省級計(jì)量中心大屏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范志夫，湯振華

（江西省電力公司計(jì)量中心，江西 南昌 330096）

0 引言

計(jì)量生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控大屏作為省級計(jì)量中心生產(chǎn)總調(diào)度室的主要設(shè)備，主要用來展示計(jì)量中心的各種生產(chǎn)信息，包括生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)任務(wù)、庫存信息、檢定信息，生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等。可將經(jīng)過3D建模仿真的單三相自動化檢定線、互感器檢定線、采集終端檢定線、人工檢定臺以及立體倉庫、人工庫房的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況顯示在屏幕上，供生產(chǎn)管理人員實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)度管理，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、合理安排任務(wù)、提高設(shè)備利用率的目的。

1 設(shè)計(jì)原則

大屏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循配置合理、技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、性能穩(wěn)定、使用簡潔、結(jié)構(gòu)開放的原則，并綜合考慮維護(hù)、擴(kuò)展及操作因素，根據(jù)現(xiàn)場使用環(huán)境、顯示信號特點(diǎn)和數(shù)量，以及三維可視化應(yīng)用等要求，提供從顯示單元、處理器、三維應(yīng)用服務(wù)器等整體的、安全可靠的計(jì)量中心大屏監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。

1.1 系統(tǒng)先進(jìn)實(shí)用性原則

在滿足對功能、質(zhì)量、性能、價(jià)格和服務(wù)等各方面要求的前提下，追求最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)備配置，系統(tǒng)采用的顯示單元、多屏處理器、控制軟件等技術(shù)性能和質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，從而保證產(chǎn)品的高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、高服務(wù)水平。

1.2 系統(tǒng)可擴(kuò)展性原則

對于一個(gè)具有高端顯示技術(shù)的調(diào)度所應(yīng)充分考慮到幾年內(nèi)的迅猛發(fā)展，以及信息化系統(tǒng)的越來越顯著的重要性，因此系統(tǒng)設(shè)備采用盡可能多的模塊化設(shè)計(jì)，為將來的發(fā)展準(zhǔn)備足夠的空間。

1.3 系統(tǒng)開放性原則

系統(tǒng)的通訊協(xié)議向用戶開放，使用戶的各系統(tǒng)能更好的與本系統(tǒng)融合。系統(tǒng)應(yīng)具有二次開發(fā)接口，滿足用戶維護(hù)軟件、開發(fā)新的應(yīng)用軟件的需求。利用此接口，大屏監(jiān)控系統(tǒng)可向用戶綜合管理系統(tǒng)開放，完成用戶指定的特殊功能需求。

1.4 系統(tǒng)可靠性原則

整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)按照需求全天24小時(shí)、一年365天連續(xù)工作要求，所以整個(gè)大屏幕拼接系統(tǒng)必須具有高可靠性、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，以保證系統(tǒng)常年連續(xù)正常運(yùn)行。為了滿足大屏幕拼接系統(tǒng)長年連續(xù)運(yùn)行，因而其設(shè)計(jì)必須遵循可靠性的原則，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵部位選用高可靠性設(shè)備，對于重要的控制節(jié)點(diǎn)采用先進(jìn)的高新技術(shù)來保障。

1.5 系統(tǒng)兼容性原則

大屏監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)各種子系統(tǒng)的完美匯接，所以系統(tǒng)的兼容性就顯得十分必要。

1.6 系統(tǒng)可維護(hù)性、可管理性原則

從用戶角度出發(fā)，充分考慮到系統(tǒng)設(shè)備的安裝、配置、操作方便等需求，提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理手段，合理配置和調(diào)整系統(tǒng)負(fù)載、監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)、控制系統(tǒng)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

大屏監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對整個(gè)計(jì)量資產(chǎn)和計(jì)量業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和可視化調(diào)度，可以對視頻信號、3D可視化應(yīng)用系統(tǒng)等進(jìn)行直觀、實(shí)時(shí)、全方位的綜合展示。大屏監(jiān)控系統(tǒng)綜合高清晰數(shù)字顯示技術(shù)、顯示單元無縫拼接技術(shù)、多屏圖像處理技術(shù)、信號切換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、3D可視化技術(shù)等手段，形成一個(gè)擁有高亮度、高清晰度、技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大、使用方便的大屏幕綜合顯示系統(tǒng)，為省級計(jì)量中心提供一個(gè)可視化的網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控平臺、指揮調(diào)度平臺、信息資源共享平臺和分析決策平臺。

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)圖

1）展示層：利用多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)展示效果的豐富、絢麗，支持多分辨率的信號輸出，在控制層的控制下提供多種多樣的展示主題、場景；接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容構(gòu)建矢量動態(tài)畫面；通過實(shí)時(shí)渲染，絢麗動畫達(dá)到完美的顯示效果；界面切換、場景切換、環(huán)境控制、可視化與信號（視頻及計(jì)算機(jī)）結(jié)合互動。

2）控制層：對組件層進(jìn)行封裝和二次開發(fā)，提供可配置的組件單元供運(yùn)行支持團(tuán)隊(duì)快速的生成各種主題、場景以迅速響應(yīng)不同的需求；提供數(shù)據(jù)追溯、模型分析等功能以實(shí)現(xiàn)決策分析、流程監(jiān)控；支持多種終端應(yīng)用，包括大屏、PC、移動設(shè)備等；通過前置處理類、后置處理類完成對數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)的采集；通過定時(shí)調(diào)度按設(shè)計(jì)規(guī)則從服務(wù)總線或數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)；根據(jù)展示層請求，并按照設(shè)計(jì)規(guī)則組織數(shù)據(jù)；將一個(gè)完整參觀場景中的數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中，提高效率；按設(shè)計(jì)規(guī)則向展示層推送數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)層：通過制定不同類型、業(yè)務(wù)類別的數(shù)據(jù)接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及狀態(tài)估計(jì)以滿足需求；多業(yè)務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取和存放，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)獲取、統(tǒng)一存儲；對數(shù)據(jù)合理性、真實(shí)性、可信度等方面進(jìn)行校正和維護(hù)。

2.3 硬件架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 硬件架構(gòu)圖

系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對采集的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。采用三維仿真手段，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫存儲的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)場景進(jìn)行實(shí)時(shí)再現(xiàn)，做到設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)可視化。同時(shí)對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取處理，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)在三維仿真場景整合，進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化的處理。為生產(chǎn)調(diào)度提供“透明工廠”的技術(shù)支撐。從而實(shí)現(xiàn)單三相檢定線、互感器檢定線、采集終端檢定線以及立體倉庫、人工庫房的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的3D仿真實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

圖3 硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)及典型應(yīng)用

3.1 關(guān)鍵技術(shù)概述

圖4為該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)示意圖。

圖4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)示意圖

總體上，營銷自動化系統(tǒng)基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的管理，采用業(yè)界先進(jìn)的J2EE架構(gòu)（SOA組件、JSP、Servlet、EJB等），使用基于web瀏覽器的多層體系結(jié)構(gòu)，通過統(tǒng)一的權(quán)限體系和WebService技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和信息共享。

同時(shí)，根據(jù)具體應(yīng)用定位的不同，業(yè)務(wù)處理平臺主要采用工作流技術(shù)、中間件技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用；多渠道接入平臺主要采用CTI技術(shù)、視頻技術(shù)和多媒體技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用；電能采集平臺主要采用電力技術(shù)、通信技術(shù)，自動控制技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用；分析決策平臺主要采用商業(yè)智能技術(shù)（包括數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘、ETL、OLAP展現(xiàn)等）。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.2.1 三維工業(yè)仿真技術(shù)

該技術(shù)是用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視聽感覺，使客戶能通過適當(dāng)裝置對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行交互式體驗(yàn)，其良好的交互性，提供了任意角度、速度的漫游方式，可以快速替換不同的生產(chǎn)場景；其形象的直觀性，為專業(yè)人士和非專業(yè)人士之間提供了溝通的渠道；其采用的數(shù)字化手段，其維護(hù)和更新變得非常容易。

三維工業(yè)仿真的主要功能包括“三維生產(chǎn)流程仿真”、“三維生產(chǎn)線與數(shù)據(jù)整合”、“故障實(shí)時(shí)告警”、“現(xiàn)場視頻監(jiān)控”、“2D生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)”。檢定系統(tǒng)和倉儲系統(tǒng)實(shí)時(shí)將檢定線信息，倉儲信息寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，三維仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的檢定線、倉儲信息運(yùn)行信息，進(jìn)行三維實(shí)時(shí)仿真再現(xiàn)。

3.2.2 數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

大屏監(jiān)控系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對采集的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。采用三維仿真手段，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫存儲的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)場景進(jìn)行實(shí)時(shí)再現(xiàn)，做到設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)可視化。同時(shí)對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取處理，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)在三維仿真場景整合，進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化的處理。為生產(chǎn)調(diào)度提供“透明工廠”的技術(shù)支撐。從而實(shí)現(xiàn)單三相檢定線、互感器檢定線、采集終端檢定線以及立體倉庫、人工庫房的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的3D仿真實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高頻采集技術(shù)

大屏監(jiān)控系統(tǒng)可以按采集任務(wù)設(shè)定的時(shí)間間隔自動采集四線一庫的數(shù)據(jù)，自動采集時(shí)間、內(nèi)容、對象可設(shè)置以保證數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的主動上報(bào)，在數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)通道的數(shù)據(jù)傳輸中，允許實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化級傳輸，系統(tǒng)快速對主動上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。

3.2.4 輔助調(diào)度決策技術(shù)

輔助調(diào)度決策技術(shù)利用面向精益化生產(chǎn)的混合柔性調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)檢定任務(wù)在多條并行檢定線上的負(fù)載均衡，確定多庫房與多檢定線的對應(yīng)關(guān)系，合理安排多任務(wù)的作業(yè)順序及作業(yè)路線，最大化的提升計(jì)量生產(chǎn)平臺調(diào)度的工作效率，做到總體性能的最優(yōu)化。

通過優(yōu)化整合檢定線、倉儲、配送資源，通過實(shí)時(shí)與各設(shè)備系統(tǒng)（如檢定線系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)、物流系統(tǒng)）之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)檢定作業(yè)任務(wù)、立庫的出入庫作業(yè)任務(wù)的調(diào)度，并依據(jù)作業(yè)需求和自動化設(shè)備工作能力，實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整并行作業(yè)的優(yōu)先級，達(dá)到作業(yè)順暢、高效運(yùn)行的目的。有利于提高公司計(jì)量生產(chǎn)調(diào)度整體技術(shù)水平，全面提升公司計(jì)量工作的社會公信力，樹立公司的良好社會形象。

3.2.5 視頻監(jiān)控聯(lián)動技術(shù)

一般視頻監(jiān)控就是對固定場景的監(jiān)控，通過人工調(diào)節(jié)監(jiān)控?cái)z像頭的轉(zhuǎn)動方向?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控場景的切換，這樣的監(jiān)控方式使得監(jiān)控場景的切換響應(yīng)時(shí)間比較慢，通過應(yīng)用視頻監(jiān)控聯(lián)動技術(shù)，對計(jì)量中心監(jiān)控場景進(jìn)行模塊化劃分并將對應(yīng)場景錄入數(shù)據(jù)庫，三維仿真場景、視頻監(jiān)控場景分別與之對應(yīng)，通過在三維仿真場景中的漫游，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控場景的聯(lián)動。

3.2.6 大屏綜合控制技術(shù)

大屏監(jiān)控系統(tǒng)通過采用無線觸摸屏、遙控筆、中控主機(jī)、信號切換矩陣等設(shè)備，在定制的多個(gè)展示畫面之間自由切換、實(shí)現(xiàn)二維場景、三維場景、畫中畫的多角度展示、大屏的開關(guān)機(jī)、監(jiān)控設(shè)備的啟停等多個(gè)操作。

3.2.7 模塊化界面處理技術(shù)技術(shù)

在大屏監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程中，采用模塊化的界面處理技術(shù)，每一幅畫面將由多個(gè)模塊化的分畫面組成，通過自由的拼接組合，以適應(yīng)不同的大屏尺寸，實(shí)現(xiàn)大屏監(jiān)控系統(tǒng)的可復(fù)制、可推廣的原則。

3.2.8 DLP無縫拼接技術(shù)

顯示單元是將圖像信號轉(zhuǎn)換成可視圖像的顯示裝置，是整個(gè)大屏幕系統(tǒng)成像的核心部分，通過采用DLP 顯示單元拼接處理技術(shù)，用光學(xué)原理在屏幕上進(jìn)行投影成像，單個(gè)投影單元的分辨為率為1 400×1 050。具有拼縫小，顯示清晰的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

大屏監(jiān)控系統(tǒng)可以直觀的實(shí)時(shí)展現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，供生產(chǎn)管理人員了解生產(chǎn)任務(wù)和實(shí)際生產(chǎn)情況，并實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)度管理，可以為生產(chǎn)調(diào)度提供“透明工廠”的技術(shù)支撐。系統(tǒng)將生產(chǎn)線現(xiàn)場實(shí)時(shí)場景狀態(tài)反映出來，做到設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)可視化。同時(shí)對實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取處理，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)在三維仿真整合，進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化的處理。

大屏監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋省級計(jì)量中心的大部分業(yè)務(wù)，貫穿計(jì)量設(shè)備全壽命周期管理的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)控、檢定任務(wù)調(diào)度、建設(shè)成果展示等內(nèi)容，為計(jì)量中心的自動化檢定、智能化倉儲、物流化配送提供堅(jiān)強(qiáng)的支持和保障。

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