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湖北省自然科学基金申请书项目名称：数控加工远程监控中的可重构理论与技术研究申请者：承担单位:项目类别：重点项目□一般项目□申请日期：2003年1月湖北省自然科学基金管理办公室二000年制2一、简表研究项目名称数控加工远程监控中的可重构理论与技术研究涉及学科（专业）A名称机械制造自动化B名称数控技术C名称代码460.50代码460.5020代码主要应用行业（仅重点项目填写）123起止年月2004年1月至2005年12月申请金额3.00万元承担单位情况第一承担单位名称通信地址邮编430074单位性质A.高等院校○B.科研单位○C.其它○合作单位名称（仅重点项目填写）12承担项目组情况总人数高级中级初级博士后博士生硕士生项目负责人姓名出生年月1964．10专业技术职称副教授学术带头人是○否○学位博士○硕士○学士○电话E-mailcmyuan@mail.hust.edu.cn通信地址武汉市华中科技大学机械学院邮编430074其他主要成员情况姓名出生年月专业技术职务工作单位项目中的分工3研究内容和意义摘要研究与开发网络制造环境数字化设备可重构理论与技术。包括基于特征信息的加工过程三维图像的远程提取与重构理论与技术，可重构的虚拟数控远程操作面板生成技术，远程监控中可重构的多通讯协议与方式转换技术,可重构的远程监控与诊断数字化集成平台技术，建立数控加工设备可重构的远程监控与诊断集成平台和系统主题词1．主题词数量不多于三个；2。主题词之间空一格。数控设备远程监控可重构简表填写要求一、简表内容将输入计算机，必须认真填写，采用国家公布的标准简化汉字。简表中学科（专业）代码按GB/T13745-92“学科分类与代码”表填写。二、部分栏目填写要求：项目名称——应确切反映研究内容，最多不超过25个汉字（包括标点符号）。学科名称——申请项目所属的第二级或三级学科。申请金额——以万元为单位，用阿拉伯数字表示，注意小数点。起止年月——起始时间从申请的次年元月算起。项目组其他主要成员——指在项目组内对学术思想、技术路线的制定理论分析及对项目的完成起主要作用的人员。4二、立论依据1．研究项目的科学依据（包括科学意义和应用前景，国内外研究慨况、水平和发展趋势，学术思想，立论依据，特色或创新之处，主要参考文献目录和出处，可另附页）1.1项目的研究意义和应用前景随着信息技术和计算机网络技术的发展，尤其是网络技术的发展，使世界正经历着一场深刻的“网络化革命”，网络化与数字化是当今包括制造业在内的各行各业不可回避的发展总趋势。网络化、数字化进程的加快，使得制造业的市场、资源、技术和人员的竞争更具全球性，而产品制造的全过程（设计、生产、服务）也具有全球性的特征，即制造环境在发生着根本性的变化。制造活动的全球化，对制造活动中的各个环节也提出了新的要求，全球化要求企业内部、企业与设备供应商之间以及企业与客户之间协同工作、共享信息。由于产品复杂程度的不断增加，服务地域的扩大，加之用户对服务时间要求的越来越短，迫切需要新的服务手段和相应服务技术的支持。服务网络化、数字化配置以及制造设备的远程监控与诊断功能是解决这一问题的有效途径。二十一世纪的制造业将面临日趋严峻的挑战，必须具有适应全球市场竞争的快速响应能力,这就要求未来的制造企业的生产能力可以随市场的需求变化而调节，同时生产制造系统本身也可以随时更新,以适应新的生产工艺要求或满足更高的产品质量要求。因此，以经济效益为目标,由可重构机床、可重构控制器和相应的系统设计和诊断技术所组成的可重构生产系统(ReconfigurationManufacturingSystem-RMS),是面向21世纪的新型生产模式,它将同大规模生产、精良生产一样,对制造业产生重大的影响。本项课题正是顺应这一需要而提出的。本项研究紧密结合网络制造环境下开放式数字化制造设备，充分把握当今科学技术的最新发展，以计算机网络技术、可重构技术、图象处理技术、信息处理技术以及人工智能技术等为主要手段，在申请者前期研究工作的基础上，重点研究和解决数控设备远程监控中的可重构理论和方法(三维图像重构和用户界面重构等)，研究开发面向网络制造中的自动化设备远程智能监控、诊断技术与系统，建立基于网络环境的现代制造设备数字化可重构的智能监控与诊断维护平台，为制造企业、设备供应商、客户之间构架一个“无缝”连接的桥梁，以达到制造资源的共享，实现远程的快速技术支持与服务。本项目的研究成果不仅可用于制造企业自动化设备的监控与诊断服务，还可用于其它自动化设备的数字化技术支持与诊断维修服务等场合，因此，具有广阔的应用前景。随着我国加入WTO，制造业将面临市场全球化空前的竞争力，信息化与网络化是企业发展的必然趋势。我们只有迎头赶上，迅速研究开发出具有自主版权的基于网络的智能监控、诊断维护技术与系统，实现运用信息技术和网络技术改造和提升传统产业，以信息化带动工业化，才能尽快地实现我国设备制造业的跨越式发展。1.2国内外研究现状、水平及发展趋势21世纪是网络化、信息化和智能化的时代。基于网络的远程智能监控与诊断技术的研究早在20世纪90年代中期就引起了世界各大公司和学术机构的广泛重视，并纷纷投入大量的人力、物力着手研究开发。美国斯坦福大学和麻省理工学院合作开展“基于Internet的下一代远程诊断服务示范系统”的研究，该项工作得到了Boeing、Ford等10多家大公司的支持与合作，并很快建立了一个面向半导体制造设备的基于Internet的远程监控与诊断原型系统[2]。澳大利亚联邦科技与工业研究组织(CSIRO)将远程监控与诊断等纳入“智能制造系统计划——面向21世纪的全球制造”项目的重要研究内容之一[1]。为解决半导体芯片生产设备的技术服务与保障问题，Intel、Philip等13家半导体制造商组成的国际性协作组SEMATECH成立了E-Diagnostic项目组，计划在半导体芯片生产设备5中加入含设备运行状态信息采集、监控、诊断和调试功能的E-Diagnostics模块，实现设备制造厂家对产品的远程技术支持与服务。据AvantComNetworkInc.提供的资料，带E-Diagnostics模块的半导体芯片生产设备平均可缩短1-1.5小时的故障处理时间，减少损损10-15万美元[3,4]。为提高美国设备制造业在全球市场上的竞争力，美国NSF在UniversityofWisconsin-Milwaukee/UniversityofMichigan成立了智能设备维护服务技术中心(IMS)，其成员单位包括Intel,FordMotor,AppliedMaterials,Xerox,UnitedTechnologies等著名大公司，中心研究宗旨是开发基于Web的设备智能监控、诊断技术，包括e-monitoring、e-diagnostics、e-prognostics、self-maintenance，开发“零故障率”和“24-小时”在线技术服务的自动化产品和系统[5]。日本将制造设备远程监控、远程传感等技术列为其IMS计划的重要研究内容，并由日本东京大学与美国乔治华盛顿大学联合开展了加工系统远程操作技术的研究，成功地实现了机床异地加工工况信息集成和远程操作的原理性试验，被称为“从地球背面操作机床”[26]。韩国的Pohang理工大学于1996年就建成了基于Internet的异地设计系统、异地车间控制系统、异地监控系统以及服务于以上3个系统的通信媒介[27]。这4个系统的计算机集成满足了用户异地设计的需要，将生产命令送到位于PohangChargwon的工厂，从而通过虚拟制造预测远程制造的可行性，为实现制造敏捷性提供了有力支持。制造业中数控机床、数字化工艺装备等自动化装备也是高技术含量和高复杂度的产品，设备的监控与诊断技术一直是设备制造商争夺市场的关键因素之一。随着现代通信技术和IT业的发展，世界上一些著名的公司都相继推出了具有网络集成能力和一定智能化水平的制造设备和控制系统，通过网络可以实现对设备的远程监控服务。如Siemens、Fanuc、Mazak、OKUMA等公司推出的新型数控产品，都具有远程诊断接口，通过局域网或普通电话线等连接到Internet，就可以实现远程诊断服务功能[11,19]。西门子的远程诊断产品可以在个人电脑面前轻松地操纵远在车间里的机床设备，它可以实时地观看机床运行时的画面，并且能够象现场人员一样进行相应的交互式操作和控制(诸如编辑修改加工程序数据、监控各轴当前的状态、编辑修改PLC程序、进行文件传输等等)以及数控系统的诊断维护等。国内不少高校和研究机构也利用各自的条件和优势，对远程监控与诊断技术进行了卓有成效的研究开发工作[25]。如同济大学以上海大众汽车冲压生产线为研究对象，初步实现了一个面向制造企业的工业现场远程监控诊断系统；北京理工大学、南京航空航天大学等在开展基于Internet的FMS远程故障诊断的研究；清华大学、东南大学等进行了电厂远程监测系统的研究开发工作等等。华中科技大学结合攀登B项目“大型机电系统中若干动力学关键技术的研究”，开展了基于因特网的远程诊断技术研究，开发了一个基于因特网的设备故障远程诊断系统。同时，申请者也曾经在湖北省自然科学基金和高校博士点基金的资助下，完成了“制造企业基于广域网的设备远程诊断与维护技术”[25]的开发研究，通过多年的研究，在远程监控与诊断维护等单元技术方面取得了一定的成果和经验。目前，在加工设备远程监控方面的研究存在以下不足：①远程监控中的图像监视大多是基于CCD技术的视频监控，需要高速网络带宽的支持，成本高，而且效果不太理想。远程监控信息如一些离散或连续的状态信号可以方便地通过TCP/IP协议传输到远程诊断中心，而对于纯机械故障、生产环境等这些无法用数字信号描述的现场表征,目前一般通过现场的多媒体声像通信,如摄像画面、场景对话及文字描述等方式来监控加工现场的情况。即使是有宽带网络支持，由于TCP/IP网络协议不能总是预留一定的网络带宽给某些特定的应用，所以在Internet上实时连续地传输音视频信息就受到了限制,对于有一定质量要求的图像信息传输不能令人满意,更不用说为了实现逼真的、亲临现场的感觉而需要三维造型虚拟场景的数据传输了。②目前所实现的系统或原型大多针对特定的对象或实验模型，无论是从体系结构上还是功能上都缺乏开放性、可重构性和通用性。6因此，本项目提出的基于远程加工设备特征信息的三维场景图像重构和用户操作界面重构，建立基于网络环境的现代制造设备数字化可重构的智能监控与诊断平台，就显得具有十分重要的理论意义和工程应用价值了。3.学术思想、立论依据，特色或创新之处本项研究面向网络制造环境下开放式数字化制造设备，将设备监控诊断技术与计算机网络技术、可重构技术、图象处理技术、信息处理技术以及人工智能技术等相融合，在前期研究工作的基础上，重点研究和解决数控加工设备远程监控中的可重构理论和方法，研究开发面向网络制造环境的现代制造设备数字化可重构的智能监控与诊断维护平台与系统，其学术特色与创新之处体现在以下几个方面：⑴提出基于特征信息的数控加工过程三维图像的远程提取与重构理论与技术思想。利用计算机视觉技术提取真实数控加工现场三维图像的特征信息，通过网络远程传输这些特征信息，并利用计算机图形处理技术的图像抽象描述、特征建模、仿真、立体图形可视化等功能，重构实现数控加工的虚拟现场。这一学术思想充分体现了计算机视觉技术、网络通信技术、计算机图形处理技术、可重构技术和虚拟现实技术的有机结合。基于特征信息的三维图像远程传输的不是图像本身而是一些抽象的特征数据，在64K窄带网上即可顺利进行，而不像传统基于CCD的图像传输需要高速宽带网支持，因而具有更广泛的工程应用价值。⑵提出基于可重构的远程虚拟操作面板生成系统的思想。数控加工设备的远程监控功能必须提供一个远程的虚拟操作终端，借助于网络通讯，用户不但可以在远端实时地观看机床运行时的画面，并且能够象现场人员一样进行相应的交互式操作和控制、诊断维护服务等。由于数控设备的种类繁多，为