基于MES的三維車間可視化監控研究

卜濤 廖旭 金濤

摘要：基于MES，通過三維可視化軟件將生產數據結合車間三維模型直觀展現，建立實現智能制造前提之一的物理世界數字化雙胞胎（digital twin），使管理層能對生產過程信息及時掌握、為決策提供支持，并為數字世界對物理世界的管控打下基礎。

關鍵詞：MES;三維可視化;智能制造;數字化雙胞胎（digital twin）

一、引 言

隨著企業信息化建設逐步推進，如何有效利用生產過程中產生的大量數據，對有用數據進行有效挖掘、分析、可視化顯示以實現車間生產管理數字化、透明化，使各個生產過程之間的資源和信息科學配置，使管理層能對生產過程信息及時有效掌握，并為領導層提供及時有效決策支持，是信息化建設到一定程度必須要面臨和解決的問題。

實現智能制造首先需建立物理世界的數字化雙胞胎（digital twin），將虛擬照進現實，并實現虛擬對現實的管控。本文基于此思想，通過三維可視化技術，將我所裝調MES產生與收集的數據直觀展示給用戶，并期望最終能夠三維可視化與MES之間的雙向數據交互，控制現場生產。

二、研究思路

1 目的

通過該技術研究，必將對企業信息化建設和管理水平產生極大推動作用，具體體現在：

1）提高生產管理水平

2）提高信息化建設水平

3）提高生產監控水平

4）企業能力和形象展示平臺

2 三維可視化信息展示需求

本文以某生產線為對象，其具有物流已實現AGV自動配送、具有自動測試工作站等特征，基于我所MES功能進行展示內容分析。

車間三維模型：工位基本情況、車間實景、車間外部、AGV、自動測試工作站

工位可視化：工位運行情況，在崗人員、生產產品信息、人員負荷、已分派任務、異常信息、工位配置的工裝夾具、工位物料等

物料：庫房，庫房貨架及貨架存儲物品信息、物料所處位置查詢;物流，AGV運行情況、動畫形式展現

車間異常：超期報警、質量問題報警、問題反映、人員/工位異常

項目信息查詢：批次或訂單所處狀態，開完工情況、所處工位等

為滿足管理需求，除三維信息展示外，還需綜合態勢、運行指標等信息，統一集成至展示界面。

三、建設內容

1 系統架構

系統采用中心服務器+客戶端的架構，中心服務器是一臺性能強大的圖形工作站，實時獲取MES系統寫入數據庫中的數據并進行可視化處理，客戶端電腦通過局域網連接中心服務器獲取數據流進行顯示。多個客戶端可同時進行操作，互不影響。

系統通過接入MES系統數據在可視化仿真平臺、視景仿真引擎、交互式界面開發技術支持下以三維方式直觀形象呈現生產裝配過程和虛擬車間，展現生產車間狀況和主要信息，為管理者提供生產監控可視化平臺和輔助決策信息。

（1）界面和程序框架。

本系統采用以Microsoft WPF為基礎的程序界面，能夠為軟件提供良好的界面效果的用戶體驗。界面和程序框架主要是由WPF程序框架、軟件基礎運行參數等模塊組成。

（2）界面層

是軟件可視化表現層，主要由兩類功能模塊組成，一類是應用管理界面模塊，包括：任務配置管理界面模塊、界面布局管理;另外一類是三維可視化模塊，是本系統的重要組成部分，為仿真應用提供真實、絢麗的展現畫面。

（3）業務應用層

業務應用層主要包括：任務管理模塊、生產數據源接入、廠房車間三維模型仿真、生產裝配信息數據可視化、設備狀態可視化、生產異常報警/預警、質量問題報警數據等組成。

（4）引擎層

引擎層是基于視景仿真引擎、可視化仿真框架等技術的數據可視化開發平臺，可為各業務專業可視化應用系統提供完整的可視化系統構建、運行系統管理、運行支持。

（5）資源層

是車間可視化監控系統內部管理的各種數據資源，主要包括：車間及工裝、產品零部件的三維模型數據、從MES獲取到的各種生產狀態數據等。

2 系統功能

車間可視化監控系統采用三維虛擬現實技術呈現廠房、車間逼真三維場景，實現廠房建筑物三維模型和車間設備的展示，使管理人員能夠直觀、形象地查看廠內所有設備。系統與現有裝調MES系統交互聯動，實時工位運行狀態，實現仿真、真實、虛實結合的三維管理平臺，系統集實時數據處理與顯示、異常數據報警/預警、指揮與監控等多功能于一體，是直接面向各級領導及車間管理人員的決策支持系統，對豐富生產監控手段、改進生產運行方法、提高生產運行效率和保障生產運行安全等具有重要意義。

車間可視化監控系統界面規劃示意

本系統規劃的系統主界面如下：

規劃說明：

（1）界面中左側將顯示綜合生產指標態勢指標參數，如綜合態勢數據：任務態勢、訂單批次進度、人員在崗比例、人員負荷情況等;

（2）界面中右側顯示生產線績效綜合評價指標數據，如生產能力數據：產品評價交付周期、計劃達成率、準時交付率、單位成品時間、產品直通率等;

（3）中間部分顯示整個裝配生產線的鳥瞰三維模型，當有報警信息時，將在本界面進行報警提示;

（4）報警、預警、質量問題等，其內容細節將顯示在窗口下方，便于實時了解和指揮決策;

（5）用戶可選擇各個指標數據或中間三維車間畫面，進入細節展示，如選擇車間時，將全屏顯示整個車間的三維模型。

五、結論

基于MES的車間三維可視化監控是將不顯性、不直觀的生產過程數據、生產管理信息直觀、顯性展示至管理者面前，是信息化建設發展到一定階段必然要進行的工作，是智能制造實現的前提。本文通過對可視化需求分析、系統架構設計、系統功能設計以及未來展望的描述，為大家提供思路，期望引起大家關注，并一起研究解決其中的技術難點。

參考文獻：

[1]《MES技術在離散型制造企業應用的探討》，劉菊花，國防制造技術，2005年05期：55-58

[2]《制造執行系統（MES）的研究與開發》，陳中瑾，碩士學位論文，2009.2

[3]《MES系統及其在半導體制造中的應用》，繆海濱，電子與封裝，2005.10

（作者單位：中國電子科技集團公司第二十九研究所）