張長海 方晴

［摘 要］在互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，數(shù)據(jù)是新的生產(chǎn)要素，是基礎(chǔ)性資源和戰(zhàn)略性資源，也是重要的生產(chǎn)力。本研究采用定性研究方法，通過對(duì)工業(yè)制造企業(yè)現(xiàn)有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源及需求進(jìn)行廣泛調(diào)查研究和分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建綠色智能制造可視化數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)來為工業(yè)制造企業(yè)提供跨域業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合和開放共享，挖掘數(shù)據(jù)資產(chǎn)增值功能與數(shù)據(jù)服務(wù)創(chuàng)新能力，解決工業(yè)制造企業(yè)所面臨的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)賦能等難題。本研究通過可視化數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，加速工業(yè)制造企業(yè)的業(yè)務(wù)賦能和創(chuàng)新，賦能更多的傳統(tǒng)制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

［關(guān)鍵詞］可視化；數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)；智能制造

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2023.23.024

［中圖分類號(hào)］F272 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1673-0194（2023）23-0078-04

1? ? ?研究背景

本研究來源于華南師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目——基于數(shù)字孿生的綠色智能工廠可視化數(shù)據(jù)服務(wù)中臺(tái)——“數(shù)據(jù)通”設(shè)計(jì)與推廣（以下簡稱省級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：202338015）資助。項(xiàng)目基于工業(yè)制造企業(yè)綠色智能工廠可視化數(shù)據(jù)服務(wù)中臺(tái)——“數(shù)據(jù)通”設(shè)計(jì)與研究，通過分析行業(yè)現(xiàn)狀和前景，為工業(yè)制造企業(yè)可視化數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)提供可行、落地的技術(shù)設(shè)計(jì)方案，為工業(yè)制造企業(yè)應(yīng)用實(shí)踐提供產(chǎn)品與服務(wù)支撐。在項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)上，基于工業(yè)制造企業(yè)現(xiàn)有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析來進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，以“數(shù)據(jù)+業(yè)務(wù)”雙中臺(tái)為核心，賦能工業(yè)制造企業(yè)線上業(yè)務(wù)發(fā)展，助力工業(yè)制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2? ? ?可視化數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

2.1? ?系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在上述研究分析基礎(chǔ)上提出可視化數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)解決方案。系統(tǒng)針對(duì)智能車間、智能運(yùn)營和智能服務(wù)三個(gè)方向，形成一體化方案架構(gòu)，在具體的體系中，底層通過自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)與控制接口與機(jī)器人、視像設(shè)備、傳感器、儀表儀器等進(jìn)行對(duì)接，基于數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫，與制造企業(yè)的各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)用戶層與業(yè)務(wù)邏輯接口轉(zhuǎn)換，最終通過各類管理終端進(jìn)行用戶界面展示的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

可視化數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)本身并不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫或大數(shù)據(jù)平臺(tái)中。從圖上看出，系統(tǒng)建設(shè)后，將形成數(shù)據(jù)閉環(huán)流轉(zhuǎn)，在流轉(zhuǎn)過程中數(shù)據(jù)內(nèi)容不斷豐富，質(zhì)量不斷提升，實(shí)現(xiàn)內(nèi)增值的目標(biāo)，同時(shí)不斷通過輸出數(shù)據(jù)為業(yè)務(wù)賦能，實(shí)現(xiàn)外增效的目的［1］。

2.2? ?系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

基于工業(yè)制造企業(yè)信息系統(tǒng)分析的可視化數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，在實(shí)際工作中，依托于視頻結(jié)構(gòu)化平臺(tái)采集接口提供的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心后，通過AI大數(shù)據(jù)算法、業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化標(biāo)簽、預(yù)警等功能供前端調(diào)用［2］。

將生產(chǎn)過程中的多種數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和展示，包括設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)線進(jìn)度數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)等，通過圖表、報(bào)表等形式進(jìn)行可視化展示和分析，幫助工業(yè)制造企業(yè)全面了解生產(chǎn)情況，快速發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施解決［3］。

預(yù)測(cè)性維護(hù)是通過對(duì)設(shè)備狀況實(shí)施周期性或持續(xù)監(jiān)測(cè)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法和模型來分析評(píng)估設(shè)備健康狀況的一種方法，以便預(yù)測(cè)下一次故障發(fā)生的時(shí)間以及應(yīng)當(dāng)進(jìn)行維護(hù)的具體時(shí)間。預(yù)測(cè)性維護(hù)是以設(shè)備/裝備的狀態(tài)作為依據(jù)的維護(hù)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是基礎(chǔ)，狀態(tài)預(yù)測(cè)是重點(diǎn)，維修決策得出最終的維修活動(dòng)要求。

2.3? ?系統(tǒng)部署架構(gòu)

可視化數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)采用分布式集群部署方法，利用容器集群實(shí)現(xiàn)快速一站式部署，擺脫安裝使用過程中的環(huán)境依賴，解決了系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的環(huán)境不兼容、環(huán)境版本沖突等問題。同時(shí)利用集群的可擴(kuò)展性、高可用性，動(dòng)態(tài)添加服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，以支撐項(xiàng)目的正常運(yùn)行。系統(tǒng)部署配置情況如表1所示。

2.4? ?關(guān)鍵技術(shù)亮點(diǎn)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.4.1? ?前端React技術(shù)

React是用于構(gòu)建用戶界面的JavaScript庫，于2011年首次用于Facebook的Newsfeed。React主要用于構(gòu)建UI?？梢栽赗eact里傳遞多種類型的參數(shù)，如聲明代碼，幫助開發(fā)者渲染出UI，也可以是靜態(tài)的HTML DOM元素，也可以傳遞動(dòng)態(tài)變量，甚至是可交互的應(yīng)用組件。

2.4.2? ?Kafka 消息隊(duì)列

Kafka是由Apache軟件基金會(huì)開發(fā)的一個(gè)開源流處理平臺(tái)，由Scala和Java編寫。

Kafka的主要特點(diǎn)：

（1）支持Hadoop并行數(shù)據(jù)加載。

（2）支持通過Kafka服務(wù)器和消費(fèi)機(jī)集群來分區(qū)消息

（3）持久性，即使數(shù)以TB的消息存儲(chǔ)也能夠保持長時(shí)間的穩(wěn)定性能。

（4）高吞吐量，即使是非常普通的硬件Kafka也可以支持每秒數(shù)百萬的消息。

2.4.3? ?AI大數(shù)據(jù)算法

Al算法是一種人工智能技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)程序模擬人類思維和行為的方法。以AI技術(shù)為支撐，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)，深度融合業(yè)務(wù)場(chǎng)景，賦能監(jiān)控視頻，通過智能分析、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，快速感知安全態(tài)勢(shì)、實(shí)時(shí)掌握服務(wù)規(guī)范。

可與安防攝像機(jī)、移動(dòng)布控球、智能安全帽、邊緣計(jì)算器融合應(yīng)用，軟硬件深度結(jié)合，監(jiān)測(cè)預(yù)警手段多重并舉、技術(shù)革新，形成“平臺(tái)+算法+終端”的整體化解決方案。

2.4.4? ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用經(jīng)典三層架構(gòu)，基于“高內(nèi)聚，低耦合”的思想，把各個(gè)功能模塊劃分為表示層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）和數(shù)據(jù)訪問層（DAL）。三層架構(gòu)體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)三層架構(gòu)體系結(jié)構(gòu)圖

表示層（UI）位于三層構(gòu)架的最上層。UI層調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層BLL相關(guān)接口完成業(yè)務(wù)操作。主要用于收集用戶的錄入信息；發(fā)送參數(shù)到業(yè)務(wù)層；得到從業(yè)務(wù)層處理后的結(jié)果；將處理結(jié)果顯示在用戶界面上。

業(yè)務(wù)邏輯層（BLL），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳遞，將界面表示層和數(shù)據(jù)訪問層連接起來，起到承上啟下的作用。根據(jù)事務(wù)處理規(guī)則和工作流程處理信息。該層的重要性在于大部分時(shí)間和精力在于編程設(shè)計(jì)，以使應(yīng)用軟件在性能和質(zhì)量上滿足要求。

數(shù)據(jù)訪問層（DAL），主要包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的維護(hù)，以及數(shù)據(jù)庫的代理服務(wù)等任務(wù)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟：

（1）數(shù)據(jù)采集，首先需要采集生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)線速度產(chǎn)量故障率等。這可以通過傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。

（2）數(shù)據(jù)處理，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如數(shù)據(jù)清洗、存儲(chǔ)、分析等，生成可視化的數(shù)據(jù)指標(biāo)。

（3）可視化呈現(xiàn)，將處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)呈現(xiàn)在大屏幕上，形成直觀、易懂的圖表、表格、儀表盤等。這可以使用各種商業(yè)化的數(shù)據(jù)可視化軟件來實(shí)現(xiàn)。

（4）分析與決策，通過對(duì)可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，管理者可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的瓶頸和問題，制訂相應(yīng)的調(diào)整和改進(jìn)方案，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

2.5? ?系統(tǒng)主要功能模塊應(yīng)用效果

2.5.1? ?數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理模塊

系統(tǒng)通過提供數(shù)據(jù)探索工具，建立數(shù)據(jù)標(biāo)簽體系，并構(gòu)建數(shù)據(jù)血緣與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度分析能力，支撐對(duì)所歸集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、多維、深度的分析，進(jìn)而滿足各類業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，推動(dòng)數(shù)據(jù)的開放創(chuàng)新應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的社會(huì)化應(yīng)用價(jià)值。

其中系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)標(biāo)簽管理功能，可對(duì)已導(dǎo)入的數(shù)據(jù)資產(chǎn)標(biāo)簽進(jìn)行增加、修改、刪除以及分類標(biāo)簽的導(dǎo)入導(dǎo)出，滿足數(shù)據(jù)資產(chǎn)業(yè)務(wù)屬性隨業(yè)務(wù)發(fā)生變化時(shí)數(shù)據(jù)資產(chǎn)標(biāo)簽?zāi)軌蜢`活變化。

其中資產(chǎn)地圖功能模塊以資產(chǎn)地圖形式展示制造企業(yè)現(xiàn)有的資產(chǎn)信息，方便系統(tǒng)用戶快速查找到需要的資源信息；支持按業(yè)務(wù)板塊、數(shù)據(jù)倉庫分層、業(yè)務(wù)主題庫進(jìn)行查找數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

其中臺(tái)賬管理功能模塊，主要是搭建臺(tái)賬管理功能，通過臺(tái)賬頁面可以處理數(shù)據(jù)工單、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)加工的流程、質(zhì)量的規(guī)則、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)服務(wù)，以及各類的數(shù)量趨勢(shì)。

2.5.2? ?數(shù)據(jù)共享服務(wù)模塊

其功能是對(duì)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享交換及跨域數(shù)據(jù)分析，消除數(shù)據(jù)孤島、提升工作效率；對(duì)其他各子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)主數(shù)據(jù)共享、對(duì)外可實(shí)現(xiàn)與監(jiān)管機(jī)構(gòu)、工業(yè)制造企業(yè)客戶數(shù)據(jù)管控與開放。其功能模塊包括數(shù)據(jù)服務(wù)審批、數(shù)據(jù)資源目錄編排、系統(tǒng)注冊(cè)、數(shù)據(jù)服務(wù)目錄等模塊來解決工業(yè)制造企業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)管理的問題，提供對(duì)數(shù)據(jù)共享服務(wù)的統(tǒng)一管理，包括工業(yè)制造企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)共享和外部數(shù)據(jù)流通，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)服務(wù)目錄、授權(quán)數(shù)據(jù)服務(wù)等手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享服務(wù)，有效完整的記錄數(shù)據(jù)服務(wù)信息，形成數(shù)據(jù)服務(wù)統(tǒng)計(jì)，展示數(shù)據(jù)服務(wù)的價(jià)值。

2.5.3? ?數(shù)據(jù)可視化管理模塊

建設(shè)數(shù)據(jù)可視化管理，通過拖拉拽可視化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)布局設(shè)計(jì)，支持多場(chǎng)景模板管理，預(yù)置地理分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、匯報(bào)展示等多種場(chǎng)景模板，它是數(shù)據(jù)的載體，數(shù)據(jù)可視化的工具。系統(tǒng)支持除針對(duì)工業(yè)制造企業(yè)業(yè)務(wù)展示優(yōu)化過的常規(guī)圖表外，還能夠繪制包括海量數(shù)據(jù)的地理軌跡、熱力分布、地域區(qū)塊、3D 地圖、3D 地球，地理數(shù)據(jù)的多層疊加。此外還有拓?fù)潢P(guān)系、樹圖等異形圖表可以自由搭配。系統(tǒng)支持多數(shù)據(jù)源接入如分析型數(shù)據(jù)庫，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，本地CSV上傳和在線API等：可滿足各類大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算、監(jiān)控的需求，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)計(jì)算的能力。

3? ? ?研究展望

可視化的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)結(jié)合了AI大數(shù)據(jù)算法、數(shù)據(jù)庫、WebService 等技術(shù)開發(fā)的，其在理論和現(xiàn)實(shí)都有重要意義。通過測(cè)試表明，該系統(tǒng)完成整合已有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)于業(yè)務(wù)的問題，加速工業(yè)制造企業(yè)的業(yè)務(wù)賦能和創(chuàng)新。未來依托工業(yè)制造企業(yè)客戶終端群體共同打造系統(tǒng)應(yīng)用示范，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在工業(yè)制造企業(yè)的使用落地，推進(jìn)工業(yè)智能制造行業(yè)的生態(tài)合作，針對(duì)不同行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的成熟度，進(jìn)行不同的運(yùn)營和服務(wù)推廣［4］。

主要參考文獻(xiàn)

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