基于Unity3D和Redis的工業監控軟件的設計與應用

齊沖 路進軍

摘? 要：該文根據工業監控軟件的特點以及工控行業的現實需求，結合目前相關軟件技術的發展水平和趨勢，將虛擬現實技術融入工業監控領域中，設計了一種基于Unity3D和Redis的成本低、可靠性強、自由度高的新型工業組態軟件。該文詳細闡述了該軟件的設計思想、系統結構與技術原理，并利用該軟件在典型的自動化生產線中進行了實際應用，取得了預期的效果。

關鍵詞：工業監控? Unity3D? Redis

近年來，工業制造向精細化、智能化等高端方向的發展趨勢愈發明顯，這對企業生產自動化的管控能力以及各類過程信息的集成要求也越來越高。傳統的現場工業監控軟件由于其廣泛的適配性及實施成本的限制，對部分有特殊需求如三維可視化能力的生產場合的支持能力明顯不足。與此同時，隨著信息化技術的廣泛普及和各類自動化軟件工具的開源推廣，使得監控軟件的設計門檻正在下降，使得更多的行業專家基于本行業的實際特點自行設計適配性更高的工業監控軟件。尤其是當前，虛擬現實技術的快速發展以及廣泛應用給各行業的監控系統帶來了新的啟示與技術體驗，這也為工控自動化行業帶了新的發展動力。

該文基于上述的工業監控軟件的發展趨勢及背景，采用三維引擎Unity3d、REDIS開源內存數據庫、SQL server關系型數據庫以及亞控公司的King I/O server數據采集器，設計了一款能夠實現三維可視化監控畫面的工業實時監控軟件，并在某機械加工生產線上進線了實際的應用。

1? 系統結構設計

該文設計的監控軟件基于模塊化思想，靈活組合各功能組件，將數據采集與過程控制融為一體，構成用戶的應用軟件。從軟件工程的角度出發以及軟件開發工作的需要，該文將軟件開發分為圖形組態模塊、實時管理模塊、數據采集模塊、數據庫存儲與管理模塊。

在圖形化人機交互方面，該文主要利用Unity3D引擎的強大場景交互能力以及能與大部分相關應用程序協同工作的兼容性。Unity3D內置的物理引擎帶來能夠逼真的互動效果，具備完善的光影渲染系統[1]。在該文設計的軟件中，運行時的人機交互界面含場景漫游、設備運行監控、圖文報表（報警及數據標簽）的展示均在Unity3D引擎的支持下實現。

在實時性數據處理方面，工業車間的實時數據量往往巨大且存在各種類型，為了保證軟件具備與傳統實時數據庫相同的高效性和穩定性，平臺采用了Redis集群來處理實時數據。Redis是一個KEY-VALUE形式的緩存存儲系統，根據官方實驗數據，在操作系統Linux 2.6下，其50個并發進程執行100000個請求，讀的速度是110000次/s，寫的速度是81000次/s[2]。尤其是Redis的各類操作具備原子性、一致性的特點，符合工業實時數據庫的需求。

在歷史數據處理方面，該文考慮采用SQL server關系型數據庫來處理歷史數據。歷史數據對系統應用人員有極其重要的參考價值。它從實時數據庫中得到且與時間有關，反映了實體在某一特定時刻的狀態[3]。該文主要考慮SQL SERVER有易用性強的特點，特別是近年來在并發存儲與查詢方面的能力不斷增強，且與許多其他服務器軟件緊密關聯的集成性、良好的性價比以及更為完整的表結構[4]，在一定程度上比傳統的實時歷史庫更能滿足該文的需求，因此使用SQL SERVER來進行歷史數據的存儲和管理。

在數據采集方面，該文利用北京亞控科技公司的KingIOServer的工業通用IO數據通信平臺，其支持主流通訊協議及各類數據庫，尤其是其多語言的API接口為該文軟件的數據采集服務模塊的開發及應用提供了便利條件。

2? 關鍵技術

在工業監控軟件中，實時性及高可用性是軟件設計開發的重點考慮部分同時也是關鍵技術。在該軟件開發結構中，利用KingIOServer內部通信API的SDK，快速高效地與KingIOServer進行通信，同時把數據采集與Redis服務連接到一起，在內存中完成對數據的格式處理、操作、發送，從而保證數據的處理時效性。

Redis集群設計為6個節點、3個主節點、3個從節點，分布在3臺物理服務器，每臺服務器上1個主節點、1個從節點，將Redis的主節點與從節點相互錯開，若是有一臺服務器故障，Redis服務仍然有效。

3? 應用實例

為了檢驗對該文監控軟件的實際應用能力，該文結合行業內某機械加工生產線進行了基于該平臺的監控系統的設計。

該生產線屬于典型的離散型全自動機加生產線，雖然實現了全自動化，但信息該文設計的監控軟件，對原生產線的監控系統進行了改造設計。

通過3D場景建立、數據集成及人機交互與功能的設計，實現了利用現場的實時生產數據驅動三維模型，動態展現生產現場的設備狀態、工藝流程、技術參數，實現了生產線監控三維可視化，提高了人機交互的效率及準確性。

4? 結語

該文基于UNITY開發的工業實時監控軟件具備良好的三維可視化展示能力，其監控自由度高，人機交互體驗性好，功能適配性強，外部接口豐富，可以與廠區內其他信息系統進行交互關聯，實現信息的集中采集、集中分析與集中應用管理等，解決信息孤島問題，為生產現場提供了有效的管控手段，較市場上傳統的組態軟件而言，其可視化、信息化的能力都得到了顯著提高，具備良好的推廣價值。

參考文獻

[1] 倪樂波，戚鵬，遇麗娜，等.Unity3d產品虛擬展示技術的研究與應用[J].數字技術與應用，2010（9）：1.

[2] 邱書洋.Redis緩存技術研究及應用[D].鄭州大學，2015.

[3] 王琳，喻成，李昌一.實時數據庫的現狀與發展[J].河北理工學院學報，2003，25（4）：2.

[4] 郭珺.基于SQL Server的主動式數據轉儲技術研究[D].哈爾濱工程大學，2017.