衡 剛，陳照峰，李曼娜

（南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016）

關(guān)鍵字：無線自組網(wǎng)；玻璃棉；大數(shù)據(jù)；沉浸式監(jiān)控

0 前言

超細(xì)化玻璃棉具有極強(qiáng)的吸聲隔熱性能，是提高國產(chǎn)大飛機(jī)保溫隔熱性能的核心材料，對于促進(jìn)國家科技工業(yè)和國家戰(zhàn)略水平的發(fā)展和提高具有重要意義［1］。

受產(chǎn)品需求及原材料供應(yīng)的影響，當(dāng)前國內(nèi)的玻璃棉企業(yè)大多分布在相對偏遠(yuǎn)的區(qū)域，普遍存在小而散、產(chǎn)品競爭力差、技術(shù)人員流動大、設(shè)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(shù)據(jù)智能制造管理平臺（圖1），以物聯(lián)網(wǎng)為核心技術(shù)的深入推進(jìn)兩化融合，提出面向流程生產(chǎn)過程精益管控的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造模式和開放式架構(gòu)，突破數(shù)據(jù)跨域互聯(lián)、跨域服務(wù)共享、跨域流程管理等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)一體化計劃、預(yù)測運(yùn)行、跨層域優(yōu)化控制并逐步催生出智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控的“無人工廠”，盡可能依托物聯(lián)網(wǎng)智能化實(shí)現(xiàn)人力替代，對玻璃棉生產(chǎn)現(xiàn)場的關(guān)鍵部件及工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，合理分配各區(qū)域生產(chǎn)數(shù)量，提高產(chǎn)品精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，全面提升我國玻璃棉技術(shù)水平［2］。

圖1 大數(shù)據(jù)智能平臺輻射圖

所謂“無人工廠”是指制造過程由計算機(jī)進(jìn)行操控，通過大數(shù)據(jù)及人工智能進(jìn)行分析，生產(chǎn)第一線配有機(jī)器人進(jìn)行自動化生產(chǎn)的工廠，人將通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)諸如技術(shù)創(chuàng)新、策略規(guī)劃、生產(chǎn)監(jiān)督及協(xié)調(diào)維護(hù)等控制工作。以此實(shí)現(xiàn)：降低對人力依賴，提質(zhì)增效、降低成本，提高企業(yè)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(fēng)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(qiáng)度非常低，已逐漸淘汰；微旋風(fēng)法技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和工程驗(yàn)證階段，尚未得到普及；離心噴吹法容易實(shí)現(xiàn)檢測和自動化、工藝成熟穩(wěn)定并且產(chǎn)量大，但是玻璃纖維平均直徑很難做到3μm以下，纖維結(jié)構(gòu)排布較差，保溫隔聲性能很難提升；火焰噴吹法能夠生產(chǎn)纖維直徑在0.1μm 以下的玻璃纖維棉氈，保溫隔聲性能優(yōu)異［6-9］。

1.2 火焰噴吹法制備玻璃棉

本系統(tǒng)主要針對火焰噴吹法，深度開發(fā)面向生產(chǎn)過程精準(zhǔn)控制的大數(shù)據(jù)智能化制造管理平臺，徹底解決玻璃棉產(chǎn)品制造過程中數(shù)據(jù)傳遞阻塞、服務(wù)跨區(qū)屏蔽、流程管理滯后、設(shè)備監(jiān)控落后、控制操作延遲、工序銜接不當(dāng)?shù)汝P(guān)鍵科學(xué)問題［10，11］。關(guān)鍵技術(shù)涉及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、無線自組網(wǎng)、5G/4G移動通信、VR等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化遠(yuǎn)程控制，開發(fā)適用于精細(xì)化管控的玻璃棉產(chǎn)品數(shù)據(jù)、高端生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)以及多維一體化管理數(shù)據(jù)等主題的玻璃棉大數(shù)據(jù)智能制造管理平臺。

圖2為火焰噴吹法制備玻璃棉生產(chǎn)線的關(guān)鍵位置和各類待監(jiān)測參數(shù)分布示意圖，每個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總到整條產(chǎn)線的上位機(jī)處，再發(fā)送至大數(shù)據(jù)一體化服務(wù)平臺，以供后續(xù)信息處理與分析。以下根據(jù)產(chǎn)品從原料到成品的流轉(zhuǎn)順序及影響玻璃棉品質(zhì)的各關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)對玻璃棉智能制造進(jìn)行模塊化分析，主要的數(shù)據(jù)監(jiān)控與控制的節(jié)點(diǎn)共分為9項(xiàng)，其中：

圖2 火焰噴吹法生產(chǎn)線示意圖

①為膠輥部分，可測量電機(jī)轉(zhuǎn)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(fù)壓風(fēng)機(jī)負(fù)壓；

⑥為集棉室，可測量傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)速度、產(chǎn)品面密度、棉氈厚度；

⑨為裁切包裝工位，可測量產(chǎn)品批次號。

1.3 玻璃棉大數(shù)據(jù)智能制造管理平臺

通過開發(fā)玻璃棉大數(shù)據(jù)智能制造管理平臺，在設(shè)備管理層面和制造過程管理中實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造物聯(lián)網(wǎng)及智能化管理。

在設(shè)備管理層面，快速實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通訊，自動采集數(shù)據(jù)并及時反饋現(xiàn)場狀態(tài)，通過多種方式自動計算設(shè)備綜合運(yùn)行效率，提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平以及綜合利用率，減少設(shè)備故障時間，降低設(shè)備使用成本［12］。

在制造過程管理中，實(shí)時接收生產(chǎn)任務(wù)，結(jié)合BOM（Bill of Material，物料清單）數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)，通過技術(shù)工藝管理、產(chǎn)品管理、訂單管理、數(shù)據(jù)分析4部分內(nèi)容完成制造過程管理，充分利用信息系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)反饋能力與數(shù)據(jù)集中管理能力，對各種事件管理過程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可控可追溯，通過實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)信息的透明化，節(jié)省統(tǒng)計數(shù)據(jù)人工編制報表的時間，提高對問題的處理效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

通過建立大數(shù)據(jù)智能制造管理平臺（圖3），利用無線自組網(wǎng)技術(shù)完成立體化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，搭配一體化全景攝像機(jī)，管理人員可在控制中心通過VR頭顯設(shè)備，實(shí)現(xiàn)沉浸式實(shí)時觀測，足不出戶的即可身臨其境般掌握各地玻璃棉產(chǎn)線的實(shí)時生產(chǎn)狀況，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)控制，提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時，最大限度地節(jié)省了人力物力。

圖3 大數(shù)據(jù)一體化智能管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 主要模塊

2.2.1 基于無線自組網(wǎng)的立體化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的玻璃棉制造現(xiàn)場通過內(nèi)部靜態(tài)的局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動化控制，需要依托于固定的基礎(chǔ)設(shè)施來完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的搭建，需要提前布設(shè)光纖或以太網(wǎng)線路［3］。而傳統(tǒng)的通信方式一旦線路或者基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行。對于故障發(fā)生的具體位置和產(chǎn)生原因，需要逐步詳細(xì)排查方可得知，維護(hù)工作相當(dāng)復(fù)雜困難。此外，傳統(tǒng)的通信方式進(jìn)行后續(xù)拓展時，需要對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行再次施工配套，工程量較大，成本較高。

本系統(tǒng)主要基于無線自組網(wǎng)構(gòu)建形成高速率、低時延、廣覆蓋和抗損毀的智能網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)信息交換上采用了分組交換機(jī)制，支持點(diǎn)對點(diǎn)和多點(diǎn)間的大容量文本、語音、視頻的高速傳輸，每個設(shè)備終端不限于移動或者靜止?fàn)顟B(tài)。同時能夠在部分通信網(wǎng)絡(luò)遭到破壞后維持剩余的通信能力，具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性［13，14］。

在玻璃棉生產(chǎn)現(xiàn)場采用無線自組網(wǎng)完成的立體化動態(tài)網(wǎng)絡(luò)搭建，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備終端間的實(shí)時可靠通信、各類設(shè)備終端動態(tài)接入和網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化。在各個生產(chǎn)工序部署固定的無線自組網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及參數(shù)控制；采用移動機(jī)器人等可移動平臺，搭配無線自組網(wǎng)完成動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，配合一體化全景攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的沉浸式動中通監(jiān)控（圖4）。

圖4 基于無線自組網(wǎng)的生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)

遠(yuǎn)程通信方面，采用無線自組網(wǎng)結(jié)合蜂窩公眾移動通信（5G/4G網(wǎng)絡(luò)）、光纖通信、衛(wèi)星通信等傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信方式協(xié)同通信，組成異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸至大數(shù)據(jù)一體化管理平臺，最大限度保證互聯(lián)互通（圖5）。

圖5 遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 沉浸式實(shí)時視頻監(jiān)控

本系統(tǒng)攝像機(jī)采用一體化設(shè)計，將多目全景攝像機(jī)及高清云臺攝像機(jī)合二為一，擁有全視角和細(xì)節(jié)觀看的雙重能力，可以根據(jù)應(yīng)用場景和使用需求，將攝像機(jī)快速安裝于三腳架或諸如機(jī)器人之類的可移動載體上，結(jié)合無線自組網(wǎng)支持高機(jī)動性組網(wǎng)的特點(diǎn)，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)動起來（圖6）。其中，多目全景攝像機(jī)將4個非圓周成像鏡頭采集的畫面進(jìn)行本地實(shí)時拼接，在獲取光學(xué)鏡頭最佳成像區(qū)域的同時，實(shí)現(xiàn)360°×360°全方位的視角覆蓋；高清云臺攝像機(jī)支持20倍高清光學(xué)變焦，可通過云臺控制獲取遠(yuǎn)距離細(xì)節(jié)場景；多目全景攝像機(jī)與高清云臺攝像機(jī)間實(shí)現(xiàn)一體化聯(lián)動，無縫融合，精準(zhǔn)定位并獲取高清細(xì)節(jié)圖像，在重點(diǎn)監(jiān)控場所可根據(jù)現(xiàn)場情況及安全防范的需要，在保證全景覆蓋的同時，還能夠?qū)?xì)節(jié)進(jìn)行高變倍光學(xué)放大，將細(xì)節(jié)看得清清楚楚。

圖6 實(shí)時監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

管理人員可通過佩戴的VR頭顯設(shè)備，進(jìn)入一個由計算機(jī)生成的交互式三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動，進(jìn)行交流。通過管理人員與虛擬仿真環(huán)境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位地獲取虛擬環(huán)境所蘊(yùn)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(chǎn)現(xiàn)場發(fā)生的情況，進(jìn)而更好地做判斷，更加精準(zhǔn)地指揮處理［15］。

2.2.3 大數(shù)據(jù)一體化管理平臺

各個生產(chǎn)現(xiàn)場上位機(jī)整合的數(shù)據(jù)上傳至本系統(tǒng)，將玻璃棉制備參數(shù)形成一個數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建大數(shù)據(jù)空間，開發(fā)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等主題的大數(shù)據(jù)一體化管理平臺。基于原料參數(shù)、工藝控制條件以及原產(chǎn)品物料狀態(tài)、產(chǎn)品性能到生產(chǎn)管理過程中的人員信息、能耗監(jiān)控以及環(huán)境監(jiān)測等系列數(shù)針對不同的玻璃棉產(chǎn)品，管理人員可隨時利用遠(yuǎn)程控制軟件（圖7）或移動終端應(yīng)用（圖8）通過互聯(lián)網(wǎng)連接大數(shù)據(jù)管理平臺，了解現(xiàn)場生產(chǎn)情況，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)用適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工序，并遠(yuǎn)程控制設(shè)備的工作參數(shù)，滿足不同的產(chǎn)品制備需求，在降低生產(chǎn)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(yuǎn)程控制軟件

圖8 移動終端應(yīng)用

基于大數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和分布式計算框架，對保溫材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、玻璃棉專題數(shù)據(jù)、公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等多來源、多形態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，利用最新的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，充分揭示數(shù)據(jù)的規(guī)律性和價值性，結(jié)合專家支持平臺、數(shù)據(jù)共享平臺和信息發(fā)布平臺，為玻璃棉的精細(xì)化制造管理服務(wù)工作提供強(qiáng)大的信息支撐和技術(shù)支持，是玻璃棉智能制造平臺建設(shè)的核心組成部分（圖9）。

圖9 大數(shù)據(jù)一體化平臺

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析功能是整個系統(tǒng)的大腦，通過大數(shù)據(jù)分析，對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)資源庫，為質(zhì)量保證以及工藝優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

3.1 窯爐溫控實(shí)驗(yàn)

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(guān)，提供穩(wěn)定可控的氣體流量，進(jìn)而精準(zhǔn)地控制窯爐溫度對玻璃棉的品質(zhì)至關(guān)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差不足以抵御高頻聲波震動，而固化溫度過高導(dǎo)致棉氈硬脆，同樣不利于棉氈的隔聲性能發(fā)揮。如圖11，通過數(shù)據(jù)采集與分析，120 ℃左右固化后棉氈仍處于濕氈狀態(tài)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(xiàn)先增加后減小的規(guī)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(nèi)承載拉力載荷的纖維數(shù)目增多，纖維之間纏繞互鎖程度更加復(fù)雜，棉氈破壞需要吸收更多的能量，棉氈強(qiáng)度增強(qiáng)［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(shù)據(jù)分析，利用其高容量、存取速度快、實(shí)時性高、可智能感知和預(yù)測等特點(diǎn)，對玻璃棉生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，在有效提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時，進(jìn)一步優(yōu)化流程和決策，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用，進(jìn)而有效降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提升人工效率，最大限度地節(jié)省了人力物力。

4 結(jié)語

通過建設(shè)玻璃棉物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)一體化智能管理平臺，結(jié)合大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)，建立綜合聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控信息資源庫和信息管理綜合應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)制造環(huán)境與遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)控制與數(shù)據(jù)采集的完美融合，形成以大數(shù)據(jù)一體化智能分析與服務(wù)為大腦，無線自組網(wǎng)為神經(jīng)中樞，沉浸式實(shí)時視頻監(jiān)控為眼睛，各前端傳感器為觸手的一體化的綜合信息應(yīng)用體系，具備大數(shù)據(jù)智能分析、專家在線支持、數(shù)據(jù)發(fā)布與共享等多方面功能。