劉帥 程振杰

(1.北方工業(yè)大學(xué),北京 100144;2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司,北京 100120)

0 引言

隨著工業(yè)信息化的發(fā)展,工廠在MES等信息管理系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施過程中普遍提出建立綜合信息顯示屏,對(duì)工廠的視頻信息、設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等多種不同信息來源進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控的需求。傳統(tǒng)的中控室、安防監(jiān)控室、運(yùn)營(yíng)駕駛艙一般信息來源渠道單一、展示密度低無法滿足多信息源的基本要求,在相關(guān)顯示屏領(lǐng)域的設(shè)備廠家提供的型號(hào)、規(guī)格多種多樣,設(shè)備間連接不規(guī)范,沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,技術(shù)路線不成熟,造成了顯示屏系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信號(hào)源的可接入性、標(biāo)準(zhǔn)性、可復(fù)制性等方面難以滿足工業(yè)信息化系統(tǒng)的要求。本文通過對(duì)綜合信息顯示屏系統(tǒng)所要達(dá)到的目的與技術(shù)手段的分析,結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)反思,提出服務(wù)于綜合信息顯示屏系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與集成方法。

1 系統(tǒng)需求、難點(diǎn)與方案

1.1 系統(tǒng)需求

信息管理系統(tǒng)服務(wù)于工廠企業(yè)的生產(chǎn)組織管理,需要指導(dǎo)各個(gè)車間與工段,協(xié)調(diào)各個(gè)車間與職能部門的工作[1]。由于信息管理系統(tǒng)覆蓋面廣(如:Lv.2層控制系統(tǒng),Lv.4層企業(yè)資源管理等)、內(nèi)涵多(如:人員、在制品、倉(cāng)儲(chǔ)、物流、質(zhì)量、能源、環(huán)境監(jiān)測(cè)等),導(dǎo)致其信息來源多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)服務(wù)對(duì)象廣泛[2]。來源主要體現(xiàn)在采集對(duì)象,如工位攝像頭、設(shè)備SCADA、報(bào)表工具、網(wǎng)管軟件等;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜主要體現(xiàn)在組織層級(jí),從企業(yè)綜合管理、會(huì)議辦公、車間內(nèi)部管理、生產(chǎn)區(qū)域、庫(kù)存與物流到廠區(qū)安保等;服務(wù)對(duì)象多樣,主要體現(xiàn)在崗位差異,從現(xiàn)場(chǎng)的操作人員、質(zhì)檢人員、物流人員到計(jì)劃員、質(zhì)量員、安全員、車間與職能部門管理人員等;不同的人員與部門對(duì)于信息的獲取有不同的需求,因此需要一個(gè)綜合信息顯示屏系統(tǒng)以滿足工廠的生產(chǎn)組織要求。

1.2 難點(diǎn)與方案

在實(shí)踐中,綜合信息顯示屏系統(tǒng)主要問題集中在信息源的整合與承載信息流轉(zhuǎn)的軟硬件系統(tǒng)搭建。在信息源整合問題上,我們提出將信息源B/S發(fā)布后再集中采集的方法。通過軟件開發(fā)與系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)非視頻監(jiān)控信息的B/S發(fā)布,對(duì)于不適應(yīng)B/S發(fā)布的采取屏幕捕捉與顯示器輸出等方式直接采集,通過信息WEB化方案+信息視頻化方案應(yīng)對(duì)信息源整合難點(diǎn)。綜合信息顯示屏系統(tǒng)的信息輸出主要有兩個(gè)途徑:指揮調(diào)度中心(中控室)、現(xiàn)場(chǎng)看板。而系統(tǒng)的信息源被整合為WEB型與視頻型兩類。我們提出將WEB化信息在中控室集中采集為核心,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)情況選擇看板模式的方法。當(dāng)存在視頻專網(wǎng)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)看板可以采用集中展示模式由中控室直接推送;當(dāng)項(xiàng)目中不存在視頻專網(wǎng)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)看板可以采用獨(dú)立展示模式由看板單元通過信息網(wǎng)絡(luò)輸出WEB化信息。

2 方案實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段

2.1 指揮調(diào)度中心實(shí)施技術(shù)手段

2.1.1 視頻流采集技術(shù)

視頻流采集技術(shù)為指揮調(diào)度中心提供信息視頻化展示基礎(chǔ)。由于信息管理系統(tǒng)所涉及的信息來源廣,而顯示模組只能識(shí)別視頻流數(shù)據(jù),需要在此環(huán)節(jié)將展示的信息全部轉(zhuǎn)化為視頻流。采集對(duì)象主要有:視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電腦顯卡輸出、電腦桌面捕獲、URL網(wǎng)址,四大類別。對(duì)應(yīng)的采集技術(shù)主要三種:HDMI/DVI制式視頻流輸入(編碼器)、TCP/IP協(xié)議下各標(biāo)準(zhǔn)視頻流輸入和URL向TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)視頻流轉(zhuǎn)化,三大技術(shù)。其中URL向TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)視頻流轉(zhuǎn)化是作為WEB化信息源集中采集的主要方式,次要方式是通過編碼器輸入。目前上述技術(shù)均有成熟解決方案與供應(yīng)商。

2.1.2 視頻流整合技術(shù)

視頻流采集技術(shù)將采集來的視頻流整合輸出,其主要由控制器與解碼器構(gòu)成。例如集中式視頻矩陣/平臺(tái)(典型產(chǎn)品為?？礏20視頻平臺(tái)),內(nèi)部有主板協(xié)調(diào)各個(gè)功能板工作,可同時(shí)完成編碼、解碼、控制。也存在基于TCP/IP協(xié)議的分布式整合系統(tǒng),通過分布式處理器完成視頻流編碼與解碼,通過控制電腦安裝的融合控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。中控室結(jié)構(gòu)示意圖1所示。

2.1.3 視頻流輸出與展示

目前視頻流輸出主要有DLP背投、LED大屏與LCD液晶拼接屏三大技術(shù)路線。其中DLP背投技術(shù)由于建設(shè)成本高、維護(hù)成本高[3],較少在工廠等價(jià)格敏感環(huán)境下使用。LED大屏的優(yōu)點(diǎn)為無拼縫、亮度高,其缺點(diǎn)為成本高、像素密度低。LCD液晶拼接屏的優(yōu)點(diǎn)為像素高、成本低,其缺點(diǎn)為長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后易出現(xiàn)屏幕間亮度顏色差異、有拼縫?？紤]到MES等信息管理系統(tǒng)的信息多特點(diǎn),主要使用LCD方案[4]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)看板實(shí)施技術(shù)手段

現(xiàn)場(chǎng)看板本身也有LCD與LED之分,若在工廠中對(duì)大范圍展示一般使用LED設(shè)備,若對(duì)相對(duì)較小范圍展示如辦公室、班組工位等則考慮LCD液晶屏設(shè)備。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)看板的系統(tǒng)組成,主要分為獨(dú)立模式與集控模式。模式的選擇極度依賴MES等信息管理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2.2.1 獨(dú)立展示模式

圖1 中控室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the control room structure

現(xiàn)場(chǎng)看板的獨(dú)立展示模式需要通過MES等信息管理系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡(luò)訪問所需信息并展示,有以下三種模式。第一種是通過液晶智能電視內(nèi)部安裝的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器直接訪問系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的WEB展示界面。第二種則使用工作站、PC機(jī)運(yùn)行客戶端程序,通過視頻線輸出到顯示系統(tǒng)上。第三種使用上位機(jī)程序輸出控制信號(hào),有下位機(jī)識(shí)別并輸出,往往用于LED屏幕上。

2.2.2 集控展示模式

現(xiàn)場(chǎng)看板的獨(dú)立展示模式建立在項(xiàng)目中存在獨(dú)立運(yùn)行的視頻網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用網(wǎng)絡(luò)視頻矩陣/分布式整合系統(tǒng)等方式,由集控系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)展示,可視為指揮調(diào)度中心系統(tǒng)的一種延伸。

3 案例分析

3.1 某沖壓成型生產(chǎn)企業(yè)的視頻展示方案

3.1.1 功能需求

該方案是杭州某工廠智能信息化項(xiàng)目的一部分,在項(xiàng)目中存在設(shè)備控制監(jiān)控網(wǎng)、信息管理系統(tǒng)網(wǎng)與視頻監(jiān)控網(wǎng)。對(duì)于展示系統(tǒng)的訴求是:將視頻信號(hào)、設(shè)備控制畫面與生產(chǎn)管理信息有機(jī)結(jié)合;在辦公區(qū)6個(gè)辦公室中展示與其職能相關(guān)的各類畫面;在兩個(gè)車間現(xiàn)場(chǎng)安裝LCD看板展示工作安排。

3.1.2 設(shè)備選型

監(jiān)控系統(tǒng)整體選擇海康方案,包含攝像頭、NVR視頻存儲(chǔ)設(shè)備、B20視頻平臺(tái)、8700管理平臺(tái)、LED拼接屏。中控室內(nèi)選購(gòu)一臺(tái)安裝多屏輸出顯卡的電腦,作為組態(tài)畫面與WEB化生產(chǎn)信息的集中采集設(shè)備(其中網(wǎng)頁(yè)5屏,組態(tài)5屏),通過DVI線連接B20編碼器。車間內(nèi)安裝LCD看板,LCD看板本身不具備解析WEB化信息的能力,需通過信息管理系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器接口推送展示數(shù)據(jù)。辦公室到中控室存在獨(dú)立專網(wǎng),辦公室看板采用集控展示模式通過B20的解碼器與網(wǎng)絡(luò)視頻矩陣輸出視頻流。項(xiàng)目設(shè)備拓?fù)涫疽鈭D2所示。

3.1.3 系統(tǒng)配置與綜合效果

系統(tǒng)配置與實(shí)際效果圖3所示,辦公室看板效果展示圖4所示。該方案基本滿足甲方需求但存在不足,以WEB發(fā)布最為明顯。

3.2 某化纖工廠的視頻展示方案

3.2.1 功能需求

該方案是浙江某工廠智能制造與物流管理系統(tǒng)中的一部分,在項(xiàng)目中存在控制數(shù)采網(wǎng)與信息管理系統(tǒng)網(wǎng),未來還需要擴(kuò)展到視頻監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)于展示系統(tǒng)的訴求是:將工業(yè)組態(tài)畫面與生產(chǎn)管理信息有機(jī)結(jié)合;在辦公室與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)展示相關(guān)的設(shè)備運(yùn)行與生產(chǎn)管理系統(tǒng)相關(guān)信息。

圖2 項(xiàng)目設(shè)備拓?fù)涫疽鈭DFig.2 Schematic diagram of project equipment topology

圖3 系統(tǒng)配置與實(shí)際效果Fig.3 System configuration and actual effect

3.2.2 設(shè)備選型

指揮調(diào)度中心拼接屏整體采用專業(yè)顯示屏廠家制造的LED拼接屏、分布式處理器與大屏幕拼接綜合管理系統(tǒng)方案。中控室內(nèi)購(gòu)買3臺(tái)CPU為R9 3900的電腦作為URL向TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)視頻流轉(zhuǎn)化程序(WEB化信息集中采集)與拼接綜合管理系統(tǒng)運(yùn)行電腦。項(xiàng)目中不存在視頻專網(wǎng),現(xiàn)場(chǎng)所有看板均采購(gòu)智能液晶電視采用獨(dú)立展示模式,在內(nèi)安裝網(wǎng)頁(yè)瀏覽器訪問WEB服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目設(shè)備拓?fù)涫疽鈭D5所示。

3.2.3 系統(tǒng)配置與綜合效果

大屏調(diào)試效果圖6所示,該方案基本滿足甲方需求。在運(yùn)行負(fù)載圖形渲染的報(bào)表頁(yè)面時(shí),CPU負(fù)載較高?，F(xiàn)場(chǎng)看板分散且配置過程繁瑣,系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性仍然需要提高。

4 效果展示建議與方案分析

4.1 效果展示建議

基于以上實(shí)施的案例分析,在項(xiàng)目展示規(guī)劃中,經(jīng)常遇到5(寬)*3(高)、5(寬)*4(高)等結(jié)構(gòu)的拼接屏。這類結(jié)構(gòu)往往只能滿足單一目的,從屏幕結(jié)構(gòu)上難以靈活使用。以5*4結(jié)構(gòu)舉例,正常情況下20個(gè)屏幕分別獨(dú)立使用。如果對(duì)屏幕2*2組合,則會(huì)出現(xiàn)4個(gè)2*2與1個(gè)1*4情況。如果20個(gè)屏幕集體展示1路輸出,則顯示長(zhǎng)寬比為16:9的視頻流時(shí)會(huì)產(chǎn)生畫面形變。因此在項(xiàng)目實(shí)踐中,在條件允許的情況下盡量在設(shè)計(jì)層面上考慮改善此類問題,靈活使用屏幕。

圖4 辦公室看板效果展示Fig.4 Display of office Kanban effect

圖5 項(xiàng)目設(shè)備拓?fù)涫疽鈭DFig.5 Schematic diagram of project equipment topology

4.2 案例技術(shù)分析

從以上案例可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)施方案離散性較大、沒有統(tǒng)一規(guī)范的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn),使用上存在較多的不確定性,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異對(duì)系統(tǒng)實(shí)施影響較大,推廣難度較大,同時(shí)還存在一些較深層次的問題。主要表現(xiàn)在如下三個(gè)方面。

4.2.1 技術(shù)發(fā)展HTML5與傳統(tǒng)組態(tài)技術(shù)的矛盾

目前WEB端技術(shù)正在全面HTML5化,其帶來的極大地可能性與良好的兼容性。但與其對(duì)應(yīng)的是目前行業(yè)內(nèi)組態(tài)WEB端發(fā)布出的畫面主要依賴activeX控件與對(duì)應(yīng)的IE瀏覽器,這種矛盾在近一段時(shí)間實(shí)施的信息管理項(xiàng)目中多次爆發(fā)。由于工廠管理系統(tǒng)從屬于工業(yè)軟件中管理類別,而組態(tài)軟件從屬于控制類別,兩者差異過大只能希望國(guó)內(nèi)組態(tài)廠商更新技術(shù)并使產(chǎn)品成熟。

4.2.2 系統(tǒng)集成度與操作便捷性問題

目前還沒有一個(gè)廠家的產(chǎn)品能夠完整的滿足全部需求,需要通過多種設(shè)備組合才能滿足綜合信息顯示屏系統(tǒng)的基本需求。由此引發(fā)了系統(tǒng)集成度問題與操作便捷性問題,造成對(duì)于特定功能的操作與維護(hù)的割裂。由于綜合信息顯示屏系統(tǒng)本身就受到多方面因素限制,在綜合信息顯示屏系統(tǒng)中只能從技術(shù)發(fā)展與設(shè)計(jì)優(yōu)化盡量降低這類問題造成的不良影響,提高人機(jī)效率。

4.2.3 系統(tǒng)規(guī)劃方面

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始階段,應(yīng)統(tǒng)籌考慮綜合信息顯示屏系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)看板集中控制的要求,控制程序需要兼顧拼接屏與看板的統(tǒng)一布局,URL向視頻流轉(zhuǎn)化程序高度集成等方向優(yōu)化,使工廠綜合信息顯示屏系統(tǒng)變成一個(gè)綜合展示的管理平臺(tái),這不僅需要設(shè)備與產(chǎn)品的支持,也需要項(xiàng)目立項(xiàng)與網(wǎng)絡(luò)改造時(shí)做好基礎(chǔ)性的準(zhǔn)備與配套工作。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合信息顯示屏系統(tǒng)是一個(gè)基于原有中控視頻顯示屏系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一個(gè)嶄新的系統(tǒng),需要綜合考慮信息來源的多樣性,滿足未來大數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及數(shù)據(jù)孿生等新興技術(shù)于一體的綜合展示的信息平臺(tái)的需求,具有很大的發(fā)展空間,希望信息管理系統(tǒng)供應(yīng)商、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)供應(yīng)商、視頻監(jiān)控系統(tǒng)供應(yīng)商以及拼接屏的廠商共同規(guī)劃,完美地實(shí)現(xiàn)企事業(yè)單位對(duì)于綜合信息顯示屏系統(tǒng)的需求。

圖6 大屏調(diào)試效果Fig.6 Large screen debugging effect