基于無線自組網的玻璃棉大數據智能制造管理平臺的探索

衡 剛，陳照峰，李曼娜

（南京航空航天大學材料科學與技術學院，南京 210016）

關鍵字：無線自組網；玻璃棉；大數據；沉浸式監控

0 前言

超細化玻璃棉具有極強的吸聲隔熱性能，是提高國產大飛機保溫隔熱性能的核心材料，對于促進國家科技工業和國家戰略水平的發展和提高具有重要意義［1］。

受產品需求及原材料供應的影響，當前國內的玻璃棉企業大多分布在相對偏遠的區域，普遍存在小而散、產品競爭力差、技術人員流動大、設備落后、工藝落后等不足，同時，由于玻璃棉的需求受氣候影響較大，迫切需要一個大數據智能制造管理平臺（圖1），以物聯網為核心技術的深入推進兩化融合，提出面向流程生產過程精益管控的網絡協同制造模式和開放式架構，突破數據跨域互聯、跨域服務共享、跨域流程管理等關鍵技術，開發一體化計劃、預測運行、跨層域優化控制并逐步催生出智能化遠程監控的“無人工廠”，盡可能依托物聯網智能化實現人力替代，對玻璃棉生產現場的關鍵部件及工藝參數進行監控，并根據大數據分析進行參數優化，合理分配各區域生產數量，提高產品精度，穩定產品質量，全面提升我國玻璃棉技術水平［2］。

圖1 大數據智能平臺輻射圖

所謂“無人工廠”是指制造過程由計算機進行操控，通過大數據及人工智能進行分析，生產第一線配有機器人進行自動化生產的工廠，人將通過互聯網遠程實現諸如技術創新、策略規劃、生產監督及協調維護等控制工作。以此實現：降低對人力依賴，提質增效、降低成本，提高企業的核心競爭力［3，4］。

1 玻璃棉的制備

1.1 玻璃棉的常見制備方法

玻璃棉的常見制備方法主要有4種：壓縮空氣垂直噴吹法、微旋風法、火焰噴吹法和離心噴吹法，其中火焰噴吹法和離心噴吹法是目前較為成熟且廣泛使用的方法［5］。垂直噴吹法制備的棉纖維直徑較大、長度短、棉氈撕裂強度非常低，已逐漸淘汰；微旋風法技術還處于實驗室研發和工程驗證階段，尚未得到普及；離心噴吹法容易實現檢測和自動化、工藝成熟穩定并且產量大，但是玻璃纖維平均直徑很難做到3μm以下，纖維結構排布較差，保溫隔聲性能很難提升；火焰噴吹法能夠生產纖維直徑在0.1μm 以下的玻璃纖維棉氈，保溫隔聲性能優異［6-9］。

1.2 火焰噴吹法制備玻璃棉

本系統主要針對火焰噴吹法，深度開發面向生產過程精準控制的大數據智能化制造管理平臺，徹底解決玻璃棉產品制造過程中數據傳遞阻塞、服務跨區屏蔽、流程管理滯后、設備監控落后、控制操作延遲、工序銜接不當等關鍵科學問題［10，11］。關鍵技術涉及物聯網、人工智能、大數據、無線自組網、5G/4G移動通信、VR等前沿技術，實現生產過程的自動化、智能化遠程控制，開發適用于精細化管控的玻璃棉產品數據、高端生產制造數據以及多維一體化管理數據等主題的玻璃棉大數據智能制造管理平臺。

圖2為火焰噴吹法制備玻璃棉生產線的關鍵位置和各類待監測參數分布示意圖，每個數據節點將各類監測數據匯總到整條產線的上位機處，再發送至大數據一體化服務平臺，以供后續信息處理與分析。以下根據產品從原料到成品的流轉順序及影響玻璃棉品質的各關鍵工藝節點對玻璃棉智能制造進行模塊化分析，主要的數據監控與控制的節點共分為9項，其中：

圖2 火焰噴吹法生產線示意圖

①為膠輥部分，可測量電機轉速；

②為爐頭部分，可測量火焰溫度、天然氣流量，空氣流量；

③為窯爐部分，可測量熔池溫度、天然氣流量，空氣流量；

④為噴膠裝置，可測量噴嘴流量和膠黏劑余量；

⑤為出棉口，可測量氣流速度和負壓風機負壓；

⑥為集棉室，可測量傳送帶運轉速度；

⑦為固化爐，可測量前、中、后溫度；

⑧為水平傳送帶，可測量運轉速度、產品面密度、棉氈厚度；

⑨為裁切包裝工位，可測量產品批次號。

1.3 玻璃棉大數據智能制造管理平臺

通過開發玻璃棉大數據智能制造管理平臺，在設備管理層面和制造過程管理中實現工業制造物聯網及智能化管理。

在設備管理層面，快速實現各設備的聯網通訊，自動采集數據并及時反饋現場狀態，通過多種方式自動計算設備綜合運行效率，提高生產設備的自動化水平以及綜合利用率，減少設備故障時間，降低設備使用成本［12］。

在制造過程管理中，實時接收生產任務，結合BOM（Bill of Material，物料清單）數據和工藝數據，通過技術工藝管理、產品管理、訂單管理、數據分析4部分內容完成制造過程管理，充分利用信息系統的遠程數據反饋能力與數據集中管理能力，對各種事件管理過程進行監控，實現生產過程的可控可追溯，通過實時監控生產過程和產品質量，實現信息的透明化，節省統計數據人工編制報表的時間，提高對問題的處理效率。

2 系統設計與實現

2.1 系統總體設計

通過建立大數據智能制造管理平臺（圖3），利用無線自組網技術完成立體化異構網絡的建設，搭配一體化全景攝像機，管理人員可在控制中心通過VR頭顯設備，實現沉浸式實時觀測，足不出戶的即可身臨其境般掌握各地玻璃棉產線的實時生產狀況，并實現遠程參數控制，提升產品質量的同時，最大限度地節省了人力物力。

圖3 大數據一體化智能管理平臺系統架構

2.2 主要模塊

2.2.1 基于無線自組網的立體化異構網絡

傳統的玻璃棉制造現場通過內部靜態的局域網實現自動化控制，需要依托于固定的基礎設施來完成網絡系統的搭建，需要提前布設光纖或以太網線路［3］。而傳統的通信方式一旦線路或者基礎設施出現故障，整個系統將無法正常運行。對于故障發生的具體位置和產生原因，需要逐步詳細排查方可得知，維護工作相當復雜困難。此外，傳統的通信方式進行后續拓展時，需要對基礎設施進行再次施工配套，工程量較大，成本較高。

本系統主要基于無線自組網構建形成高速率、低時延、廣覆蓋和抗損毀的智能網絡，在網絡信息交換上采用了分組交換機制，支持點對點和多點間的大容量文本、語音、視頻的高速傳輸，每個設備終端不限于移動或者靜止狀態。同時能夠在部分通信網絡遭到破壞后維持剩余的通信能力，具有很強的魯棒性和抗毀性［13，14］。

在玻璃棉生產現場采用無線自組網完成的立體化動態網絡搭建，可實現設備終端間的實時可靠通信、各類設備終端動態接入和網絡資源優化。在各個生產工序部署固定的無線自組網設備，實現數據采集及參數控制；采用移動機器人等可移動平臺，搭配無線自組網完成動態網絡的覆蓋，配合一體化全景攝像機，實現生產現場的沉浸式動中通監控（圖4）。

圖4 基于無線自組網的生產現場網絡

遠程通信方面，采用無線自組網結合蜂窩公眾移動通信（5G/4G網絡）、光纖通信、衛星通信等傳統的網絡通信方式協同通信，組成異構融合網絡，將數據傳輸至大數據一體化管理平臺，最大限度保證互聯互通（圖5）。

圖5 遠程傳輸網絡結構圖

2.2.2 沉浸式實時視頻監控

本系統攝像機采用一體化設計，將多目全景攝像機及高清云臺攝像機合二為一，擁有全視角和細節觀看的雙重能力，可以根據應用場景和使用需求，將攝像機快速安裝于三腳架或諸如機器人之類的可移動載體上，結合無線自組網支持高機動性組網的特點，使得整個監控系統動起來（圖6）。其中，多目全景攝像機將4個非圓周成像鏡頭采集的畫面進行本地實時拼接，在獲取光學鏡頭最佳成像區域的同時，實現360°×360°全方位的視角覆蓋；高清云臺攝像機支持20倍高清光學變焦，可通過云臺控制獲取遠距離細節場景；多目全景攝像機與高清云臺攝像機間實現一體化聯動，無縫融合，精準定位并獲取高清細節圖像，在重點監控場所可根據現場情況及安全防范的需要，在保證全景覆蓋的同時，還能夠對細節進行高變倍光學放大，將細節看得清清楚楚。

圖6 實時監控結構圖

管理人員可通過佩戴的VR頭顯設備，進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬現實環境中，與之產生互動，進行交流。通過管理人員與虛擬仿真環境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發參與者的思維，以全方位地獲取虛擬環境所蘊涵的各種空間信息和邏輯信息，讓管理人員有身臨其境的沉浸感，能夠親身地、全方位地感受生產現場發生的情況，進而更好地做判斷，更加精準地指揮處理［15］。

2.2.3 大數據一體化管理平臺

各個生產現場上位機整合的數據上傳至本系統，將玻璃棉制備參數形成一個數據庫，構建大數據空間，開發產品數據、制造數據、管理數據等主題的大數據一體化管理平臺。基于原料參數、工藝控制條件以及原產品物料狀態、產品性能到生產管理過程中的人員信息、能耗監控以及環境監測等系列數針對不同的玻璃棉產品，管理人員可隨時利用遠程控制軟件（圖7）或移動終端應用（圖8）通過互聯網連接大數據管理平臺，了解現場生產情況，系統可根據實際情況調用適當的生產工序，并遠程控制設備的工作參數，滿足不同的產品制備需求，在降低生產成本的同時提高玻璃棉的附加值，減少人力成本和管理成本，加快處理速度。

圖7 遠程控制軟件

圖8 移動終端應用

基于大數據存儲系統和分布式計算框架，對保溫材料基礎數據、玻璃棉專題數據、公共基礎數據等多來源、多形態的數據進行存儲和管理，利用最新的數據挖掘技術和數據可視化技術，充分揭示數據的規律性和價值性，結合專家支持平臺、數據共享平臺和信息發布平臺，為玻璃棉的精細化制造管理服務工作提供強大的信息支撐和技術支持，是玻璃棉智能制造平臺建設的核心組成部分（圖9）。

圖9 大數據一體化平臺

3 數據分析

數據分析功能是整個系統的大腦，通過大數據分析，對生產過程中的數據建立數據資源庫，為質量保證以及工藝優化提供技術支撐。

3.1 窯爐溫控實驗

窯爐溫度決定了玻璃的融化程度，而窯爐的溫度與天然氣及空氣的流量息息相關，提供穩定可控的氣體流量，進而精準地控制窯爐溫度對玻璃棉的品質至關重要，圖10是不同天然氣及空氣流量下的窯爐溫度［16-19］。

圖10 不同天然氣及空氣流量下的窯爐溫度

3.2 固化溫度對隔音性能的影響

固化溫度決定了膠粘劑的固化程度，固化溫度過低，固化不完全，纖維結構穩定性差不足以抵御高頻聲波震動，而固化溫度過高導致棉氈硬脆，同樣不利于棉氈的隔聲性能發揮。如圖11，通過數據采集與分析，120 ℃左右固化后棉氈仍處于濕氈狀態隔音量最大，但是棉氈不能成型。固化溫度升高，棉氈對3種頻率聲波的阻隔性能均呈現先增加后減小的規律，在180±5 ℃時棉氈的隔聲性能最好［20］。

圖11 不同固化溫度對玻璃棉隔音性能的影響

3.3 面密度對抗撕裂性能的影響

棉氈的膠含量不變時，棉氈密度增加意味著單位面積內承載拉力載荷的纖維數目增多，纖維之間纏繞互鎖程度更加復雜，棉氈破壞需要吸收更多的能量，棉氈強度增強［16］。

圖12 不同固化溫度對玻璃棉抗撕裂性能的影響

通過大數據分析，利用其高容量、存取速度快、實時性高、可智能感知和預測等特點，對玻璃棉生產過程中的工藝參數實現精準控制，在有效提升產品質量的同時，進一步優化流程和決策，實現資源的最大化利用，進而有效降低生產成本，縮短生產周期，提升人工效率，最大限度地節省了人力物力。

4 結語

通過建設玻璃棉物聯網大數據一體化智能管理平臺，結合大數據及人工智能技術，建立綜合聯網聯控信息資源庫和信息管理綜合應用系統，實現了傳統制造環境與遠程物聯網控制與數據采集的完美融合，形成以大數據一體化智能分析與服務為大腦，無線自組網為神經中樞，沉浸式實時視頻監控為眼睛，各前端傳感器為觸手的一體化的綜合信息應用體系，具備大數據智能分析、專家在線支持、數據發布與共享等多方面功能。