直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法

技术领域

本发明属于半导体行业直拉硅单晶生长技术领域，具体涉及一种直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法。

背景技术

硅单晶是制备集成电路芯片的主要原材料。高品质、低纳米制程、高良品率的硅单晶生产技术是决定一个国家集成电路产业水平的首要衡量指标，也是制约我国集成电路产业发展的首道障碍。硅单晶材料是生长设备和生产工艺完美结合的产物。但是，高端的硅单晶生产设备和生长工艺均被国外少数公司垄断，且不断制裁和打压我国民族集成电路工业的发展。我国硅材料生产依旧面临着生长设备价格昂贵、生长工艺难摸索、实验成本高昂、回报率低等显著问题。目前，市场上没有一套成熟的可视化工业仿真系统为硅单晶生产厂商解决上述问题并辅助生产。这也成为我国硅材料产业发展缓慢的一项客观因素。因此研发硅单晶生长过程虚拟可视化仿真系统对全产业界十分必要。工业仿真就是对实体工业的一种虚拟，是将实体工业中的各个模块转化并整合到一个虚拟的体系中。伴随着工业的发展，我国工业仿真软件也经历了长足的发展。传统的工业仿真软件如组态王、MCGS、WinCC、力控等，虽然提供了丰富的图形库和功能模块，可根据工业需求进行界面设计，但存在实时性和可拓展性差等缺点。随着工业物联网快速发展，基于Unity3D和WebGL等新生代3D虚拟仿真技术应运而生。它们具有更高的逼真度、更低的开发时间，更全面的数据和可视化结果，在数字化工业时代占据了不可撼动的地位。但现有一些基于WebGL开发的系统五花八门，缺乏统一规范；同时其主要面向地理信息建模、游戏等常见领域开发，缺乏针对特定领域内的系统开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法，解决了现有技术中存在的硅单晶生长实验、运维成本高、硅单晶生长工艺过程可视化程度低的问题。

本发明所采用的技术方案是，直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法，直拉硅单晶生长过程可视化系统由可视化层、业务层、数据层组成，可视化层包含系统二维浏览器界面设计和三维虚拟场景搭建，三维虚拟场景搭建分为硅单晶生长设备建模、模型渲染、虚拟场景初始化；数据层分为三部分：数据采集、数据分析、数据存储；业务层包括后台管理、数据交互、作业可视化、设备健康管理四个部分。

本发明的特点还在于，

三维虚拟场景搭建包括硅单晶生长相关设备建模和虚拟场景初始化，三维建模要求按照1:1的比例完成硅单晶生长设备、场景模型的构建。浏览器页面是该层级三维可视化功能模块渲染的载体，同时也是系统的集成页面，旨在以直观、实时的方式完成硅单晶生长虚拟仿真系统的功能展示。

构建虚拟场景的基础是进行设备三维建模，根据物理厂区的实际建筑结构1:1进行3D模型构建，实现真实性优和沉浸感强的虚拟场景，系统3D模型通过Blender绘制，对实际硅单晶生长环境进行全方位参考，首先对直拉硅单晶生长虚拟厂区进行三维建模，虚拟厂区分为上下两层，上层中央处镂空，再将生产所需的各种设备划分为核心设备和辅助设备，并对这些设备进行三维建模，核心设备即单晶炉，是用于制备硅单晶的主设备，单晶炉从顶部到底部依次为籽晶升降及旋转机构、副炉室、炉盖及隔离阀室、主炉室，主副炉室提升与支撑机构位于左侧与主副炉室相连接，其余作为单晶炉的辅助设备，包括交换机、除尘罐、控制台、电控柜、水凝器、真空泵，交换机通过管线与单晶炉底部左侧专用接口处，保证炉内达到符合工艺要求的真空度；真空泵与除尘罐连接后通过两条管道连接至单晶炉底部右侧专用管道处；水凝器通道多条输水管道连接至单晶炉底部三分之一接口处，控制台位于虚拟场景一层镂空区域左侧角，实现对系统的功能操控。

建模步骤如下：

步骤1、根据实际设备尺寸数据，新建设备几何体模型；

步骤2、渲染设备模型灯光，设置材质纹理贴图；

步骤3、将单晶炉各部分设备部件模型导出STL或者GLTF或者OBJ的3D格式文件，其中，籽晶升降及旋转机构、副炉室、主炉室导出OBJ格式文件；炉盖及隔离阀室导出STL文件；主副炉室提升与支撑机构导出GLTF格式文件。

设备模型构建好后，需要将模型按照实际物理机房的布局进行排列，采用场景树作为模型管理的方法，场景树包含根节点、枝节点和叶节点；

根节点为系统虚拟厂区，枝节点由厂区环境、资产设备和水电气三部分组成，枝节点上挂载各个叶节点，其中厂区环境包含地板、窗户、围墙；资产设备包含核心设备单晶炉和辅助设备；

设备三维模型构建好以后，使用Three.js三维引擎将不同3D格式的三维模型添加到Canvas画布上进行场景搭建，并将虚拟场景渲染至浏览器上，呈现机设备模型可视化界面。

业务层中后台管理模块为独立的模块，数据交互贯穿整个业务层，作业可视化作为数据显示和设备健康管理模块的载体，与数据交互和设备健康管理模块相融合，其中，后台管理模块部分包括用户管理和系统功能，用户管理分为普通用户和管理者，在显示用户信息的同时对用户进行系统功能的权限管理，普通用户仅可进行场景预览及包含缩放、平移、旋转在内的人机交互操作，管理者除以上权限外还可进行硅单晶生长模拟作业和工艺参数监控；数据交互模块分为数据读取和数据显示，读取和显示的数据均为直拉硅单晶生长各工艺流程中的实时工艺数据，作业可视化是业务层的核心部分，包括硅单晶生长阶段引晶、放肩、转肩、等径、收尾的工艺流程可视化、设备运行过程中实时数据的可视化及第一人称漫游操作；设备健康管理包含状态监控、故障报警、设备运维三部分，以视频流的形式对硅单晶生长厂区进行远程监控，及时发现水温、厂区温度和设备电压电流异常的故障并报警通知工作人员进行处理。

数据交互模块实现用户与三维场景的基础交互功能，通过配置OrbitControls实现场景缩放、旋转和移动功能，即通过改变场景中摄影机位置、方向以及控制不同角度的旋转，从而实现显示器中对场景不同区域的显示，场景漫游通过FirstPersonControls实现，通过键盘控制、ASDW键控制视角移动、方向键旋转。

状态监控模块对直拉硅单晶生长过程中的设备实时运行状态进行监控，分状态看板、视频监控、移动端三种方式。状态看板通过Echarts以图表的形式在虚拟场景中实时显示硅单晶生长过程的相关工艺参数即晶体直径、进/出水口冷却水温度、主加热器功率、晶转、晶升、氩气流量化料时间、放肩时间、稳定时间、收尾时间；视频监控部分引入FLV.js以直观的视频流形式对物理厂区进行监控，并将监控视频流集成至浏览器界面，移动端管理员在手机端登录ip，进行远程实时监控，监控设备运行状况和当前工艺流程及运行时间。

故障报警由页面弹窗和音频信息两种途径实现，页面弹窗根据实时工艺过程中的异常数据进行渲染，显示故障部位、故障数据以及故障类型，常见故障包括进输水管路漏水、厂区温度湿度异常、设备电压电流异常、氩气流量异常，从而提醒工作人员及时处理，用户进行报警查询后，根据实际情况选择是否进行三维场景提示，如需提示，以页面弹窗和音频播报完成；如不需要，则添加报警记录并存入数据库。

数据层的功能是管理和提供系统中的数据，为业务层和可视化层提供数据支持，并保证数据的安全和可靠性，数据层包括数据采集、数据分析和数据存储三个部分；

数据采集通过PLC连接硅单晶生长物理设备及各类传感器采集相关工艺数据，根据TCP/IP通讯协议以数据流的方式通过WinCC上传至云端服务器；

数据分析选用无监督的SOM人工神经网络算法，通过将上传至云端服务器的输入数据映射到低维的拓扑结构上，实现数据的可视化和聚类分析，系统选用关系型数据库MySQL存储和管理系统数据；

数据显示通过数据获取和前端页面渲染两步实现，数据获取通过Node-RED完成，在Node-red中部署UI Builder模块，设置访问数据库账号、密码、数据库名称在内的参数，即可访问数据库读取数据，将读取到的数据以Echarts方式渲染至前端系统UI集成界面，基于以上内容最后完成直拉硅单晶生长虚拟系统UI界面的集成。

本发明的有益效果是，直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法，对直拉硅单晶生长物理生产具有一定指导意义。系统对硅单晶生长过程进行实时状态监控，可以提高决策、避免出现重大故障或安全事故。设计实现的直拉硅单晶生长三维可视化系统可以模拟直拉硅单晶生长全工艺过程，有利于降低硅单晶生长实验成本，在优化生长工艺、提高晶体品质良率方面具有一定的指导意义。本发明设计的系统将WebGL技术应用于硅单晶生长领域，具有可视化程度高、交互能力强等特点。对于设计和开发复杂工业对象的数字仿真系统具有一定的推广和借鉴。

附图说明

图1为本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法的系统总体架构框图；

图2为本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法的硅单晶生长部分辅助设备三维模型图；

图3为本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法的系统基于场景树的三维厂区场景模型层次图；

图4为本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法的场景渲染效果框图；

图5为本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法的维系统功能模块图；

图6为本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法的直拉硅单晶生长工艺仿真实现流程图；

图7为本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法的系统报警流程图；

图8为本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法的系统数据交互框图；

图9为本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法的系统UI界面集成图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法，直拉硅单晶生长过程可视化系统由可视化层、业务层、数据层组成，可视化层包含系统二维浏览器界面设计和三维虚拟场景搭建，三维虚拟场景搭建分为硅单晶生长设备建模、模型渲染、虚拟场景初始化；数据层分为三部分：数据采集、数据分析、数据存储；业务层包括后台管理、数据交互、作业可视化、设备健康管理四个部分。

三维虚拟场景搭建包括硅单晶生长相关设备建模和虚拟场景初始化，三维建模要求按照1:1的比例完成硅单晶生长设备、场景模型的构建。浏览器页面是该层级三维可视化功能模块渲染的载体，同时也是系统的集成页面，旨在以直观、实时的方式完成硅单晶生长虚拟仿真系统的功能展示。

构建虚拟场景的基础是进行设备三维建模，根据物理厂区的实际建筑结构1:1进行3D模型构建，实现真实性优和沉浸感强的虚拟场景，系统3D模型通过Blender绘制，对实际硅单晶生长环境进行全方位参考，首先对直拉硅单晶生长虚拟厂区进行三维建模，虚拟厂区分为上下两层，上层中央处镂空，再将生产所需的各种设备划分为核心设备和辅助设备，并对这些设备进行三维建模，核心设备即单晶炉，是用于制备硅单晶的主设备，单晶炉从顶部到底部依次为籽晶升降及旋转机构、副炉室、炉盖及隔离阀室、主炉室，主副炉室提升与支撑机构位于左侧与主副炉室相连接，其余作为单晶炉的辅助设备，包括交换机、除尘罐、控制台、电控柜、水凝器、真空泵，交换机通过管线与单晶炉底部左侧专用接口处，保证炉内达到符合工艺要求的真空度；真空泵与除尘罐连接后通过两条管道连接至单晶炉底部右侧专用管道处；水凝器通道多条输水管道连接至单晶炉底部三分之一接口处，控制台位于虚拟场景一层镂空区域左侧角，实现对系统的功能操控。

建模步骤如下：

步骤1、根据实际设备尺寸数据，新建设备几何体模型；

步骤2、渲染设备模型灯光，设置材质纹理贴图；

步骤3、将单晶炉各部分设备部件模型导出STL或者GLTF或者OBJ的3D格式文件，其中，籽晶升降及旋转机构、副炉室、主炉室导出OBJ格式文件；炉盖及隔离阀室导出STL文件；主副炉室提升与支撑机构导出GLTF格式文件。

设备模型构建好后，需要将模型按照实际物理机房的布局进行排列，采用场景树作为模型管理的方法，场景树包含根节点、枝节点和叶节点；

根节点为系统虚拟厂区，枝节点由厂区环境、资产设备和水电气三部分组成，枝节点上挂载各个叶节点，其中厂区环境包含地板、窗户、围墙；资产设备包含核心设备单晶炉和辅助设备；

设备三维模型构建好以后，使用Three.js三维引擎将不同3D格式的三维模型添加到Canvas画布上进行场景搭建，并将虚拟场景渲染至浏览器上，呈现机设备模型可视化界面。

业务层中后台管理模块为独立的模块，数据交互贯穿整个业务层，作业可视化作为数据显示和设备健康管理模块的载体，与数据交互和设备健康管理模块相融合，其中，后台管理模块部分包括用户管理和系统功能，用户管理分为普通用户和管理者，在显示用户信息的同时对用户进行系统功能的权限管理，普通用户仅可进行场景预览及包含缩放、平移、旋转在内的人机交互操作，管理者除以上权限外还可进行硅单晶生长模拟作业和工艺参数监控；数据交互模块分为数据读取和数据显示，读取和显示的数据均为直拉硅单晶生长各工艺流程中的实时工艺数据，作业可视化是业务层的核心部分，包括硅单晶生长阶段引晶、放肩、转肩、等径、收尾的工艺流程可视化、设备运行过程中实时数据的可视化及第一人称漫游操作；设备健康管理包含状态监控、故障报警、设备运维三部分，以视频流的形式对硅单晶生长厂区进行远程监控，及时发现水温、厂区温度和设备电压电流异常的故障并报警通知工作人员进行处理。

数据交互模块实现用户与三维场景的基础交互功能，通过配置OrbitControls实现场景缩放、旋转和移动功能，即通过改变场景中摄影机位置、方向以及控制不同角度的旋转，从而实现显示器中对场景不同区域的显示，场景漫游通过FirstPersonControls实现，通过键盘控制、ASDW键控制视角移动、方向键旋转。

状态监控模块对直拉硅单晶生长过程中的设备实时运行状态进行监控，分状态看板、视频监控、移动端三种方式。状态看板通过Echarts以图表的形式在虚拟场景中实时显示硅单晶生长过程的相关工艺参数即晶体直径、进/出水口冷却水温度、主加热器功率、晶转、晶升、氩气流量化料时间、放肩时间、稳定时间、收尾时间；视频监控部分引入FLV.js以直观的视频流形式对物理厂区进行监控，并将监控视频流集成至浏览器界面，移动端管理员在手机端登录ip，进行远程实时监控，监控设备运行状况和当前工艺流程及运行时间。

故障报警由页面弹窗和音频信息两种途径实现，页面弹窗根据实时工艺过程中的异常数据进行渲染，显示故障部位、故障数据以及故障类型，常见故障包括进输水管路漏水、厂区温度湿度异常、设备电压电流异常、氩气流量异常，从而提醒工作人员及时处理，用户进行报警查询后，根据实际情况选择是否进行三维场景提示，如需提示，以页面弹窗和音频播报完成；如不需要，则添加报警记录并存入数据库。

数据层的功能是管理和提供系统中的数据，为业务层和可视化层提供数据支持，并保证数据的安全和可靠性，数据层包括数据采集、数据分析和数据存储三个部分；

数据采集通过PLC连接硅单晶生长物理设备及各类传感器采集相关工艺数据，根据TCP/IP通讯协议以数据流的方式通过WinCC上传至云端服务器；

数据分析选用无监督的SOM人工神经网络算法，通过将上传至云端服务器的输入数据映射到低维的拓扑结构上，实现数据的可视化和聚类分析，系统选用关系型数据库MySQL存储和管理系统数据；

数据显示通过数据获取和前端页面渲染两步实现，数据获取通过Node-RED完成，在Node-red中部署UI Builder模块，设置访问数据库账号、密码、数据库名称在内的参数，即可访问数据库读取数据，将读取到的数据以Echarts方式渲染至前端系统UI集成界面，基于以上内容最后完成直拉硅单晶生长虚拟系统UI界面的集成。

实施例1

直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法，直拉硅单晶生长过程可视化系统由可视化层、业务层、数据层组成，可视化层包含系统二维浏览器界面设计和三维虚拟场景搭建，三维虚拟场景搭建分为硅单晶生长设备建模、模型渲染、虚拟场景初始化；数据层分为三部分：数据采集、数据分析、数据存储；业务层包括后台管理、数据交互、作业可视化、设备健康管理四个部分。

三维虚拟场景搭建包括硅单晶生长相关设备建模和虚拟场景初始化，三维建模要求按照1:1的比例完成硅单晶生长设备、场景模型的构建。浏览器页面是该层级三维可视化功能模块渲染的载体，同时也是系统的集成页面，旨在以直观、实时的方式完成硅单晶生长虚拟仿真系统的功能展示。

构建虚拟场景的基础是进行设备三维建模，根据物理厂区的实际建筑结构1:1进行3D模型构建，实现真实性优和沉浸感强的虚拟场景，系统3D模型通过Blender绘制，对实际硅单晶生长环境进行全方位参考，首先对直拉硅单晶生长虚拟厂区进行三维建模，虚拟厂区分为上下两层，上层中央处镂空，再将生产所需的各种设备划分为核心设备和辅助设备，并对这些设备进行三维建模，核心设备即单晶炉，是用于制备硅单晶的主设备，单晶炉从顶部到底部依次为籽晶升降及旋转机构、副炉室、炉盖及隔离阀室、主炉室，主副炉室提升与支撑机构位于左侧与主副炉室相连接，其余作为单晶炉的辅助设备，包括交换机、除尘罐、控制台、电控柜、水凝器、真空泵，交换机通过管线与单晶炉底部左侧专用接口处，保证炉内达到符合工艺要求的真空度；真空泵与除尘罐连接后通过两条管道连接至单晶炉底部右侧专用管道处；水凝器通道多条输水管道连接至单晶炉底部三分之一接口处，控制台位于虚拟场景一层镂空区域左侧角，实现对系统的功能操控。

建模步骤如下：

步骤1、根据实际设备尺寸数据，新建设备几何体模型；

步骤2、渲染设备模型灯光，设置材质纹理贴图；

步骤3、将单晶炉各部分设备部件模型导出STL或者GLTF或者OBJ的3D格式文件，其中，籽晶升降及旋转机构、副炉室、主炉室导出OBJ格式文件；炉盖及隔离阀室导出STL文件；主副炉室提升与支撑机构导出GLTF格式文件。

数据交互模块实现用户与三维场景的基础交互功能，通过配置OrbitControls实现场景缩放、旋转和移动功能，即通过改变场景中摄影机位置、方向以及控制不同角度的旋转，从而实现显示器中对场景不同区域的显示，场景漫游通过FirstPersonControls实现，通过键盘控制、ASDW键控制视角移动、方向键旋转。

状态监控模块对直拉硅单晶生长过程中的设备实时运行状态进行监控，分状态看板、视频监控、移动端三种方式。状态看板通过Echarts以图表的形式在虚拟场景中实时显示硅单晶生长过程的相关工艺参数即晶体直径、进/出水口冷却水温度、主加热器功率、晶转、晶升、氩气流量化料时间、放肩时间、稳定时间、收尾时间；视频监控部分引入FLV.js以直观的视频流形式对物理厂区进行监控，并将监控视频流集成至浏览器界面，移动端管理员在手机端登录ip，进行远程实时监控，监控设备运行状况和当前工艺流程及运行时间。

故障报警由页面弹窗和音频信息两种途径实现，页面弹窗根据实时工艺过程中的异常数据进行渲染，显示故障部位、故障数据以及故障类型，常见故障包括进输水管路漏水、厂区温度湿度异常、设备电压电流异常、氩气流量异常，从而提醒工作人员及时处理，用户进行报警查询后，根据实际情况选择是否进行三维场景提示，如需提示，以页面弹窗和音频播报完成；如不需要，则添加报警记录并存入数据库。

数据层的功能是管理和提供系统中的数据，为业务层和可视化层提供数据支持，并保证数据的安全和可靠性，数据层包括数据采集、数据分析和数据存储三个部分；

数据采集通过PLC连接硅单晶生长物理设备及各类传感器采集相关工艺数据，根据TCP/IP通讯协议以数据流的方式通过WinCC上传至云端服务器；

数据分析选用无监督的SOM人工神经网络算法，通过将上传至云端服务器的输入数据映射到低维的拓扑结构上，实现数据的可视化和聚类分析，系统选用关系型数据库MySQL存储和管理系统数据；

数据显示通过数据获取和前端页面渲染两步实现，数据获取通过Node-RED完成，在Node-red中部署UI Builder模块，设置访问数据库账号、密码、数据库名称在内的参数，即可访问数据库读取数据，将读取到的数据以Echarts方式渲染至前端系统UI集成界面，基于以上内容最后完成直拉硅单晶生长虚拟系统UI界面的集成。

实施例2

直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法，直拉硅单晶生长过程可视化系统由可视化层、业务层、数据层组成，可视化层包含系统二维浏览器界面设计和三维虚拟场景搭建，三维虚拟场景搭建分为硅单晶生长设备建模、模型渲染、虚拟场景初始化；数据层分为三部分：数据采集、数据分析、数据存储；业务层包括后台管理、数据交互、作业可视化、设备健康管理四个部分。

三维虚拟场景搭建包括硅单晶生长相关设备建模和虚拟场景初始化，三维建模要求按照1:1的比例完成硅单晶生长设备、场景模型的构建。浏览器页面是该层级三维可视化功能模块渲染的载体，同时也是系统的集成页面，旨在以直观、实时的方式完成硅单晶生长虚拟仿真系统的功能展示。

构建虚拟场景的基础是进行设备三维建模，根据物理厂区的实际建筑结构1:1进行3D模型构建，实现真实性优和沉浸感强的虚拟场景，系统3D模型通过Blender绘制，对实际硅单晶生长环境进行全方位参考，首先对直拉硅单晶生长虚拟厂区进行三维建模，虚拟厂区分为上下两层，上层中央处镂空，再将生产所需的各种设备划分为核心设备和辅助设备，并对这些设备进行三维建模，核心设备即单晶炉，是用于制备硅单晶的主设备，单晶炉从顶部到底部依次为籽晶升降及旋转机构、副炉室、炉盖及隔离阀室、主炉室，主副炉室提升与支撑机构位于左侧与主副炉室相连接，其余作为单晶炉的辅助设备，包括交换机、除尘罐、控制台、电控柜、水凝器、真空泵，交换机通过管线与单晶炉底部左侧专用接口处，保证炉内达到符合工艺要求的真空度；真空泵与除尘罐连接后通过两条管道连接至单晶炉底部右侧专用管道处；水凝器通道多条输水管道连接至单晶炉底部三分之一接口处，控制台位于虚拟场景一层镂空区域左侧角，实现对系统的功能操控。

建模步骤如下：

步骤1、根据实际设备尺寸数据，新建设备几何体模型；

步骤2、渲染设备模型灯光，设置材质纹理贴图；

步骤3、将单晶炉各部分设备部件模型导出STL或者GLTF或者OBJ的3D格式文件，其中，籽晶升降及旋转机构、副炉室、主炉室导出OBJ格式文件；炉盖及隔离阀室导出STL文件；主副炉室提升与支撑机构导出GLTF格式文件。

设备模型构建好后，需要将模型按照实际物理机房的布局进行排列，采用场景树作为模型管理的方法，场景树包含根节点、枝节点和叶节点；

根节点为系统虚拟厂区，枝节点由厂区环境、资产设备和水电气三部分组成，枝节点上挂载各个叶节点，其中厂区环境包含地板、窗户、围墙；资产设备包含核心设备单晶炉和辅助设备；

设备三维模型构建好以后，使用Three.js三维引擎将不同3D格式的三维模型添加到Canvas画布上进行场景搭建，并将虚拟场景渲染至浏览器上，呈现机设备模型可视化界面。

业务层中后台管理模块为独立的模块，数据交互贯穿整个业务层，作业可视化作为数据显示和设备健康管理模块的载体，与数据交互和设备健康管理模块相融合，其中，后台管理模块部分包括用户管理和系统功能，用户管理分为普通用户和管理者，在显示用户信息的同时对用户进行系统功能的权限管理，普通用户仅可进行场景预览及包含缩放、平移、旋转在内的人机交互操作，管理者除以上权限外还可进行硅单晶生长模拟作业和工艺参数监控；数据交互模块分为数据读取和数据显示，读取和显示的数据均为直拉硅单晶生长各工艺流程中的实时工艺数据，作业可视化是业务层的核心部分，包括硅单晶生长阶段引晶、放肩、转肩、等径、收尾的工艺流程可视化、设备运行过程中实时数据的可视化及第一人称漫游操作；设备健康管理包含状态监控、故障报警、设备运维三部分，以视频流的形式对硅单晶生长厂区进行远程监控，及时发现水温、厂区温度和设备电压电流异常的故障并报警通知工作人员进行处理。

数据交互模块实现用户与三维场景的基础交互功能，通过配置OrbitControls实现场景缩放、旋转和移动功能，即通过改变场景中摄影机位置、方向以及控制不同角度的旋转，从而实现显示器中对场景不同区域的显示，场景漫游通过FirstPersonControls实现，通过键盘控制、ASDW键控制视角移动、方向键旋转。

状态监控模块对直拉硅单晶生长过程中的设备实时运行状态进行监控，分状态看板、视频监控、移动端三种方式。状态看板通过Echarts以图表的形式在虚拟场景中实时显示硅单晶生长过程的相关工艺参数即晶体直径、进/出水口冷却水温度、主加热器功率、晶转、晶升、氩气流量化料时间、放肩时间、稳定时间、收尾时间；视频监控部分引入FLV.js以直观的视频流形式对物理厂区进行监控，并将监控视频流集成至浏览器界面，移动端管理员在手机端登录ip，进行远程实时监控，监控设备运行状况和当前工艺流程及运行时间。

数据层的功能是管理和提供系统中的数据，为业务层和可视化层提供数据支持，并保证数据的安全和可靠性，数据层包括数据采集、数据分析和数据存储三个部分；

数据采集通过PLC连接硅单晶生长物理设备及各类传感器采集相关工艺数据，根据TCP/IP通讯协议以数据流的方式通过WinCC上传至云端服务器；

数据分析选用无监督的SOM人工神经网络算法，通过将上传至云端服务器的输入数据映射到低维的拓扑结构上，实现数据的可视化和聚类分析，系统选用关系型数据库MySQL存储和管理系统数据；

数据显示通过数据获取和前端页面渲染两步实现，数据获取通过Node-RED完成，在Node-red中部署UI Builder模块，设置访问数据库账号、密码、数据库名称在内的参数，即可访问数据库读取数据，将读取到的数据以Echarts方式渲染至前端系统UI集成界面，基于以上内容最后完成直拉硅单晶生长虚拟系统UI界面的集成。

实施例3

如图1所示，本发明直拉硅单晶生长过程可视化系统由可视化层、业务层、数据层组成。可视化层包含系统二维浏览器界面设计和三维虚拟场景搭建，三维虚拟场景搭建分为硅单晶生长设备建模、模型渲染、虚拟场景初始化；数据层分为三部分：数据采集、数据分析、数据存储；业务层包括后台管理、数据交互、作业可视化、设备健康管理四个部分。下文从1、2、3三个章节分别对系统可视化层、业务层、数据层进行介绍。

1.可视化层

可视化层包含二维浏览器界面设计和三维虚拟场景搭建，该层级主要功能在于完成系统的三维设备建模及虚拟场景初始化实现。三维虚拟场景搭建包括硅单晶生长相关设备建模和虚拟场景初始化，三维建模要求按照1:1的比例完成硅单晶生长设备、场景模型的构建。浏览器页面是该层级三维可视化功能模块渲染的载体，同时也是系统的集成页面，旨在以直观、实时的方式完成硅单晶生长虚拟仿真系统的功能展示。下文从1.1、1.2两个小节分别对硅单晶生长设备建模和场景初始化进行介绍。

1.1硅单晶生长相关设备建模

构建虚拟场景的基础是进行设备三维建模，根据物理厂区的实际建筑结构1:1进行3D模型构建，实现真实性优和沉浸感强的虚拟场景。系统3D模型通过Blender绘制，其主要的优点在于其强大的功能和灵活性。它可以实现高质量的渲染效果、满足各种复杂的设计需求。同时支持多种文件格式，可以与其他软件进行兼容和集成。

本发明对实际硅单晶生长环境进行了全方位参考，首先对直拉硅单晶生长虚拟厂区进行三维建模，虚拟厂区分为上下两层，上层中央处镂空。再将生产所需的各种设备划分为核心设备和辅助设备，并对这些设备进行了三维建模。核心设备即单晶炉，是用于制备硅单晶的主设备，从顶部到底部依次为籽晶升降及旋转机构、副炉室、炉盖及隔离阀室、主炉室，主副炉室提升与支撑机构位于左侧与主副炉室相连接。其余作为单晶炉的辅助设备，包括交换机、除尘罐、控制台、电控柜、水凝器、真空泵。交换机通过管线与单晶炉底部左侧专用接口处，保证炉内达到符合工艺要求的真空度；真空泵与除尘罐连接后通过两条管道连接至单晶炉底部右侧专用管道处；水凝器通道多条输水管道连接至单晶炉底部三分之一接口处。控制台位于虚拟场景一层镂空区域左侧角，可实现对系统的功能操控。

以单晶炉设备为例介绍设备主要建模步骤：

步骤1：根据实际设备尺寸数据，新建设备几何体模型。其中主设备单晶炉建模从上到下依次分为籽晶升降及旋转机构、副炉室、炉盖及隔离阀室、主炉室、主副炉室提升与支撑机构。如表1所示，分别从X、Y、Z轴模型尺寸进行描述。

表1:单晶炉设备模型尺寸

步骤2：渲染设备模型灯光，设置材质纹理贴图；通过三维引擎Three.js提供的API函数new THREE.DirectionalLight()创建两组平行光对模型部件进行渲染，平行光的十六进制颜色码值为0xffffff；材质纹理贴图均为美工对各模型部件设计的专用贴图。

步骤3：将单晶炉各部分设备部件模型导出STL或者GLTF或者OBJ的3D格式文件。其中，籽晶升降及旋转机构、副炉室、主炉室导出OBJ格式文件；炉盖及隔离阀室导出STL文件；主副炉室提升与支撑机构导出GLTF格式文件。

除主设备单晶炉外，系统部分辅助模型示例如图2所示，从上至下，从左到右依次为交换机、水凝器、电控柜和除尘罐。其中交换机连接至单晶炉底部正左侧处；水凝器通过多条输水管路连接至单晶炉底部三分之一处；电控柜位于单晶炉底部正右侧处。

1.2虚拟场景初始化

设备模型构建好后，需要将模型按照实际物理机房的布局进行排列。由于物理厂区三维模型数量比较多，需要采用有效的方式管理虚拟场景中的三维模型。系统采用场景树作为模型管理的方法，此方法是三维场景模型管理的常用方法，场景树包含根节点、枝节点和叶节点。

场景树层次图如图3所示。根节点为系统虚拟厂区，枝节点由厂区环境、资产设备和水电气三部分组成。枝节点上挂载各个叶节点，其中厂区环境包含地板、窗户、围墙；资产设备包含上文提到的核心设备单晶炉和辅助设备。辅助设备为交换机、除尘罐、控制台、电控柜、水凝器、真空泵；水电气包括空调、配电、水回路。

构建三维虚拟场景的目的在于实现直拉硅单晶生长过程的可视化和仿真。通过模拟和可视化，可以更好地理解和研究直拉硅单晶生长过程中的各种现象和机理。设备三维模型构建好以后，使用Three.js三维引擎将不同3D格式的三维模型添加到Canvas画布上进行场景搭建，并将虚拟场景渲染至浏览器上，呈现机设备模型可视化界面。

虚拟机房场景构建的流程如下：

步骤1：根据物理厂区布局图规划虚拟场景各部分设备所在位置，单晶炉贯穿虚拟场景第一层和第二层，位于中央位置，虚拟场景第一层围绕单晶炉顺时针布局依次为：电控柜、真空泵、除尘罐、水凝器；第二层布局控制台位于除尘罐正上方，空调机组分布于第二层左右两侧最高点处；

步骤2：创建StlLoader、ObjLoader、GltfLoader加载器，分别加载STL、OBJ、GLTF格式的3D设备模型(单晶炉、交换机、除尘罐、控制台、电控柜、水凝器、真空泵)按照步骤1设定相关位置布局；

步骤3：构建虚拟场景，新建视图窗口、相机、光源、渲染器等完成场景的初始化。使用Three.js提供的API函数new THREE.OrthographicCamera()创建一台透视投影相机，相机视口宽高比为1498：773，相机范围控制显示系数设定为S＝2800。通过newTHREE.AmbientLight()函数创建一组环境光，其十六进制颜色码值0x444444。

场景最终构建效果如图4所示。

2.业务层

业务层是系统的核心模块，负责进行系统的功能设计。业务层包含后台管理模块、数据交互模块、作业可视化、设备健康管理四部分。业务层中后台管理模块为独立的模块，数据交互贯穿整个业务层，作业可视化作为数据显示和设备健康管理模块的载体，与数据交互和设备健康管理模块相融合。

其中，后台管理模块部分包括用户管理和系统功能。用户管理分为普通用户和管理者，在显示用户信息的同时对用户进行系统功能的权限管理。普通用户仅可进行场景预览及包含缩放、平移、旋转在内的人机交互操作，管理者除以上权限外还可进行硅单晶生长模拟作业和工艺参数监控；数据交互模块分为数据读取和数据显示，读取和显示的数据均为直拉硅单晶生长各工艺流程中的实时工艺数据。作业可视化是业务层的核心部分，包括硅单晶生长阶段引晶、放肩、转肩、等径、收尾的工艺流程可视化、设备运行过程中实时数据的可视化及第一人称漫游操作；设备健康管理包含远程监控、故障报警、设备运维三部分。以视频流的形式对硅单晶生长厂区进行远程监控，及时发现水温、厂区温度和设备电压电流异常的故障并报警通知工作人员进行处理。

在上述分析的基础上，采用模块化的开发理念对业务层进行综合性功能设计，主要包括人机交互、模拟作业、状态监控和实时报警功能四个部分，综合性功能模块设计如图5所示。以下从2.1、2.2、2.3、2.4四个章节对综合性功能模块进行详细介绍。

2.1人机交互模块

其中人机交互模块实现用户与三维场景的基础交互功能。通过配置OrbitControls(Three.js轨道控制器)实现场景缩放、旋转和移动功能。其实现原理是通过改变场景中摄影机位置、方向以及控制不同角度的旋转，从而实现显示器中对场景不同区域的显示。场景漫游通过FirstPersonControls(Three.js第一人称相机控件)实现，通过键盘控制，ASDW键控制视角移动，方向键旋转。

2.2模拟作业

直拉法是制备大尺寸硅单晶的重要方法，设备模拟作业主要实现直拉法制备硅单晶工艺仿真，实现流程如图6所示。该部分是系统的核心功能，实现步骤为：

步骤1：创建关键帧轨道KeyframeTrack，定义硅单晶生长过程引晶、放肩、转肩、等径、收尾各阶段动画的属性和变化，同时控制晶棒的尺寸、位置、生长速度属性以及籽晶升降及旋转机构、副炉室、炉盖及隔离阀室的位置和旋转角度变化。

步骤2：创建剪辑器AnimationClip将引晶、放肩、转肩、等径、收尾各阶段关键帧轨道组合成一个完整的动画片段，并设置动画的循环、时间播放属性；

步骤3：通过初始化混合器AnimationMixer对直拉硅单晶生长过程完整动画片段进行管理和控制剪辑，通过调用混合器的update方法更新动画状态；

步骤4：新建动画播放器AnimationAction控制直拉硅单晶生长过程完整动画片段的播放状态(如播放、暂停、停止)，最后通过Renderer执行render操作即可完成动画渲染。

2.3状态监控

状态监控模块对直拉硅单晶生长过程中的设备实时运行状态进行监控，分状态看板、视频监控、移动端三种方式。状态看板通过Echarts以图表的形式在虚拟场景中实时显示硅单晶生长过程的相关工艺参数(晶体直径、进/出水口冷却水温度、主加热器功率、晶转、晶升、氩气流量化料时间、放肩时间、稳定时间、收尾时间)；视频监控部分引入FLV.js(FLV.js是一个基于JavaScript的视频播放器库，用于在浏览器中解码和播放FLV格式的视频文件)以直观的视频流形式对物理厂区进行监控，并将监控视频流集成至浏览器界面。移动端管理员可在手机端登录ip，进行远程实时监控，主要监控设备运行状况和当前工艺流程及运行时间。

2.4实时报警

实时报警是系统设备健康管理的一部分，由页面弹窗和音频信息两种途径实现。页面弹窗根据实时工艺过程中的异常数据进行渲染，主要显示故障部位、故障数据以及故障类型(常见故障包括进输水管路漏水、厂区温度湿度异常、设备电压电流异常、氩气流量异常)从而提醒工作人员及时处理。用户进行报警查询后，根据实际情况选择是否进行三维场景提示，如需提示，以页面弹窗和音频播报完成；如不需要，则添加报警记录并存入数据库。报警实现流程如图7所示。

3.数据层

数据层的功能是管理和提供系统中的数据，为业务层和可视化层提供必要的数据支持，并保证数据的安全和可靠性。数据层包括数据采集、数据分析和数据存储三个部分。

数据量大、数据类型多是硅单晶生长工艺参数的突出特点。直拉法制备硅单晶生长工艺过程复杂，需要采集的数据量多达200余种。单晶炉布置有速度、压力、温度等多种类型传感器，数据采集点达200余处。其中采集的主要工艺数据包括氩气流量、磁场电流、进出口冷却水水温、加热器功率、晶棒长度、坩埚位置以及各工艺流程时间等。主要采集数据如表2所示。

表2主要采集工艺数据

数据采集主要通过PLC连接硅单晶生长物理设备及各类传感器采集相关工艺数据，根据TCP/IP通讯协议以数据流的方式通过WinCC上传至云端服务器。

数据分析选用无监督的SOM人工神经网络算法，该算法基于竞争学习的思想，通过将上传至云端服务器的输入数据映射到低维的拓扑结构上，实现数据的可视化和聚类分析。系统选用关系型数据库MySQL来存储和管理系统数据。

数据显示通过数据获取和前端页面渲染两步实现。数据获取通过Node-RED完成。Node-RED是构建物联网(IOT，Internet of Things)应用程序的一个强大工具，以可视化编辑方法进行功能开发。在Node-red中部署UI Builder模块，设置访问数据库账号、密码、数据库名称等参数，即可访问数据库读取数据。将读取到的数据以Echarts等方式渲染至前端系统UI集成界面。数据交互过程如图8所示。

基于以上内容最后完成直拉硅单晶生长虚拟系统UI界面的集成。如图9所示，集成界面实时展示直拉硅单晶生长过程中相关工艺参数、工艺流程及热场分布变化。对图9区域进行划分，分别标记为区域1、2、3、4、5、6、7。其中硅单晶生长工艺过程及运行时间于区域1显示。硅单晶生长相关工艺参数以Echarts图表方式分别渲染至区域2、3、4、7，UI界面目前集成温度、加热器功率、晶体直径、拉速等主要工艺参数。区域5通过FLV.js显示硅单晶生长阶段单晶炉内部实时运行状态，炉内硅单晶生长状态通过FLV.js以视频流的形式实时推送至UI界面。硅单晶生长过程中热场分布变化集成至区域6。

直拉硅单晶生长可视化系统采用B/S架构，根据业务逻辑和数据要求将系统划分为可视化层、业务层和数据层三部分，各层级间存在数据流传输。可视化层和业务层集成于前端页面，数据层属于系统后端模块。

可视化层主要完成硅单晶生长虚拟场景的初始化以及相关工艺数据的实时渲染，它将系统各个层集成为一个完整的系统，系统主要功能展示在该层级完成。

业务层是系统的核心模块，主要负责系统功能开发。业务层分为后台管理模块、数据交互模块、作业可视化、设备健康管理四个部分。

数据层数据层包括数据采集、数据分析和数据存储三个部分。其功能在于管理和提供系统中的数据，为业务层和可视化层提供必要的数据支持，并保证数据的安全和可靠性。