物料自動化輸送系統實時可視化故障預警技術

齊雪良

（江西宏柏新材料股份有限公司，江西 樂平）

引言

物料自動化輸送系統是支持復雜生產、保障生產效率的基礎設備系統，該系統的主要作用是連接與轉換生產全部流程。隨著物料自動化輸送系統的復雜化、柔性化、智能化發展，傳統需要依靠大量人工定期巡檢的檢修維護方式逐漸滯后，無法充分滿足現代系統維護需求。因此，需要對該系統增加實時故障預警功能，用以保障生產的連續性和安全性，促進物料自動化輸送系統的智能化、現代化發展。基于此，本文主要內容是分析與研究物料自動化輸送系統實時可視化故障預警技術。

1 物料自動化輸送系統

物料自動化輸送系統是工業生產線中的重要內容，該系統的組成包含機器人、移載裝置、AGV/RGV系統以及軌道輸送系統等部分，借助物料自動化輸送系統能夠實現生產物料在各生產流程環節間的傳送。

現階段，伴隨工業科技水平的不斷提高與研發應用，各類新興科技，如人工智能、大數據、分布式存儲、物聯網以及區塊鏈等技術被廣泛應用于傳統物料自動化輸送系統研發升級中，使得物料自動化傳輸系統逐步面向智能化轉型[1]。

2 物料自動化輸送系統現存問題與實時可視化故障預警的需求分析

以典型數字化車間物料輸送系統為例分析物料自動化輸送系統的現存問題，其現存問題包含以下五點，其一是系統運行所產生的大量數據與有效信息之間不對等，即物料自動化輸送系統在日常運行過程中會產生大量數據，但無法及時有效的提取故障信息。其二是系統運行維護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，且系統檢修缺乏針對性。其三是系統中現有故障管理系統的功能更傾向于故障診斷，并不能真正實現有效的故障預警，即無法及時分析出系統運行可能存在的隱形故障。其四是故障無法實現可視化，現有的故障管理系統主要以平面的形式展示故障信息，無法提供復雜生產系統故障信息的可視化展示[2]。

3 基于實時可視化故障預警技術的物料自動化輸送系統總體設計

參照上述的問題與需求分析，現提出一種基于實時可視化故障預警技術的物料自動化輸送系統構建框架，如圖1 所示。

圖1 基于實時可視化故障預警技術的物料自動化輸送系統總體架構

該系統的總體架構設計共分為三層，分別為數據采集層、故障處理層（復雜事件處理層）以及應用與顯示層，各系統層的邏輯框架如圖2 所示。

圖2 各系統層邏輯框架

其中，數據采集層主要功能是完成實時的多源數據采集，該系統層需要布設多種不同類型的傳感器、智能設備元件以及數據采集終端等，通過智能化的底層設備搭建良好的物理基礎。同時，借助物聯網與大數據等技術完成對各類數據采集終端的數據獲取與整合分析，如完成對系統運行電壓、溫度、電流、電機轉速等數據獲取與整合分析，進而選用適宜的數據采集方式完成系統信息集成，并實現對物料自動化輸送系統運行狀態的全面感知。此外，對于感知數據的傳輸而言，需要以無線傳感網絡、Internet 以及ZigBee 等為載體完成服務器的數據上傳。若選用Internet 為數據傳輸載體，還可以根據實際上傳需求選擇網絡通信協議（TCP/IP，Transmission Control Protocol/Internet Protocol）中的用戶數據包協議（UDP，User Datagram Protocol）或者傳輸按制協議（TCP，Transmission Control Protocol）[3]。因物料自動化輸送系統需要完成對復雜事件的有效處理，且系統整體框架邏輯較為復雜，所以系統數據采集層需要感知的數據量較為龐大，可以選擇數據傳輸更為高效的UDP 協議。

4 系統實現的關鍵技術

4.1 復雜故障動態識別

如圖3 系統故障層次分析所示，若想實現系統故障預警便需要把故障信息按照故障等級進行細化，并且細化到零部件級。在此基礎上分別對故障預警中的原子事件與復雜事件進行定義，原子事件定義：設E是原子事件的有限集合，E= {e|n=1，2，...，n}；對于?e∈E；e 能夠表示成：e={id，attr，timestamp}，id是事件唯一的序列號；attr 是事件屬性集合；timestamp是事件e 的發生事件。復雜事件定義：設C 是復雜事件，C＝＜CE＿ID，E，Rules，Tbegin，Tend。CE＿ID 是復雜事件的序列號；E 為事件流的有限集合，E＝en{ ｜n=1，2，...，n}，其中，n≥1；Rules 為復雜事件檢測規則；Tbegin、Tend是復雜事件的開始與結束事件，T 為時間跨度，T=Tend-Tbegin。

圖3 系統故障層次分析

為了能夠實現對系統運行的異常實時監測和故障預警，使用了復雜時間處理技術（CEP，Complex Event Processing），通過利用該技術能夠將數據采集層上傳的數據看作不同類型的事件，深入分析各事件之間的關聯，而后搭建不同事件的關系序列庫，同時使用數據過濾、關聯以及聚合等技術手段使普通類型的事件成為高級事件，并根據模式匹配原則完成對事件中重要數據信息的分析以及跟蹤，進而提取到系統運行異常狀態信息，完成系統故障預警與故障檢測。其故障處理層的主要處理邏輯為：借助輸入適配器完成對采集數據的預處理指令，利用相關通信協議完成數據包解析與再次封裝，使數據能夠封裝為原子事件，然后使用CEP 引擎完成對原子事件的進一步處理，獲取到“感興趣”的復雜事件，并由輸出適配器完成數據格式的轉換，使其數據包能夠被應用與顯示層所識別與接收處理，其基于復雜事件處理的故障預警機制如圖4 所示。

圖4 基于復雜事件處理的故障預警機制

4.2 故障預警三位可視化交互實現方法

為有效實現系統故障可視化可以選擇使用綜合型游戲開發工具（Unity3D）搭建三維虛擬環境，其具體構建流程包含以下4 個流程：

第一，根據系統故障分析構建三維模型。參照對系統對象的故障分析，根據系統對象現有的層次架構，同時基于實際的系統故障可視化需求與要求，能夠明確相關建模的層次以及粒度，進而利用Unity3D搭建三維模型庫。

第二，創建三維虛擬場景，結合實際的系統應用場景，進一步合理布設三維模型庫，使三維虛擬場景能夠盡可能地符合實際場景，然后使用外部環境渲染進一步高度還原場景，并借助不同點位布置的攝像機實現各個視角查看三維虛擬場景內部狀況的目的。

第三，實現對故障信息對模型動態化特征按制。通過編寫相應的可視化腳本，實現對系統模型動態顯示故障特征。

第四，實現可視化故障預警。如圖5 可視化故障預警所示，在前三個流程搭建的基礎上，最終實現物料自動化輸送系統的實時可視化故障預警。

圖5 可視化故障預警

5 基于實時可視化故障預警技術的物料自動化輸送系統功能結構

基于模塊化設計理念對無聊自動化運輸系統功能結構進行設計，其中包括系統集成接口模塊、系統管理模塊、故障信息管理模塊、故障可視化模塊、三維虛擬系統模塊、數據處理模塊等。系統功能結構如圖6 所示。

圖6 系統功能結構

5.1 數據處理模塊

為動態化掌按物料在實際運輸過程中的狀態，則需要利用相應的數據結構，實現系統與底層設備之間的數據傳輸效果，從而達到實時、動態地采集無聊自動化運輸系統各個設備的運行狀態、數據信息以及物料數據等。而后將所收集的數據信息進行分析與整合，并依據事先設定好的事件描述格式將相應的數據信息封裝為事件，采用事件處理技術對封裝為事件的數據信息進行動態化處理，以此確保第一時間發現系統可能存在的故障或異常，為可視化故障預警系統的順利運行提供關鍵的數據支撐。

5.2 三維虛擬系統模塊

三維虛擬系統模塊的主要作用是，以物理空間維度對各類對象進行建模。利用先進的圖形、圖像采集與處理技術，對零部件故障、設備故障、子系統故障以及系統故障等多樣化故障進行分析與建模，按照故障預警可視化需求對模型的精細化程度、粒度等相關參數進行調整，從而形成系統對象的三維模型。另外，也可以在上述基礎之上，以物料自動化運輸系統的具體應用環境為背景，形成整個系統的虛擬化場景，為后續實現系統故障的可視化效果奠定基礎。

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，一方面是動態化接收數據處理模塊所回饋的故障信息，并對相關故障信息進行分析與整合，根據實際情況結合與故障位置、故障類型等相對應的三維模型；另一方面是故障可視化模塊中會提前寫入與各個三維模型相對應的腳本，腳本會驅動模型進行相應的可視化表現，如閃燈、高亮等，進而達到故障預警的可視化效果。

結束語

綜上所述，在新時代發展背景下，傳統的物料自動化輸送系統故障檢修維護方式已經無法充分滿足現代化系統運行維護要求與需求，深入探究基于實時可視化故障預警技術的物料自動化輸送系統設計，能夠有效提高系統運行檢修維護的效率，充分保障生產效率和安全性。此外，本文的研究成果目前已經在江蘇電力科學研究院計量中心的電表自動化檢定系統中應用，截至目前，系統運行效果良好，也再次驗證了該系統設計的合理性與技術可行性。經實踐應用表明該系統的研究應用能夠有效促進系統運行維護的智能化發展，對提高系統運行性能與效率、減少故障發生概率與損失等方面具有重要意義。