)采集層上傳的數(shù)據(jù)看作不同類(lèi)型的事件，深入分析各事件之間的關(guān)聯(lián)，而后搭建不同事件的關(guān)系序列庫(kù)，同時(shí)使用數(shù)據(jù)過(guò)濾、關(guān)聯(lián)以及聚合等技術(shù)手段使普通類(lèi)型的事件成為高級(jí)事件，并根據(jù)模式匹配原則完成對(duì)事件中重要數(shù)據(jù)信息的分析以及跟蹤，進(jìn)而提取到系統(tǒng)運(yùn)行異常狀態(tài)信息，完成系統(tǒng)故障預(yù)警與故障檢測(cè)。其故障處理層的主要處理邏輯為：借助輸入適配器完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理指令，利用相關(guān)通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)包解析與再次封裝，使數(shù)據(jù)能夠封裝為原子事件，然后使用CEP 引擎完成對(duì)原子事件的進(jìn)一步處理，獲取到“感興趣”的復(fù)雜事件，并由輸出適配器完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，使其數(shù)據(jù)包能夠被應(yīng)用與顯示層所識(shí)別與接收處理，其基于復(fù)雜事件處理的故障預(yù)警機(jī)制如圖4 所示。

圖4 基于復(fù)雜事件處理的故障預(yù)警機(jī)制

4.2 故障預(yù)警三位可視化交互實(shí)現(xiàn)方法

為有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障可視化可以選擇使用綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具（Unity3D）搭建三維虛擬環(huán)境，其具體構(gòu)建流程包含以下4 個(gè)流程：

第一，根據(jù)系統(tǒng)故障分析構(gòu)建三維模型。參照對(duì)系統(tǒng)對(duì)象的故障分析，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)象現(xiàn)有的層次架構(gòu)，同時(shí)基于實(shí)際的系統(tǒng)故障可視化需求與要求，能夠明確相關(guān)建模的層次以及粒度，進(jìn)而利用Unity3D搭建三維模型庫(kù)。

第二，創(chuàng)建三維虛擬場(chǎng)景，結(jié)合實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)一步合理布設(shè)三維模型庫(kù)，使三維虛擬場(chǎng)景能夠盡可能地符合實(shí)際場(chǎng)景，然后使用外部環(huán)境渲染進(jìn)一步高度還原場(chǎng)景，并借助不同點(diǎn)位布置的攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)視角查看三維虛擬場(chǎng)景內(nèi)部狀況的目的。

第三，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信息對(duì)模型動(dòng)態(tài)化特征按制。通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的可視化腳本，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)模型動(dòng)態(tài)顯示故障特征。

第四，實(shí)現(xiàn)可視化故障預(yù)警。如圖5 可視化故障預(yù)警所示，在前三個(gè)流程搭建的基礎(chǔ)上，最終實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)的實(shí)時(shí)可視化故障預(yù)警。

圖5 可視化故障預(yù)警

5 基于實(shí)時(shí)可視化故障預(yù)警技術(shù)的物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

基于模塊化設(shè)計(jì)理念對(duì)無(wú)聊自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括系統(tǒng)集成接口模塊、系統(tǒng)管理模塊、故障信息管理模塊、故障可視化模塊、三維虛擬系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

5.1 數(shù)據(jù)處理模塊

為動(dòng)態(tài)化掌按物料在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中的狀態(tài)，則需要利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與底層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸效果，從而達(dá)到實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地采集無(wú)聊自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)信息以及物料數(shù)據(jù)等。而后將所收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與整合，并依據(jù)事先設(shè)定好的事件描述格式將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息封裝為事件，采用事件處理技術(shù)對(duì)封裝為事件的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)化處理，以此確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可能存在的故障或異常，為可視化故障預(yù)警系統(tǒng)的順利運(yùn)行提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。

5.2 三維虛擬系統(tǒng)模塊

三維虛擬系統(tǒng)模塊的主要作用是，以物理空間維度對(duì)各類(lèi)對(duì)象進(jìn)行建模。利用先進(jìn)的圖形、圖像采集與處理技術(shù)，對(duì)零部件故障、設(shè)備故障、子系統(tǒng)故障以及系統(tǒng)故障等多樣化故障進(jìn)行分析與建模，按照故障預(yù)警可視化需求對(duì)模型的精細(xì)化程度、粒度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而形成系統(tǒng)對(duì)象的三維模型。另外，也可以在上述基礎(chǔ)之上，以物料自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)的具體應(yīng)用環(huán)境為背景，形成整個(gè)系統(tǒng)的虛擬化場(chǎng)景，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的可視化效果奠定基礎(chǔ)。

5.3 故障可視化模塊

故障可視化模塊的主要作用有兩方面，一方面是動(dòng)態(tài)化接收數(shù)據(jù)處理模塊所回饋的故障信息，并對(duì)相關(guān)故障信息進(jìn)行分析與整合，根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合與故障位置、故障類(lèi)型等相對(duì)應(yīng)的三維模型；另一方面是故障可視化模塊中會(huì)提前寫(xiě)入與各個(gè)三維模型相對(duì)應(yīng)的腳本，腳本會(huì)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行相應(yīng)的可視化表現(xiàn)，如閃燈、高亮等，進(jìn)而達(dá)到故障預(yù)警的可視化效果。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在新時(shí)代發(fā)展背景下，傳統(tǒng)的物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)故障檢修維護(hù)方式已經(jīng)無(wú)法充分滿(mǎn)足現(xiàn)代化系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)要求與需求，深入探究基于實(shí)時(shí)可視化故障預(yù)警技術(shù)的物料自動(dòng)化輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠有效提高系統(tǒng)運(yùn)行檢修維護(hù)的效率，充分保障生產(chǎn)效率和安全性。此外，本文的研究成果目前已經(jīng)在江蘇電力科學(xué)研究院計(jì)量中心的電表自動(dòng)化檢定系統(tǒng)中應(yīng)用，截至目前，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，也再次驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與技術(shù)可行性。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用表明該系統(tǒng)的研究應(yīng)用能夠有效促進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的智能化發(fā)展，對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行性能與效率、減少故障發(fā)生概率與損失等方面具有重要意義。