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数字化工厂中央控制室驾驶舱系统架构文档

backend 2025/5/14 19:32:26

数字化工厂中央控制室驾驶舱系统架构文档

1. 系统整体架构

本系统采用三层架构设计，包括前端、中端和后端三个主要部分，实现了完整的数据采集、处理、分析和可视化流程。

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|      前端层       |    |      中端层       |    |      后端层       |
| (数据可视化展示)  |<-->| (数据处理与算法)  |<-->| (数据源与模拟器)  |
+-------------------+    +-------------------+    +-------------------+^                       ^                        ^|                       |                        |v                       v                        v
+-------------------+    +-------------------+    +-------------------+
|   React前端界面   |    |    MongoDB数据库   |    |   设备数据模拟器  |
|   交互式大屏展示  |    |    算法计算模块    |    |   传感器数据采集  |
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1.1 系统层次结构说明

前端层（Frontend）

基于React框架构建的Web应用
使用Ant Design组件库实现现代化界面
采用ECharts和Canvas实现数据可视化
实时展示工厂运行状态和AGV调度情况

中端层（Middleware）

基于Python FastAPI构建的中端服务
使用MongoDB存储和分类处理后端数据
实现路径规划和任务调度等算法模块
提供API接口供前端访问数据和算法服务

后端层（Backend）

基于Python的后端服务
实现设备数据模拟和采集功能
提供基础API和WebSocket服务
负责原始数据的初步处理和存储

1.2 数据流向

+-------------+    +--------------+    +-------------+    +-------------+
| 设备数据源  |--->| 后端数据采集 |--->| 中端数据处理 |--->| 前端数据展示 |
+-------------+    +--------------+    +-------------+    +-------------+|                  ^v                  |+--------------+    +-------------+| 数据分类存储 |<-->| 算法计算模块 |+--------------+    +-------------+

2. 中端系统详细设计

2.1 目录结构

middleware/
├── api/                  # API接口
│   ├── data_api.py       # 数据访问API
│   └── algorithm_api.py  # 算法服务API
├── collector/            # 数据采集模块
│   └── data_collector.py # 数据采集器
├── database/             # 数据库模块
│   └── db_config.py      # MongoDB配置
├── algorithm/            # 算法模块
│   ├── path_planning/    # 路径规划算法
│   │   └── a_star.py     # A*算法实现
│   └── scheduling/       # 任务调度算法
│       └── task_scheduler.py # 任务调度器
├── run.py                # 中端启动脚本
└── requirements.txt      # 依赖管理

2.2 数据库设计

MongoDB数据库集合设计：

集合名称	说明	主要字段
machine_data	机床设备数据	device_id, status, production_rate, temperature
agv_data	AGV数据	device_id, position, status, battery_level
path_planning	路径规划数据	agv_id, path, timestamp
task_scheduling	任务调度数据	tasks, assignments, timestamp
stamping_data	冲压设备数据	device_id, status, production_count, pressure

2.3 算法模块设计

2.3.1 A*路径规划算法

功能：计算AGV从起点到终点的最优路径
特点：
- 支持障碍物避让
- 路径平滑处理
- 网格化地图表示
- 可配置启发式函数

2.3.2 任务调度算法

功能：为多个AGV分配多个任务
特点：
- 多维度成本函数（距离、电量、优先级）
- 基于优先级的任务排序
- 实时路径规划集成
- 电量感知调度策略

3. 接口规范

3.1 中端API接口

3.1.1 数据API接口

接口路径	方法	功能说明	参数
/api/collector/data/{data_type}	GET	获取最新数据	data_type: 数据类型
/api/collector/data/{data_type}/history	GET	获取历史数据	data_type, start_time, end_time
/api/collector/device/{device_type}/{device_id}	GET	获取设备数据	device_type, device_id
/api/collector/agv/positions	GET	获取所有AGV位置	无

3.1.2 算法API接口

接口路径	方法	功能说明	参数
/api/algorithm/path/plan	POST	规划路径	agv_id, start_point, end_point, obstacles
/api/algorithm/task/schedule	POST	调度任务	tasks, available_agvs
/api/algorithm/agv/{agv_id}/position	GET	获取AGV位置	agv_id
/api/algorithm/agv/{agv_id}/position	PUT	更新AGV位置	agv_id, position

3.2 前端组件与算法模块对接

3.2.1 FactoryMap组件

功能：展示工厂地图和AGV路径
对接方式：
- 使用WebSocket订阅agv_path事件获取实时路径
- 通过/api/collector/data/path_planning接口获取历史路径
- 使用Canvas渲染路径和设备位置

3.2.2 AGVMonitor组件

功能：监控AGV状态和路径跟踪
对接方式：
- 使用WebSocket订阅agv_status事件获取AGV状态
- 通过/api/algorithm/path/plan接口请求路径规划
- 使用requestAnimationFrame实现路径动画

4. 部署架构

+----------------------------------+
|           用户浏览器             |
+----------------------------------+^|v
+----------------------------------+
|          Nginx Web服务器         |
+----------------------------------+/        \/          \v            v
+------------+    +------------+
| 前端服务   |    | 中端API服务 |
| (React)    |    | (FastAPI)  |
+------------+    +------------+|v+------------+| MongoDB    || 数据库     |+------------+^|v+------------+| 后端服务   || (Python)   |+------------+^|v+------------+| 数据模拟器 |+------------+