工业生产过程的控制和/或监测数据的同时数据可视化法的制作方法

本发明涉及来自对制造执行系统(mes)环境中的工业生产过程进行控制和/或监测的数据的数据可视化领域。

背景技术：

在当今的工业自动化领域中，为了提高竞争力，制造企业需要同时减少产品投放市场所需时间、提高过程可视性和生产灵活性、优化预报和调度、以及减少废料、库存水平和停机时间；且同时确保所有全球工厂的最佳的质量和生产效率。

因此，为了实现这些高要求目标，制造企业需要集成式it基础设施以帮助他们协调全球性规模的生产，并且，如果必要的话，实时地进行协调。制造执行系统(mes)控制和/或监测工业生产过程并且通常已知为整合有商业系统例如企业资源计划(erp)和生产控制系统的it层。

为了控制和/或监测处理中的生产过程，用户需要持续地了解工业生产过程的数据。这是通过mes中的数据可视化而得以最佳实现的。

西门子公司在其it产品系列中提供了范围广泛的mes产品。

如制造企业解决方案协会(国际mesa)定义的，mes系统是通过管理“从投放订单到制造中的点到产品配送成为制成品的点的生产过程”以及通过“经由双向沟通将关于生产活动的任务关键信息提供给整个组织和供应链中的其他人”来“驱动制造过程的有效执行的动态信息系统”。用于开发mes系统的国际标准通常称为isa-95ors95。

mes系统通常包括的功能为资源的分配和状态、派遣生产订单、数据收集/采集、质量管理、维修管理、性能分析、操作/细节调度、文档控制、劳动管理、流程管理和产品追踪。

因此，由软件供应商开发的mes系统的目标是为制造企业(客户)提供用于测量和控制生产活动的工具以便使制造厂提升盈利能力、提高生产力、提升质量和工艺性能。为了能够使用户——特别是工厂运营者或生产线负责人——在运行时的mes系统中执行一些有用的行为，例如监测来自生产过程的数值或控制工厂设备，需要可理解的且直观的数据可视化。

mes系统设有前端/客户gui应用程序，其能够被用户用于计划和控制生产过程的制造活动。mes的gui应用程序内的生产过程的充分可视化对于将来自不同来源的过程、质量和商业信息集合到一个统一的工厂生产状态的实时视图中起着关键作用。实际上，mes的gui应用程序向用户显示能够总体了解工厂活动的多个参数或场景的图形屏幕(mes屏幕)。

如今，最常通过诸如仅能示出两维数据的组合、有时为三维数据的组合的线形图、条形图、扇形图和散布图之类的二维图形或图表来对工业生产过程的数据进行可视化。有时叠加多个图表以揭示相关性，或将多个图表彼此相邻地结合到仪表板中以力图一次性展示整幅图片。更复杂类型的图表如二维和三维的气泡图、流图和网络图在一个图表中结合多达六维或七维的数据，但是常常被认为太过复杂。

另一种可视化技术使用隐喻作为仅仅与数据相联系的背景。通过这种方法，生产工厂实现了引人注目的链接有典型的关键生产指标(kpi)图表的现实虚拟化。

数据的曲面图的可视化较为常见，但仅仅是数据的纯数学性质的三维表示。

在所提及的常见的数据可视化技术中的过多的抽象表示的混合在视觉上使用户晕头转向，特别是在同时可视化来自多个维度的数据时。这样使得用户难以快速和充分地对kpi数值的变化进行反应。然而，用户通常只有有限的时间可用于做出决定。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供一种以可理解的及直观的方式使工业生产过程中的一维或多维数据可视化的方法，这种方法不会使用户晕头转向，从而允许充分控制和/或监测所述工业生产过程。

这一目的是根据本发明通过用于一维或多维数据的可视化的方法而实现的，所述数据来源于对在制造执行系统(mes)的环境下受到控制的工业生产过程进行控制和/或监测，所述可视化通过将所述数据映射至符号而形成虚拟现实景观，所述符号包括在符号库中，其中，为每个符号分配一个数据的值的范围或特定的数据值；所述符号是根据数据的值来选择的。

隐喻共享与它们所代表的字面含义相同的特性且因此是直观的。习语不共享与它们所涉及的字面含义相同的特性，因此要求用户首先有意识地学习它们的含义。为了使数据的信息能够通过允许用户使用其对事物的自然知识来进行解释、与所述数据交互并处理所述数据而变得更易于理解，在本发明的优选实施方式中，符号可以是隐喻和/或习语，每个隐喻和/或习语都代表数据的一个维度或多个维度。这还可以降低对深层次技术知识的需求并允许用户在更高的抽象价值层面上解释信息。

在本发明的有利的实施方式中，一维或多维数据可以被同时可视化。通过这种方法，能够一次呈现更多的信息内容。

为了在本发明的优选实施方式中进一步利用用户对事物的自然知识，符号可以是从包括下述各项的组中选出的：现实世界对象、自然现象、自然条件和声学现象。

在本发明的一个实施方式中，虚拟现实景观本身可以是用于经可视化的数据的符号。这为可视化多个维度开启了相当丰富的可能性，而不会使用户的大脑晕头转向。

为了在本发明的特定的实施方式中允许与数据可视化的传统方式相结合，可以在所述虚拟现实景观中设置一个或多个对象。

为了在本发明的优选实施方式中同时地对不同的数据段进行可视化，可对一个或多个独立的虚拟现实景观进行组合。

在本发明的总是允许将数据准确映射至虚拟现实景观的有利的实施方式中，所述可视化可以是动态的。

为了形成本发明的另一实施方式中的被改变成使得更多利用单个用户关于事物的自然知识的虚拟现实景观，数据和符号的映射可以是能够通过用户界面来改变的。

附图说明

以下参照下面的附图来对本发明的优选实施方式进行更加详细的描述，附图中：

图1示意性地示出了对工厂中的生产线的kpi进行可视化的山脊隐喻(metaphor)；

图2为具有附加的表面可视化面貌的图1的山脊隐喻；

图3为具有增加的逆隐喻的在图2中示出的山脊隐喻；

图4为在图3中示出的隐喻但是在较长时间段内且具有附加的表面可视化面貌的山脊隐喻；

图5示意性地示出了已在图4中示出的隐喻但是在图1至3的时间段内的表示增长的生产储备的山脊隐喻；以及

图6示意性地示出了火山隐喻。

具体实施方式

图1以三维方式示意性地示出下述山脊2隐喻的虚拟现实景观，该山脊2隐喻的虚拟现实景观示出了根据本发明优选实施方式的来自工厂生产线中的工业生产过程的kpi(关键性能指标)的多个维度的数据。所述生产线由制造执行系统(mes)控制。kpi是通过监测工业生产过程而获得的且还能够用作为用于对工业生产过程进行控制的输入信号。传统上通过仪表板而可视化的计算机程序和系统领域的报告过程、商业智能和商业过程也能够以虚拟现实景观的形式而得以可视化。

所述数据隐喻直接映射到呈产生山脊2的虚拟现实景观的地形形状隐喻的形式的符号上。这意味着可视化包括从数据的值翻译至并映射至相应符号的过程。数据是根据可以由用户改变的符号模型来转换的。符号是包含于符号库的现实世界事物并且是根据数据的值来选择的。符号被选择为使得它们是其所代表的一些数据维度或测度的象征并因此显著地简化了从数据源到人类头脑的信息传递。这是因为符号允许基于用户关于事物的自然认知来进行含义的快速传递。以此方式，在不需要专家知识来理解可视化表达的更抽象的水平上进行沟通。

符号是隐喻和/或习语，其每一个都代表数据的一个维度或多个维度。当符号与数据之间的映射是直接的、直观的和自然的时，符号为一种隐喻；而当不是时，符号为一种习语。隐喻和数据共享相同的特性，数据至习语的映射仅由于一致的用法而得以建立。在隐喻和习语之间存在巨大的灰色区域，在该区域中，对于一个用户来说映射是直观的，而对另一用户来说却不是。

对于大部分用户，山脊2的符号属于隐喻组。山脊2的高度4对生产量进行可视化，山脊2的基部宽度6对生产线产能进行可视化，山脊2的纵长轴线10对时间进行可视化，而山脊2的顶部的整平区8对报废量进行可视化。在时间t1处，突然出现的山脊2的第一陡峭面12a以及时间t1与t2之间的平台表示生产过程中迅速导致大量报废量的步骤。在时间t2处的第二陡峭面12b表示生产线产能的突然下降。以及，在时间t3处的第三陡峭面12c表示突然下降的生产量。

总而言之，四个维度的数据在图1的单个虚拟现实景观中以能够被人类头脑迅速理解的方式被同时示出和可视化。符号——高度4、基部宽度6和整平区8是直观的，因此当然是隐喻，因为它们直接将数量单位映射成长度单位，这些是传统的数据表示方式中用户所习惯的表示方式。用于诸如报废量、生产量和生产线产能之类的相同数据类型的一个单位的一致的等长度单位是直观的并且因此在某些情况下可以是优选的，例如当所有的单位量都具有可比较的数值大小时，但这并非强制性的。隐喻——时间也同样是直观的。为了走过沿着山脊的路程，徒步旅行者需要一定量的时间，假设所述徒步旅行者以恒定速度行进，所述一定量的时间能够直接转换为长度单位。

图2示出了图1的山脊2隐喻，该山脊2隐喻装饰有地形纹理表面可视化面貌。岩石14示出为位于陡峭区域中的具有较坚固的外观的陡峭面12a-d上。示出为深色阴影或者在彩图中用绿色示出的草地16在山脊2的较高高度水平处颜色更浓。通过没有深色阴影来表示或者在彩图中用黄色来表示的沙地18最常出现在山脊2的较低高度水平处以及平面上。地平线20被添加于背景中。这些表面可视化面貌和大部分其他表面可视化面貌与景观的形状相关联并且赋予该景观更自然的样貌。图2的表面可视化面貌并不独立地用作隐喻，而是帮助景观隐喻变得更加明显可见且因此更容易且更迅速地被人类头脑所理解，这在比较图1和图2时特别明显。原则上，表面可视化面貌还可以通过将它们映射至另外的数据维度而用作真实符号。

图3示出如图2中示出的具有位于山脊2基部处的河流22的山脊2隐喻。当生产线产能没有被完全利用时，河流22遍布山脊2的较低区域。因此生产线产能的逆相被映射至河流22淹没的宽度及其水量并且可视化为河流22淹没的宽度及其水量。由此，水量强调生产线的没有被利用的产能并起到逆喻的作用。

图4示出了已在图3中示出的隐喻但是在较长的时间段内的山脊2隐喻。在时间t4处，生产线产能以及生产量都突然增加，这是通过山脊2的增大的基部宽度6和高度4而可视化的。山脊2的表面的多个部分覆盖有积雪24。积雪24的量用作又一个附加的地形表面可视化面貌并且对应于其所在位置处的生产储备的量。当用颜色示出时，绿色草地16与白色积雪24之间的对比以更加明显的方式表达了生产储备的信息。

被映射于附加的数据维度上的类似的表面地形隐喻可以添加于山脊2隐喻的附加变量中。所有的表面地形隐喻都必须以合适的方式进行协调。

图5示意性示出了已于图4中示出的但是在隐喻图1至3的时间段内且添加有表示增长的生产储备的降雪26的天气条件隐喻的山脊2隐喻。山脊2表面上的积雪24的量仅表示存在生产储备以及生产储备的量，但并未表示生产储备正在增加还是减少。生产储备的趋势被映射至不同的天气条件。快速增长被可视化为随着不断增大而变得更大的降雪26，以中等速度增长的生产储备由降雨表示，缓慢增加甚至减少的生产储备由没有降雪26来表示。生产线的整体kpi由介于晴天与多云之间的天空渐变等级来表示。图5中的整体kpi具有提升的空间，这是通过多个伸展的云28来传达的。天气条件隐喻尤其非常适合向用户提供第一反馈，而不是用于传达准确数量。

图6示意性示出了本发明的优选实施方式中的火山30隐喻。所述火山30隐喻特别适于对来自与工厂中的生产线相关联的质量控制研究室的大量kpi进行可视化。将被执行的分析的数量示出为火山30的高度32，假设斜率为已知的，则火山30的高度32可以被转换至火山的坡面的长度34。火山30边缘的宽度36对要验证的分析的数量进行可视化，而火山30口的宽度38对已验证的分析的数量进行可视化。这些隐喻属于地形形状隐喻的类别。

地形表面隐喻和天气条件隐喻可以添加有与图1至图5的山脊2隐喻相容的语义。例如，火山30部分地覆盖有草地16并且在火山30的较高的高度水平处具有较坚固的外观，以迅速理解地形形状隐喻。火山30还可以部分地覆盖有积雪24，并且所述积雪24的量基于生产线的当前的分析和/验证储备。

接受/拒绝比可以被强调为火山口湖40、以及/或者在山坡底部处强调为水和岩浆的混合物42。火山口湖40的尺寸以及水和岩浆的混合物42的尺寸表示被接受的验证和被拒绝的验证的组合量。水以蓝色对被接受的验证的量进行可视化，岩浆以红色对被拒绝的验证的量进行可视化。所述接受/拒绝比还可以通过使用呈由火山30产生的喷发烟柱形式的烟来强调。所述喷发烟柱仅出现在接受/拒绝比的某一阈值下方，并且该比率变得越低则该喷发烟柱被放大越多。如果所述比率过低，则出现火山喷发的声音作为声音警告以警示用户。

映射有数据的符号隐喻和习语包括现实世界的对象。所述现实世界的对象为景观隐喻，如山脊2、河流22和火山30。不仅地形的三个维度、而且诸如可以以颜色示出的地形纹理和植被之类的附加特征都用作为映射有附加的数据维度的符号、或者用作为所示出的地形特征的强调。下述自然现象和自然条件也用作符号，所述自然现象和自然条件包括：晴朗的、多云的、有雾的、有风的、下雨的和/或下雪的天气条件；以及火山喷发和诸如作为警告信号的喷发声音或雷鸣之类的声学现象。通过所有的这些符号，用户能够体验甚至感觉到所述数据。

不同于图1至图5中的示出了隐喻在较长的时间段内的生产线的kpi的山脊2隐喻，图6的火山30隐喻是静止的并且仅仅可视化来自上面提到的质量控制研究室的当前的kpi值。这种可视化影像通过基于最新的基础数据集来对该可视化影像进行刷新而变成动态的。基于合适的时间进行刷新，例如在不需要在线了解时为每天进行刷新，当需要即时了解kpi值时为每小时或甚至每分钟进行刷新以获得近乎实时的可视化。可视化影像的刷新还可以是用户触发的。以此方式，火山30隐喻可以用于对所执行的分析的过程进行可视化。

形成图1至图6中所示出的三维虚拟地形的景观不用作为将数据以结构化逻辑方式定位于其上的背景，而是每个虚拟现实景观本身都是用于数据的符号并且代表该数据。景观本身不必匹配数据涉及的现实环境，并且与数据的性质也没有紧密联系。举例说明，在生产厂与山脊2和/或火山30之间就没有明显关系。

除了数据至作为虚拟物理隐喻的映射之外，还存在大量的空间用以将一个或多个不同类型的对象设置到虚拟现实景观中，从而表示有关所映射数据的特定警报和/或重要的附加细节。所述对象可以是映射有数据的符号，还可以是用以在基础数据中向下钻取的入口。所述对象可以弹出诸如图表和图形之类的数据表示的传统方式，还可以弹出显示有关当前位置或关注的对象的细节的文本面板。以此方式，将虚拟现实可视化与数据可视化的传统方式结合在一起。

诸如岩石14之类的对象可以用作为图2至图6中的地形纹理隐喻，但是也可以是被添加于及分布于图1至图5的山脊2的水平平台上的与生产废料相对应的符号。作为替代符号，还可以将废料容器置于山脊2的对应位置上，例如平台。火山30隐喻的喷发烟柱为隐喻对象。存在其他的提供伴随数据的信息消息和附加的警报的隐喻对象，例如用于类型缺陷警报的火焰、用于类型维护警报的推土机、用于涉及原材料的警报的堆或袋、以及用于涉及生产线的包装部段的警报的纸板。所述用于涉及生产线的包装部段的警报的纸板是与生产线中的不同部段相对应的对象隐喻的一个示例。

在本发明的有利实施方式中，文本面板出现在图1至图5所示的山脊2隐喻中的时间t2处并带有文本“由于维护造成的产能降低”，以解释生产线产能的突然降低。所述面板可以是永久性地能够在景观中看见的，或者可以是动态设置的以使得该面板仅在其通过取景器而成为用户的关注点时才被示出。

当通过取景器而使对象被关注时，对该对象触发特定的动作是有用的。可以示出与数据位置或诸如警报消息之类的对象相关的附加的额外信息以及在该位置处的不同数据维度的值。另外，可以触发诸如打开对基础数据进行向下钻取的经典报告之类的外部应用程序。

为了改善虚拟现实景观的自然外观并使其因此在本发明的优选实施方式中更加直观，添加了小的随机的表面高度偏差以避免人造平坦表面。随机偏差的量必须足够小从而不妨碍对真实地形形状隐喻的解读。

在本发明的一个实施方式中，对每一个都代表一个数据段的一个或多个独立的现实景观进行组合并形成虚拟现实世界。图5中的山脊2的虚拟现实景观与图6中的火山30的虚拟现实景观的组合同时地借助于山脊2示出了在一个时间段内的生产线的kpi值且借助于火山30示出了在所述时间段内的时间t1处来自质量控制研究室的kpi值。通常，虚拟现实世界对源于多个生产线、多个部门或车间和/或多种类型的服务的多个数据段进行可视化。每一个数据段都包括如上所述的并被映射至虚拟现实景观上的一个或多个维度。

虚拟现实景观可以包括或不包括相同的隐喻模型，且虚拟现实景观可以彼此相邻地设置、或围绕中心点设置。围绕中心点设置的优点在于通过所有数据段的全景为用户提供了良好的第一总体概况以及中心出发点。对数据段的更具体的观察是通过从所述中心点简单地转动用户的摄像机而实现的。

为了进一步在虚拟现实景观内进行导航并探索该虚拟现实景观，通过用户界面使虚拟现实景观改变。用户界面使用标准的视频游戏导航技术。用户可以选择在表面上导航或进入飞行模式。摄像机位置可以是居中的或者动态的。

用户可以交互地改变基础数据集上的窗口以便通过用户界面重新形成虚拟现实景观。用户还可以改变数据和符号的映射，以及基础数据集的可视化窗口。就此而言的一个示例是：可视为滚动的山脊2的山脊2隐喻的时间维度的交互式改变。

特别是当组合多个虚拟现实景观时，除了可视化影像之外显示在例如屏幕角落处的迷你地图可以帮助用户不迷路。显示于可视化影像的中间的、与视频游戏中的瞄准器或摄像机的取景器相类似的取景器在存在有关所关注的位置或对象的更详细的可用信息时，可以包括视觉指示器。当感兴趣的点位于取景器内时，用户能够将其放大和缩小。这相比于导航成更接近所关注的位置而言可能更加有效。

附图标号列表

2山脊

4山脊的高度

6山脊的基部宽度

8山脊顶部的整平区

10山脊的纵长轴线

12山脊的陡峭面

14岩石

16草地

18沙地

20地平线

22河流

24积雪

26降雪

28云

30火山

32火山的高度

34火山坡面的长度

36火山边缘的宽度

38火山口的宽度

40火山口湖

42水和岩浆的混合物

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