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摘要：基于MES，通过三维可视化软件将生产数据结合车间三维模型直观展现，建立实现智能制造前提之一的物理世界数字化双胞胎（digital twin），使管理层能对生产过程信息及时掌握、为决策提供支持，并为数字世界对物理世界的管控打下基础。
关键词：MES;三维可视化;智能制造;数字化双胞胎（digital twin）
一、引 言
随着企业信息化建设逐步推进，如何有效利用生产过程中产生的大量数据，对有用数据进行有效挖掘、分析、可视化显示以实现车间生产管理数字化、透明化，使各个生产过程之间的资源和信息科学配置，使管理层能对生产过程信息及时有效掌握，并为领导层提供及时有效决策支持，是信息化建设到一定程度必须要面临和解决的问题。
实现智能制造首先需建立物理世界的数字化双胞胎（digital twin），将虚拟照进现实，并实现虚拟对现实的管控。本文基于此思想，通过三维可视化技术，将我所装调MES产生与收集的数据直观展示给用户，并期望最终能够三维可视化与MES之间的双向数据交互，控制现场生产。
二、研究思路
1 目的
通过该技术研究，必将对企业信息化建设和管理水平产生极大推动作用，具体体现在：
1）提高生产管理水平
2）提高信息化建设水平
3）提高生产监控水平
4）企业能力和形象展示平台
2 三维可视化信息展示需求
本文以某生产线为对象，其具有物流已实现AGV自动配送、具有自动测试工作站等特征，基于我所MES功能进行展示内容分析。
车间三维模型：工位基本情况、车间实景、车间外部、AGV、自动测试工作站
工位可视化：工位运行情況，在岗人员、生产产品信息、人员负荷、已分派任务、异常信息、工位配置的工装夹具、工位物料等
物料：库房，库房货架及货架存储物品信息、物料所处位置查询;物流，AGV运行情况、动画形式展现
车间异常：超期报警、质量问题报警、问题反映、人员/工位异常
项目信息查询：批次或订单所处状态，开完工情况、所处工位等
为满足管理需求，除三维信息展示外，还需综合态势、运行指标等信息，统一集成至展示界面。
三、建设内容
1 系统架构
系统采用中心服务器+客户端的架构，中心服务器是一台性能强大的图形工作站，实时获取MES系统写入数据库中的数据并进行可视化处理，客户端电脑通过局域网连接中心服务器获取数据流进行显示。多个客户端可同时进行操作，互不影响。
系统通过接入MES系统数据在可视化仿真平台、视景仿真引擎、交互式界面开发技术支持下以三维方式直观形象呈现生产装配过程和虚拟车间，展现生产车间状况和主要信息，为管理者提供生产监控可视化平台和辅助决策信息。
（1）界面和程序框架。
本系统采用以Microsoft WPF为基础的程序界面，能够为软件提供良好的界面效果的用户体验。界面和程序框架主要是由WPF程序框架、软件基础运行参数等模块组成。
（2）界面层
是软件可视化表现层，主要由两类功能模块组成，一类是应用管理界面模块，包括：任务配置管理界面模块、界面布局管理;另外一类是三维可视化模块，是本系统的重要组成部分，为仿真应用提供真实、绚丽的展现画面。
（3）业务应用层
业务应用层主要包括：任务管理模块、生产数据源接入、厂房车间三维模型仿真、生产装配信息数据可视化、设备状态可视化、生产异常报警/预警、质量问题报警数据等组成。
（4）引擎层
引擎层是基于视景仿真引擎、可视化仿真框架等技术的数据可视化开发平台，可为各业务专业可视化应用系统提供完整的可视化系统构建、运行系统管理、运行支持。
（5）资源层
是车间可视化监控系统内部管理的各种数据资源，主要包括：车间及工装、产品零部件的三维模型数据、从MES获取到的各种生产状态数据等。
2 系统功能
车间可视化监控系统采用三维虚拟现实技术呈现厂房、车间逼真三维场景，实现厂房建筑物三维模型和车间设备的展示，使管理人员能够直观、形象地查看厂内所有设备。系统与现有装调MES系统交互联动，实时工位运行状态，实现仿真、真实、虚实结合的三维管理平台，系统集实时数据处理与显示、异常数据报警/预警、指挥与监控等多功能于一体，是直接面向各级领导及车间管理人员的决策支持系统，对丰富生产监控手段、改进生产运行方法、提高生产运行效率和保障生产运行安全等具有重要意义。
车间可视化监控系统界面规划示意
本系统规划的系统主界面如下：
规划说明：
（1）界面中左侧将显示综合生产指标态势指标参数，如综合态势数据：任务态势、订单批次进度、人员在岗比例、人员负荷情况等;
（2）界面中右侧显示生产线绩效综合评价指标数据，如生产能力数据：产品评价交付周期、计划达成率、准时交付率、单位成品时间、产品直通率等;
（3）中间部分显示整个装配生产线的鸟瞰三维模型，当有报警信息时，将在本界面进行报警提示;
（4）报警、预警、质量问题等，其内容细节将显示在窗口下方，便于实时了解和指挥决策;
（5）用户可选择各个指标数据或中间三维车间画面，进入细节展示，如选择车间时，将全屏显示整个车间的三维模型。
五、结论
基于MES的车间三维可视化监控是将不显性、不直观的生产过程数据、生产管理信息直观、显性展示至管理者面前，是信息化建设发展到一定阶段必然要进行的工作，是智能制造实现的前提。本文通过对可视化需求分析、系统架构设计、系统功能设计以及未来展望的描述，为大家提供思路，期望引起大家关注，并一起研究解决其中的技术难点。
参考文献：
[1]《MES技术在离散型制造企业应用的探讨》，刘菊花，国防制造技术，2005年05期：55-58
[2]《制造执行系统（MES）的研究与开发》，陈中瑾，硕士学位论文，2009.2
[3]《MES系统及其在半导体制造中的应用》，缪海滨，电子与封装，2005.10
（作者单位：中国电子科技集团公司第二十九研究所）
关键词：MES;三维可视化;智能制造;数字化双胞胎（digital twin）
一、引 言
随着企业信息化建设逐步推进，如何有效利用生产过程中产生的大量数据，对有用数据进行有效挖掘、分析、可视化显示以实现车间生产管理数字化、透明化，使各个生产过程之间的资源和信息科学配置，使管理层能对生产过程信息及时有效掌握，并为领导层提供及时有效决策支持，是信息化建设到一定程度必须要面临和解决的问题。
实现智能制造首先需建立物理世界的数字化双胞胎（digital twin），将虚拟照进现实，并实现虚拟对现实的管控。本文基于此思想，通过三维可视化技术，将我所装调MES产生与收集的数据直观展示给用户，并期望最终能够三维可视化与MES之间的双向数据交互，控制现场生产。
二、研究思路
1 目的
通过该技术研究，必将对企业信息化建设和管理水平产生极大推动作用，具体体现在：
1）提高生产管理水平
2）提高信息化建设水平
3）提高生产监控水平
4）企业能力和形象展示平台
2 三维可视化信息展示需求
本文以某生产线为对象，其具有物流已实现AGV自动配送、具有自动测试工作站等特征，基于我所MES功能进行展示内容分析。
车间三维模型：工位基本情况、车间实景、车间外部、AGV、自动测试工作站
工位可视化：工位运行情況，在岗人员、生产产品信息、人员负荷、已分派任务、异常信息、工位配置的工装夹具、工位物料等
物料：库房，库房货架及货架存储物品信息、物料所处位置查询;物流，AGV运行情况、动画形式展现
车间异常：超期报警、质量问题报警、问题反映、人员/工位异常
项目信息查询：批次或订单所处状态，开完工情况、所处工位等
为满足管理需求，除三维信息展示外，还需综合态势、运行指标等信息，统一集成至展示界面。
三、建设内容
1 系统架构
系统采用中心服务器+客户端的架构，中心服务器是一台性能强大的图形工作站，实时获取MES系统写入数据库中的数据并进行可视化处理，客户端电脑通过局域网连接中心服务器获取数据流进行显示。多个客户端可同时进行操作，互不影响。
系统通过接入MES系统数据在可视化仿真平台、视景仿真引擎、交互式界面开发技术支持下以三维方式直观形象呈现生产装配过程和虚拟车间，展现生产车间状况和主要信息，为管理者提供生产监控可视化平台和辅助决策信息。
（1）界面和程序框架。
本系统采用以Microsoft WPF为基础的程序界面，能够为软件提供良好的界面效果的用户体验。界面和程序框架主要是由WPF程序框架、软件基础运行参数等模块组成。
（2）界面层
是软件可视化表现层，主要由两类功能模块组成，一类是应用管理界面模块，包括：任务配置管理界面模块、界面布局管理;另外一类是三维可视化模块，是本系统的重要组成部分，为仿真应用提供真实、绚丽的展现画面。
（3）业务应用层
业务应用层主要包括：任务管理模块、生产数据源接入、厂房车间三维模型仿真、生产装配信息数据可视化、设备状态可视化、生产异常报警/预警、质量问题报警数据等组成。
（4）引擎层
引擎层是基于视景仿真引擎、可视化仿真框架等技术的数据可视化开发平台，可为各业务专业可视化应用系统提供完整的可视化系统构建、运行系统管理、运行支持。
（5）资源层
是车间可视化监控系统内部管理的各种数据资源，主要包括：车间及工装、产品零部件的三维模型数据、从MES获取到的各种生产状态数据等。
2 系统功能
车间可视化监控系统采用三维虚拟现实技术呈现厂房、车间逼真三维场景，实现厂房建筑物三维模型和车间设备的展示，使管理人员能够直观、形象地查看厂内所有设备。系统与现有装调MES系统交互联动，实时工位运行状态，实现仿真、真实、虚实结合的三维管理平台，系统集实时数据处理与显示、异常数据报警/预警、指挥与监控等多功能于一体，是直接面向各级领导及车间管理人员的决策支持系统，对丰富生产监控手段、改进生产运行方法、提高生产运行效率和保障生产运行安全等具有重要意义。
车间可视化监控系统界面规划示意
本系统规划的系统主界面如下：
规划说明：
（1）界面中左侧将显示综合生产指标态势指标参数，如综合态势数据：任务态势、订单批次进度、人员在岗比例、人员负荷情况等;
（2）界面中右侧显示生产线绩效综合评价指标数据，如生产能力数据：产品评价交付周期、计划达成率、准时交付率、单位成品时间、产品直通率等;
（3）中间部分显示整个装配生产线的鸟瞰三维模型，当有报警信息时，将在本界面进行报警提示;
（4）报警、预警、质量问题等，其内容细节将显示在窗口下方，便于实时了解和指挥决策;
（5）用户可选择各个指标数据或中间三维车间画面，进入细节展示，如选择车间时，将全屏显示整个车间的三维模型。
五、结论
基于MES的车间三维可视化监控是将不显性、不直观的生产过程数据、生产管理信息直观、显性展示至管理者面前，是信息化建设发展到一定阶段必然要进行的工作，是智能制造实现的前提。本文通过对可视化需求分析、系统架构设计、系统功能设计以及未来展望的描述，为大家提供思路，期望引起大家关注，并一起研究解决其中的技术难点。
参考文献：
[1]《MES技术在离散型制造企业应用的探讨》，刘菊花，国防制造技术，2005年05期：55-58
[2]《制造执行系统（MES）的研究与开发》，陈中瑾，硕士学位论文，2009.2
[3]《MES系统及其在半导体制造中的应用》，缪海滨，电子与封装，2005.10
（作者单位：中国电子科技集团公司第二十九研究所）